應用型本科院校少學時材料力學教學方法探討

彭英

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?材料力學是理工科專業(yè)重要的基礎(chǔ)課程之一，針對材料力學的課程特點及少學時等教學現(xiàn)狀，結(jié)合培養(yǎng)應用型人才的需求，從優(yōu)化教學內(nèi)容，采用對比式和案例式教學方法，使用多媒體與板書相結(jié)合的教學手段，將有限元數(shù)值模擬技術(shù)引入課堂，有效利用實驗教學等方面進行探討，從而為提高教學效果、激發(fā)學生學習興趣、培養(yǎng)學生工程實踐能力的教學目標提供參考。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?材料力學;少學時;教學方法

[中圖分類號] ?G642 ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] ?A ? ? ? ? ?[文章編號] ?2096-0603（2019）16-0130-02

在我國高等教育大眾化的進程中，應用型本科院校致力于培養(yǎng)具有一定理論基礎(chǔ)、工程實踐能力和創(chuàng)新精神的應用型人才。材料力學作為一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，是連接基礎(chǔ)知識與專業(yè)知識的橋梁，學生若不能掌握其相關(guān)知識內(nèi)容，對后續(xù)專業(yè)課程的學習將會造成很大的困擾。然而，為了擴大學生知識面和增加學生的自主學習時間，普遍存在材料力學學時少、內(nèi)容多的矛盾，再加上應用型本科院校學生基礎(chǔ)薄弱，這些都給教學帶來了極大的挑戰(zhàn)。因此，如何在有限的學時內(nèi)更好地實現(xiàn)教學目標、提高教學質(zhì)量，就必須對本課程的教學方法不斷地進行反思和改進。

一、課程特點及教學現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的材料力學教學首先依次講解軸向拉壓、扭轉(zhuǎn)和彎曲，再延伸到應力狀態(tài)和強度理論、組合變形和壓桿穩(wěn)定等。課程教學過程中涉及很多基本概念、簡化假設(shè)和公式的推導，雖然這些都有利于構(gòu)建學生的理論知識體系，但也要求學生具有一定的數(shù)學和物理基礎(chǔ)，而應用型本科院校學生基礎(chǔ)普遍薄弱，學習自主性也不強。同時，應用型高校更注重學生實踐能力的培養(yǎng)，對課程理論學時不斷壓縮，如果在課堂上進行太多的理論推導，不僅會占用大量的教學時間，也容易讓學生感覺枯燥乏味，繼而失去學習興趣，不能獲得理想的教學效果。因此，為了克服材料力學教學中的困難，除了優(yōu)化教學內(nèi)容外，還要改進教學手段和教學方法，激發(fā)學生的學習興趣，引導學生獨立思考，開拓學生的創(chuàng)新思維能力，使其掌握并能將所學的理論知識靈活應用于工程實際問題。

二、教學內(nèi)容的調(diào)整

材料力學主要研究構(gòu)件在荷載作用下的強度、剛度和穩(wěn)定性問題，內(nèi)容多、課時少，因此必須對教學內(nèi)容進行調(diào)整，這里的調(diào)整不是簡單的刪減，而是根據(jù)學生專業(yè)要求、后續(xù)專業(yè)課程及將來的工作需求進行調(diào)整?？梢詣h除一些在后續(xù)課程中相重復的內(nèi)容和工程實際中應用很少的內(nèi)容，譬如對土木工程專業(yè)，超靜定問題在后續(xù)的結(jié)構(gòu)力學課程中會重點講解，連接部分計算及壓桿穩(wěn)定在后續(xù)的鋼結(jié)構(gòu)課程中會涉及較多，這些內(nèi)容在材料力學教學中就可以刪除，以節(jié)省課時、減少學生負擔。同時，可以適當補充一些拓寬學生知識面、提高學習興趣的內(nèi)容，譬如，可以穿插力學史知識來豐富課堂內(nèi)容，還可以將一些現(xiàn)代力學及相關(guān)學科的研究成果引入材料力學教學中，不僅能激發(fā)學生的學習興趣，還可以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力。

三、教學手段和教學方法的改進

（一）多媒體與板書相結(jié)合

在教學手段上，采取多媒體與板書相結(jié)合的授課方式。在推導主要公式時采用板書，這樣更利于學生跟著教師的思維，真正理解和掌握理論公式。在講解工程案例時采用多媒體教學，這樣不僅可以直觀地向?qū)W生展示工程實際圖片，幫助學生理解和強化工程概念，還可以節(jié)省大量的課堂時間。但是，一定要注意多媒體只是輔助教學，不能代替教學，多媒體課件制作要注意少字多圖、主次分明、突出重點。

（二）有限元數(shù)值模擬技術(shù)輔助教學

對材料力學中一些基本假設(shè)和力學規(guī)律，學生普遍感覺抽象難懂，教師可以采用有限元數(shù)值模擬技術(shù)輔助教學。譬如，教師采用有限元軟件ANSYS對純彎曲梁進行模擬計算，并通過后處理畫出應力云圖，可以讓學生清楚地看到應力沿截面高度的變化規(guī)律;教師根據(jù)力學等效原理，讓學生計算不同載荷分布情況下梁的應力云圖，可以讓學生直觀地認識圣維南原理;還可以通過后處理制作動畫，形象地向?qū)W生展示構(gòu)件的變形過程和應力分布的變化情況等。這樣不僅可以加深學生對力學知識的理解，激發(fā)學習興趣，還可以培養(yǎng)他們理論聯(lián)系實際的能力，為將來的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析打下堅實的理論基礎(chǔ)。

（三）對比教學法

材料力學理論知識抽象，又緊密結(jié)合工程實際，學生往往理解不深，對眾多公式難以記憶，也不能靈活應用于實際問題。實質(zhì)上，各部分內(nèi)容之間具有較強的關(guān)聯(lián)性和相似性。在講解各部分內(nèi)容時，教師可以采取對比教學法，幫助學生系統(tǒng)地理解和掌握知識，這樣學生不僅對公式容易記憶，也能將所學的理論知識準確地應用于實際問題。有了前期的知識體系做基礎(chǔ)，教師后面的教學會更加得心應手，從而節(jié)省課堂時間。例如，等直圓桿扭轉(zhuǎn)時的最大切應力τmax=T/Wp，其中Wp為扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)，且Wp=Ip/r，對圓形截面Wp=πd3/16;梁彎曲時橫截面上的最大正應力σmax=M/Wz，其中Wz為彎曲截面系數(shù)，且Wz=Iz/ymax，對圓形截面Wp=πd3/32。在教學過程中，通過前后知識的對比，可以讓學生清楚地知道扭轉(zhuǎn)時最大切應力與彎曲時最大正應力的異同、扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)與彎曲截面系數(shù)的異同、極慣性矩與慣性矩的異同，這樣學生思路清晰明了，對基本概念的理解也更加深入，不僅方便記憶公式，還可避免他們在今后的實際應用中張冠李戴，同時教師也無需在課堂上重復講授相關(guān)知識點，極大地提高了課堂效率。

（四）案例教學法

教師除了在課堂上講授課本知識外，還可以采取案例教學法，結(jié)合日常生活和工程實例向?qū)W生提出一系列與材料力學相關(guān)的問題，啟發(fā)學生主動思考，激發(fā)學生學習興趣，讓學生真切感覺到材料力學是一門實用性很強的課程，從而更加積極主動地學習。譬如，在講解彎曲合理截面時，教師可以結(jié)合所學的理論知識分析房屋結(jié)構(gòu)中的陽臺懸挑梁為什么根部粗，為什么鋼筋要設(shè)置在梁的上部。還可以列舉鐵軌的截面形狀、竹子的截面形狀等實例，讓學生從這些日常生活的實物中對等強度梁有直觀的認識。再如，講解平面桁架的強度驗算時，可以列舉實際工程中常見的桁架橋、吊車梁、木屋架、鋼屋架等桁架結(jié)構(gòu)，讓學生首先對桁架結(jié)構(gòu)有感性認識，然后采取截面法或節(jié)點法的理論解法求解桿件軸力，最后再按拉壓桿的強度條件進行驗算。除此以外，教師還可以通過對具體實例的有限元建模、分析、求解，拓展學生的知識面，培養(yǎng)他們對實際工程的分析和應用能力。以圖1所示的桁架結(jié)構(gòu)為例，圖2為理論解法求得的內(nèi)力圖，圖3至圖5分別為有限元軟件ANSYS計算得到的內(nèi)力云圖、應力云圖和變形圖。通過有限元計算，不僅可以向?qū)W生展示應力圖，還可以讓學生清楚地看到桁架結(jié)構(gòu)受載后的變形圖，對比圖2和圖3，可以看出有限元求解的結(jié)果與理論解十分吻合。

四、實驗教學的改革

實驗是材料力學教學的重要組成部分，應用型本科院校在有限的材料力學課時中加大實驗課時比重，更加凸顯了實驗的重要性。除了軸向拉壓、扭轉(zhuǎn)和彎曲幾個基本實驗外，還開設(shè)了材料力學開放性實驗，譬如彎扭組合梁實驗、沖擊實驗等。這些實驗可以使學生掌握測定材料力學性質(zhì)實驗的基本知識和驗證材料力學理論的基本方法，熟悉常用儀器設(shè)備的性能和一般故障的排除，不僅加深了學生對理論的理解，還提高了學生的動手操作能力，為培養(yǎng)應用型人才奠定了良好的基礎(chǔ)。

五、結(jié)語

材料力學課程內(nèi)容多、理論性強，且與工程實際結(jié)合緊密，而應用型高校學生基礎(chǔ)普遍薄弱，在材料力學教學過程中，結(jié)合少學時的教學現(xiàn)狀和應用型人才的培養(yǎng)目標，通過優(yōu)化教學內(nèi)容，改進教學手段和教學方法，開放實驗室，可以激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生的動手能力和實際應用能力。

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編輯 陳鮮艷