提高課堂教學效果的教學模式研究
——以材料力學課程為例

李明（淮北師范大學 物理與電子信息學院，安徽 淮北 235000）

提高課堂教學效果的教學模式研究
——以材料力學課程為例

李明
（淮北師范大學 物理與電子信息學院，安徽 淮北 235000）

材料力學是高等院校工科本科生重要的專業(yè)基礎課，具有內(nèi)容多、雜、不易掌握的特點.根據(jù)材料力學課程的特點，結(jié)合近年來指導學生參加全國周培源大學生力學競賽的經(jīng)驗，從教學內(nèi)容、教學手段方面對提高材料力學課堂教學效果的教學模式進行實踐.實踐表明：新的教學模式不但能夠激發(fā)學生的學習興趣，有效地提高課堂教學質(zhì)量，而且使學生具備解決復雜問題的能力.

材料力學；新教學模式；教學內(nèi)容；教學手段

0 引言

材料力學作為一門工科大學生必修的專業(yè)基礎課，在基礎課和專業(yè)課之間起著承上啟下的橋梁作用.該課程的特點是理論指導實際應用，既有很強的理論性，又可以為實際生產(chǎn)、設計提供合理有力的指導，它可以為工程設計提供有關強度、剛度和穩(wěn)定性計算的理論和方法［1］.通過對材料力學的學習，使學生掌握分析材料力學性能的基本方法，通過實際應用中的構(gòu)件來理解設計原則，最終具備應用所學知識解決實際工程問題的能力.隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，對工程設計的安全性、經(jīng)濟性提出更高的要求，培養(yǎng)創(chuàng)新能力強、工程意識素質(zhì)高的工程技術人員成為工科院校的首要任務.

隨著高等院校教育改革的不斷發(fā)展，高等院校對課程設置以及課時分配做了較大調(diào)整.由于部分新課程的引入，材料力學的課時數(shù)在逐漸減小，在這種情況下，傳統(tǒng)的教學體系已經(jīng)不適應現(xiàn)階段的教學要求.比如材料力學的主要內(nèi)容是探討3種基本變形形式（拉、壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲）的強度、剛度問題，在原來的教學計劃安排中，對每一種變形形式單獨進行講解，但是每一種變形形式研究思路基本一致，這樣造成同樣的問題重復講，增加額外課時，也縮減其他內(nèi)容的課時量，導致其他內(nèi)容課時分配不足，內(nèi)容講解不充分.同時每種變形形式分開來講也打破課程本身的系統(tǒng)性，把系統(tǒng)有規(guī)律的知識點變成零散的知識點，從學生反饋結(jié)果來看，學生普遍反應公式多記不住、難理解不會用，這樣的教學效果滿足不了當前社會發(fā)展對工程技術人員的需求.同樣，該課程的傳統(tǒng)教學方法也相對落后、理論與實際脫節(jié)嚴重、學生實踐機會少等問題已經(jīng)遠遠不能滿足現(xiàn)階段的培養(yǎng)目標［2-3］.

因此，基于以上情況，為適應社會發(fā)展需要，根據(jù)材料力學課程的特點，并結(jié)合近年來指導學生參加全國周培源大學生力學競賽的經(jīng)驗，從教學內(nèi)容、教學手段方面對提高材料力學課堂教學效果的教學模式進行實踐探索.

1 新教學模式的內(nèi)容

新的教學模式圍繞教學內(nèi)容的調(diào)整與教學手段的改變進行實踐.

在教學內(nèi)容方面，通過優(yōu)化教學內(nèi)容，強化實驗教學，使學生系統(tǒng)地掌握材料力學的研究方法，并在實驗過程中通過學生的獨立操作、設計，加深學生對基本概念的理解，使學生掌握材料力學性能的測試方法.

在教學手段改進方面，通過類比教學法、理論聯(lián)系實際、加強師生互動以及適當運用多媒體相結(jié)合的形式展開，使學生提高學習興趣，理解和掌握知識點的系統(tǒng)性，強化對細節(jié)以及關鍵問題的理解.

2 新教學模式的內(nèi)容實踐

2.1 教學內(nèi)容

由于課時的調(diào)整以及社會對工程技術人員要求的提高，應對教學內(nèi)容作出相應的調(diào)整來滿足現(xiàn)階段的培養(yǎng)需求.

2.1.1 優(yōu)化教學內(nèi)容

材料力學課程的主要內(nèi)容是探討3種基本變形形式（拉、壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲）的強度、剛度問題，在原來的教學計劃安排中，對每一種變形形式單獨進行講解，但是每一種變形形式研究思路基本一致，這樣造成同樣的問題重復講，增加額外課時，也就縮減其他內(nèi)容的課時量，導致其他內(nèi)容課時分配不足，內(nèi)容講解不充分.同時每種變形形式分開來講也打破課程本身的系統(tǒng)性，把系統(tǒng)有規(guī)律的知識點變成零散的知識點，導致學生公式多記不住、難理解不會用.對于這部分內(nèi)容的學習，應分析內(nèi)容的關聯(lián)性，理清思路，保持其內(nèi)容的系統(tǒng)性.所以在對這部分內(nèi)容進行講解的時候，首先要讓學生明白不管是哪種變形形式，研究思路都是一樣的，都是根據(jù)外力情況應用截面法來求內(nèi)力，根據(jù)內(nèi)力以及相應的假設來計算應力，從而進行強度校核，根據(jù)線彈性階段應力-應變滿足胡克定律來進行變形分析從而進行剛度校核，即：外力分析—內(nèi)力分析—應力分析—強度校核—變形分析—剛度校核.因此，在講解這部分內(nèi)容的時候，應該將原來的單一講解某一變形變?yōu)?種變形同時進行（內(nèi)力-應力-變形），這樣可以讓學生在較少的課時內(nèi)比較清楚地理解材料力學的研究思路，也可以集中強化各個環(huán)節(jié)的分析方法，從而達到系統(tǒng)地理解、掌握材料力學的內(nèi)容.

2.1.2 強化實驗教學

實驗教學是材料力學教學內(nèi)容的重要組成部分，是理論與實際相結(jié)合的重要手段.但是在實驗教學時，不能把實驗教學僅僅立足于對理論結(jié)果的驗證，要培養(yǎng)學生的創(chuàng)新性［4］.因此在進行實驗教學時，一方面要對實驗課時進行調(diào)整，增加實驗課時的比重，另一方面要提高實驗教學的要求.實驗前，要求學生對實驗進行預習，并根據(jù)傳統(tǒng)實驗方案進行獨立設計實驗方案，培養(yǎng)學生獨立思考以及創(chuàng)新能力；實驗過程中，學生應按照操作規(guī)范獨立操作并認真觀察實驗現(xiàn)象，記錄實驗結(jié)果，培養(yǎng)學生動手、觀察能力；實驗后，要對實驗結(jié)果進行比較、分析，探討個人設計的實驗方案的優(yōu)缺點.通過學生的獨立操作、設計，加深學生對基本概念的理解，使學生掌握材料力學性能的測試方法.

2.2 教學手段

材料力學課程的特點是知識點多、系統(tǒng)性強、實用性強，相應教學手段應該適合該課程的特點.相應該課程的教學手段應采用類比教學法、理論聯(lián)系實際、加強師生互動以及適當運用多媒體相結(jié)合的形式展開.

2.2.1 類比教學法

類比教學法是將不同知識點進行比較，找出其相同或者相似的地方，并總結(jié)出相應的規(guī)律.在教學過程中采用類比教學法，在較少的課時內(nèi)可以使學生找到類似知識點的規(guī)律，更加體現(xiàn)相似知識點的系統(tǒng)性，便于對知識點的理解和掌握［5］.同時，教師在采用類比教學法的同時，也可以引導學生形成較好的思維習慣，對學生的創(chuàng)新思維的發(fā)展有很大的好處.例如不同變形的應力表達式：軸向拉伸或壓縮時的內(nèi)力是軸力FN，應力是正應力，其表達式是扭轉(zhuǎn)變形時的內(nèi)力是扭矩T，應力是切應力，其表達式是彎曲變形時的內(nèi)力為彎矩M以及剪力FS，而對于細長梁，彎曲時的主要應力是彎矩M產(chǎn)生的正應力，其表達式為以上應力公式看似各自獨立，沒有任何規(guī)律，但實際上可以對公式規(guī)律進行總結(jié)，可以反映材料力學的一個核心問題，也就應力與內(nèi)力以及截面的幾何性質(zhì)之間的關系，并同時也反映應力沿截面的變化規(guī)律.例如：軸向拉伸或壓縮時正應力表達式可以改寫成其中A是橫截面的面積，反映截面的幾何性質(zhì)，1表示正應力均勻分布；扭轉(zhuǎn)變形時切應力其表達式可以改寫成其中IP截面對坐標原點的極慣性矩，反映截面的幾何性質(zhì)，ρ表示切應力沿截面呈線性分布；彎曲時正應力表達式可以改寫成同樣IZ是截面對Z軸的慣性矩，也是反映截面的幾何性質(zhì)，y表示正應力沿橫截面呈線性分布.因此，3種變形形式的應力表達式可以改寫成：

這樣可以使學生很輕松地理解、掌握應力的表達式.同樣，也可以用相同的類比教學法總結(jié)最大正應力、變形量的表達式.以上分析表明，在教學過程中采用類比教學法，可以使學生很容易在短時間內(nèi)理解、掌握看似雜亂的知識點，起到事半功倍的效果.

2.2.2 理論聯(lián)系實際

理論教學畢竟是重理論，學習起來比較枯燥，所以為提高學生的學習興趣，增強學生的理解力，培養(yǎng)學生解決實際問題的能力，必須聯(lián)系生活以及生產(chǎn)中的實例進行講解.雖然教材中也有些實例，但是這些實例都是實際應用中簡化成力學模型然后對其進行理論計算，沒有對如何簡化進行講解［5］.因此可以引入一些生活中常見的例子來吸引學生的興趣并強化理解.例如講解應力集中的時候可以引入食品包裝袋的小豁口、啤酒飲料易拉罐的壓痕，這樣學生就比較容易理解應力集中所帶來的影響；講解切應力互等定理的時候，可以拿根竹竿一擰，斷裂方向是平行于軸線方向，這樣就很好理解互垂截面上且應力的分布；在講解力學性能的時候，可以將粉筆拉斷以及扭斷，通過觀察斷口情況，分析脆性材料的破壞原因.在講解梁的強度設計的時候，可以通過碼頭吊車的例子，吊車的設計從材料力學角度簡化就是個外伸梁，為什么不用簡支梁的形式，可以讓學生算一下在相同載荷作用下的最大正應力的數(shù)值，就可以比較出設計的好壞.這些例子在現(xiàn)實生活中隨處可見，生活中的例子便于學生理解，也可以讓學生感覺到力學無處不在，在現(xiàn)實生活中有很大的作用，提高學生的學習興趣和積極性，也能更好地掌握知識.

2.2.3 加強學生互動

在教學過程中，學生是學習的主體，但是傳統(tǒng)的教學模式以教師講授為主，忽略學生參與的重要性.因此應該改變傳統(tǒng)的教學模式，樹立以學生為主體的觀念，教師在授課過程中的主要作用是激發(fā)學生的學習興趣，讓學生參與到課堂當中，引導學生去自主學習.在教學過程中，要多增加課堂討論部分，例如：一章內(nèi)容講完，可以讓學生課下自己整理整章內(nèi)容思路，課上分享自己總結(jié)的思路，每一個學生的思路可能不完全一樣，但是都可以涵蓋主要內(nèi)容，這樣一方面可以激發(fā)學生的主動學習的興趣，另一方面可以讓學生體會別的同學的思維習慣，促進個人思維習慣的完善；在講解完涉及到工程實例的理論時，可以讓學生課下查一下與理論相對應的生活中的其他工程實例，在課堂上跟大家分享，大伙共同討論設計的優(yōu)劣，起到強化知識點以及提高解決實際問題的能力.同樣，對于作業(yè)題目，教師可以把易做錯的題目叫學生到黑板上做一下，然后跟學生共同來分析做錯的地方、易錯的地方、題目所涉及的知識點以及這些知識點可能會有什么樣的應用.讓學生參與到課堂教學活動當中有以下3點好處：（1）提高學生的學習興趣；（2）培養(yǎng)學生的表達能力；（3）培養(yǎng)學生查閱資料，思考、分析和總結(jié)的能力.此外，課上、課下也需要跟學生進行多種形式的互動，了解并解決學生的困惑，了解學生所能接受的講解方式，并在教學活動中不斷改進，尋找更加適合學生的教學手段.

2.2.4 適當運用多媒體

現(xiàn)階段教師主要是借助多媒體教學作為主要教學手段，通過多媒體教學，可以將抽象的理論知識或者復雜的構(gòu)件形象化、可視化，因此，在教學活動中需要借助媒體.所以收集和制作工程實例的圖片，可以形象地展現(xiàn)語言無法表達清楚的教學信息，增加課堂的信息量和趣味性，便于學生理解，縮短學生的認知過程.大多數(shù)學生缺乏工程實踐經(jīng)歷，在講鉸支座的約束形式的時候，可以通過多媒體動畫展現(xiàn)不同鉸支座在的受力情況，讓學生比較清楚地了解構(gòu)件的約束形式.例如講解梁的合理強度設計的時候，可以收集一些現(xiàn)實生活中的設計實例，讓學生直觀、形象地理解設計的原則.運用多媒體有形象、可視的好處，但是不能完全借助多媒體，理論分析階段還是要通過板書的形式，在分析的過程運用板書，是一種即時的分析，教師在上面一步步分析，能把大學生帶入分析的情境，加強細節(jié)以及關鍵問題的理解，如果這個過程運用多媒體，此時的效果只是將學生帶入直觀的結(jié)果，影響學生的理解.

3 結(jié)論

材料力學課程教學模式應該以學生為主體，以培養(yǎng)學生分析問題解決問題的能力為中心思想.為提高教學效果，在教學內(nèi)容方面，可以優(yōu)化教學內(nèi)容、強化實驗教學；在教學手段方面，可以通過類比教學法、理論聯(lián)系實際、加強學生互動以及適當運用多媒體.通過教學實踐，激發(fā)學生的學習興趣，有效地提高課堂教學質(zhì)量，且使學生具備了解決復雜問題的能力，為社會培養(yǎng)出更多創(chuàng)新能力強、工程意識素質(zhì)高的工程技術人員.

［1］陳云信.《材料力學》課程教學改革與實踐［J］.江漢大學學報，2014，42（4）：40-44.

［2］劉安中，張速.基于CDIO工程教育理念的材料力學課程教學實踐［J］.淮北師范大學學報（自然科學版），2016，37 （4）：86-88.

［3］張速.基于全國周培源大學生力學競賽材料力學新教學模式的實踐［J］.淮北師范大學學報（自然科學版），2015，36 （2）：89-91.

［4］汪曉紅.《工程力學》教學改革探索［J］.教育與職業(yè)，2006，526（30）：117-119.

［5］段潔利，盧玉華，嚴慕榮，等.工程力學教學方法的創(chuàng)新探索與實踐［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2011，119（7）：56-60.

A New Teaching Model to Improve the Effectiveness of Classroom Teaching：A case study of Mechanics of Materials Course

LI Ming
（School of Physics and Electronic Information，Huaibei Normal University，235000，Huaibei，Anhui，China）

Mechanics of materials is an important vocational basis classes for engineering undergraduates. The course has the characteristics of miscellaneous content and it is difficult to master.According to the fea?ture of mechanics of materials course and the experience of guiding the students to participate in the Nation?al Zhou Peiyuan Mechanics Competition for College Students during recent years，a new teaching model is practiced to improve the effectiveness of classroom teaching of mechanics of materials course from the as?pects of teaching contents and teaching methods.It was proved that the new teaching model can not only stimulate students′interest in learning and improve the effectiveness of classroom teaching effectively，but al?so enable students to have the ability to solve complex problems.

mechanics of materials；the new teaching model；teaching contents；teaching methods

O 341

C

2095-0691（2017）02-0073-04

2017-03-28

國家自然科學基金項目（51301073）；安徽高校省級自然科學研究重點項目計劃（KJ2016A629）；高等學校省級質(zhì)量工程項目（2015jyxm161，2015zy026）

李 明（1979— ），男，山東煙臺人，博士，副教授，研究方向為納米材料熱力學.