有限元分析及混合教學(xué)法在材料力學(xué)課程中的教學(xué)研究

周騰 吳之豪 史留勇

摘? 要：在材料力學(xué)課程中引入有限元分析，為材料力學(xué)教學(xué)帶來(lái)更多的形式，與此同時(shí)采用混合教學(xué)法讓學(xué)生對(duì)材料力學(xué)產(chǎn)生濃厚的興趣，使得材料力學(xué)課程更深層次的基礎(chǔ)理論變得通俗易懂，幫助學(xué)生理解材料力學(xué)中關(guān)鍵工程實(shí)際問(wèn)題，從而獲得更好的教學(xué)效果。文章從材料力學(xué)教學(xué)改革的意義出發(fā)，探討了有限元軟件COMSOL Multiphysics在材料力學(xué)教學(xué)中的角色、改革途徑和方法。實(shí)踐證明，通過(guò)在課程教學(xué)中插入COMSOL Multiphysics仿真教學(xué)并采用混合教學(xué)方法可以幫助學(xué)生更好地掌握相關(guān)的材料力學(xué)知識(shí)，并增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識(shí)。

關(guān)鍵詞：材料力學(xué);COMSOL Multiphysics;混合式教學(xué);教育改革

中圖分類號(hào)：G640 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2021）35-0082-06

Abstract： The introduction of finite element analysis into the course of Material Mechanics brings more forms to the teaching of Material Mechanics. At the same time， the hybrid teaching method enables students to have a strong interest in Material Mechanics， makes the deeper basic theory of Material Mechanics easy to understand， and helps students understand the key engineering practical problems in material mechanics， so as to obtain better teaching results. Starting from the significance of Material Mechanics teaching reform， this paper discusses the role， reform ways and methods of finite element software COMSOL Multiphysics in Material Mechanics teaching. Practice has proved that by inserting COMSOL Multiphysics simulation teaching into the course teaching and adopting the hybrid teaching method， students can better master the relevant knowledge of Material Mechanics and enhance their innovative thinking and innovative consciousness.

Keywords： Material Mechanics; COMSOL Multiphysics; mixed teaching; teaching reform

材料力學(xué)（mechanics of materials）是研究構(gòu)件的外部荷載和由此產(chǎn)生的撓度、應(yīng)變和應(yīng)力之間的關(guān)系。由于材料力學(xué)是理工科各專業(yè)的一門技術(shù)專業(yè)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)課，且它是一門理論性、實(shí)踐性和應(yīng)用性都極其強(qiáng)的課程，對(duì)后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)和工程實(shí)踐應(yīng)用都有重要意義，海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院將材料力學(xué)列為相關(guān)專業(yè)的大學(xué)生必修課程。材料力學(xué)所研究的對(duì)象十分豐富，有不同的桿件，橋梁以及各種各樣的軸。在具體的工程實(shí)踐中，人們對(duì)于材料在加工制作與后期應(yīng)用過(guò)程中實(shí)際可承受的能力范圍以及內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變的情況需要進(jìn)行深入的探索與研究，這就產(chǎn)生了材料力學(xué)。我們可以通過(guò)材料力學(xué)對(duì)機(jī)械工件與材料進(jìn)行一系列的分析與應(yīng)用，比如：通過(guò)分析工程實(shí)踐所使用材料的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，可以迅速找到符合實(shí)際工況的材料;還可通過(guò)分析材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變，對(duì)機(jī)械工件的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，在保證強(qiáng)度夠用的情況下盡量減少材料的用量，節(jié)省成本;還可將復(fù)雜實(shí)際工程進(jìn)行簡(jiǎn)化分析，得出最合適的研究結(jié)果。

材料力學(xué)課程主要介紹了拉、壓、彎、扭四種基本變形的應(yīng)力應(yīng)變，以及相應(yīng)的強(qiáng)度和剛度校核，通過(guò)學(xué)習(xí)需要掌握各類形變的機(jī)械工件的應(yīng)力計(jì)算公式以及分布規(guī)律，在學(xué)習(xí)中駕馭分析機(jī)械工件的強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性的能力，可以在以后的工程實(shí)踐中為機(jī)械工件的合理性增添一份保障以及提供必要的計(jì)算方法。為學(xué)習(xí)其他后續(xù)課程，如機(jī)械設(shè)計(jì)，從事工程部件設(shè)計(jì)等相關(guān)工作打下基礎(chǔ)。本文將結(jié)合有限元分析與混合教學(xué)法，通過(guò)使用COMSOL Multiphysics軟件模擬分析承受大撓曲懸臂梁的撓度，與課本理論知識(shí)相輔相成，與此同時(shí)采用混合教學(xué)法，讓課堂變得更加豐富多彩，更好地闡述了在材料力學(xué)課程教學(xué)過(guò)程中有限元分析方法與混合教學(xué)法結(jié)合的應(yīng)用特色和優(yōu)點(diǎn)。

近幾年，混合教學(xué)法在工科專業(yè)課程中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，但是在材料力學(xué)課程中的應(yīng)用還不是特別突出，尤其是材料力學(xué)與有限元分析結(jié)合方面?；旌辖虒W(xué)法，也被稱為翻轉(zhuǎn)課堂，混合學(xué)習(xí)，反向教學(xué)，通過(guò)結(jié)合在線材料和面對(duì)面的教學(xué)對(duì)學(xué)生進(jìn)行材料力學(xué)課程的有限元分析教學(xué)。通常情況下，學(xué)生在材料力學(xué)上課前和上課期間觀看在線有限元分析的講座視頻，教師回答學(xué)生有限元分析在材料力學(xué)課程中的應(yīng)用，并帶領(lǐng)他們進(jìn)行材料力學(xué)課程活動(dòng)，這些活動(dòng)需要從觀看有限元分析相關(guān)視頻中獲得的如何在材料力學(xué)中使用有限元分析的方法與步驟。因?yàn)椴糠种v座內(nèi)容都是在課堂之外提供的，教師可以利用課堂時(shí)間對(duì)學(xué)生進(jìn)行針對(duì)性培養(yǎng)，讓學(xué)生能夠更好地舉一反三，將有限元分析應(yīng)用在材料力學(xué)課程中。鑒于這種教學(xué)方法的實(shí)用性，未來(lái)幾年混合工程課程的數(shù)量將會(huì)增加，為了滿足不斷變化的教學(xué)需求與教學(xué)方式多元化，且為了讓學(xué)生更好地掌握略顯枯燥的專業(yè)性工科知識(shí)，將本科生專業(yè)性工科知識(shí)從傳統(tǒng)的授課形式轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌夏Ｊ健?/p>

一、有限元分析

有限元分析（FEA）是通過(guò)使用數(shù)學(xué)方法來(lái)近似模擬真實(shí)的物理系統(tǒng)（幾何和負(fù)載條件）。利用簡(jiǎn)單和交互的元素（即單位），我們可以通過(guò)運(yùn)用有限數(shù)量的未知數(shù)來(lái)逼近具有無(wú)限未知數(shù)的真實(shí)系統(tǒng)。通過(guò)有限元模型剖析研究方法，我們可以將一個(gè)復(fù)雜的工程類問(wèn)題轉(zhuǎn)換成一個(gè)較為簡(jiǎn)單的可研究的問(wèn)題，并得出該問(wèn)題的近似解。

有限元分析是通過(guò)在空間維度上進(jìn)行特定的空間離散化來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該離散化是通過(guò)構(gòu)建對(duì)象的網(wǎng)格實(shí)現(xiàn)的，解決方案的數(shù)值域具有有限數(shù)量的點(diǎn)。邊值問(wèn)題的有限元分析公式化最終形成了一個(gè)代數(shù)方程組，該方法在域上近似未知函數(shù)。接著，將這些有限元建模的簡(jiǎn)單方程式組合成一個(gè)對(duì)整個(gè)問(wèn)題進(jìn)行建模的較大方程式系統(tǒng)。然后，有限元分析通過(guò)最小化關(guān)聯(lián)的誤差函數(shù)，使用來(lái)自變異演算的變異方法來(lái)近似求解。有限元分析將整個(gè)物理系統(tǒng)細(xì)分為更簡(jiǎn)單的部分具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）精確表示復(fù)雜的幾何形狀;（2）可以描述多樣的材料特性;（3）輕松表示整體解決方案;（4）精確描述局部現(xiàn)象。

COMSOL Multiphysics是一套跨平臺(tái)的有限元分析、求解器和多物理場(chǎng)模擬軟件。通過(guò)用數(shù)學(xué)教學(xué)研究的方法對(duì)真實(shí)生活世界中的物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行求解，COMSOL Multiphysics以高效的計(jì)算技術(shù)功用和卓越的多場(chǎng)雙向直接耦合問(wèn)題剖析研究能力能夠完成高度精確的數(shù)值模擬仿真?，F(xiàn)如今已廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)力學(xué)、電磁學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)、燃料電池等許多領(lǐng)域。

二、傳統(tǒng)材料力學(xué)課程的主要不足

由于材料力學(xué)課程與實(shí)踐工程應(yīng)用關(guān)系密切，國(guó)內(nèi)大多數(shù)工程院校對(duì)不同方向和與材料力學(xué)密切相關(guān)的如機(jī)械、土木等相關(guān)專業(yè)均開(kāi)設(shè)了本課程，但是每個(gè)學(xué)?；蛘呙總€(gè)專業(yè)都有不同的課程要求，不同的課程則對(duì)教學(xué)內(nèi)容有不同的要求。例如，海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院的各類專業(yè)在教學(xué)過(guò)程都有不同的側(cè)重點(diǎn)。機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化專業(yè)強(qiáng)調(diào)機(jī)械工件的實(shí)際制造效果，可以通過(guò)分析機(jī)械工件的應(yīng)力應(yīng)變?cè)趯?shí)際加工是否合理。而農(nóng)業(yè)機(jī)械化和自動(dòng)化重點(diǎn)研究農(nóng)業(yè)工件的機(jī)械性能和工程服務(wù)，通過(guò)分析確定該機(jī)械工件是否滿足應(yīng)用要求。與此同時(shí)，傳統(tǒng)的材料力學(xué)還存在一個(gè)問(wèn)題，在實(shí)際工程實(shí)踐中，實(shí)驗(yàn)條件與結(jié)果會(huì)存在很大的局限性，人的肉眼是無(wú)法直接觀察到機(jī)械工件內(nèi)部的應(yīng)力變形特性，從而導(dǎo)致材料力學(xué)在學(xué)習(xí)的過(guò)程中會(huì)有些抽象。因此，對(duì)于不同專業(yè)、不同方向的學(xué)生，在具體的教學(xué)中，教師應(yīng)結(jié)合各自專業(yè)的特點(diǎn)，講授課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，學(xué)生可以在課后自學(xué)剩下的內(nèi)容。

材料力學(xué)課程內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)多，計(jì)算公式多且理論性較強(qiáng)，應(yīng)力分布規(guī)律通過(guò)公式推導(dǎo)直接得出結(jié)論，較抽象，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中很難想象出來(lái)，導(dǎo)致學(xué)習(xí)積極性不高，學(xué)習(xí)效果較差。本門課程資源相對(duì)較少，需要充實(shí)教學(xué)資源;課程內(nèi)容較為枯燥，需要?jiǎng)?chuàng)新教學(xué)方法;課程應(yīng)用性較強(qiáng)，需要密切聯(lián)系實(shí)際。

三、懸臂梁的有限元分析

材料力學(xué)研究彎曲和變形的波形組件，通常稱為梁。懸臂梁是為了便于材料力學(xué)專業(yè)學(xué)生的計(jì)算能力分析而得到的簡(jiǎn)化模型。懸臂梁一端為固定支座，另一端為自由端。在荷載作用下，根據(jù)力的平衡條件，可以得到懸臂梁固定端的承載反力，包括水平力、垂直力和彎矩，并據(jù)此繪制出軸力圖、剪力圖和彎矩圖。由于懸臂梁屬于靜定結(jié)構(gòu)，因此體系的溫度變化、混凝土收縮徐變、支座移動(dòng)等只會(huì)使懸臂梁出現(xiàn)變形，但是不會(huì)在懸臂梁中產(chǎn)生附加內(nèi)力。因此，在梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，本文以最簡(jiǎn)單形式的矩形截面懸臂梁為例，采用有限元分析軟件COMSOL Multiphysics建立模型，研究梁分別在集中力、集中力偶和均布載荷作用下對(duì)應(yīng)的應(yīng)力特點(diǎn)。

（一）理論模型

懸臂梁及其特性的原理圖如圖1所示，懸臂梁的長(zhǎng)度為3.2m，其橫截面是邊長(zhǎng)為0.1m的正方形。懸臂梁是由線彈性材料構(gòu)成的，材料屬性E=2.1·1011N/m2，？籽=7850kg/m3，v=0。在懸臂梁上施加一定的約束和載荷，左端固定，右端承受的總載荷：最大壓縮載荷為Fx=-3.844·106N，橫向載荷為Fy=-3.844·103N。懸臂梁的端部最大垂直位移參考值為-2.58m，端部最終垂直位移參考值為-1.36m，端部最終水平位移參考值為-5.04m。通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算得出，懸臂梁的面積慣性矩為I=8.33×10-6m4。

（二）COMSOL Multiphysics建模

通過(guò)GUI步驟建立模型。建立模型時(shí)，所有單位均為國(guó)際通用單位。建模步驟如下：首先，確定所需初步研究的物理場(chǎng)，包括結(jié)構(gòu)力學(xué)中的固體力學(xué)和梁模塊;隨后，定義幾何數(shù)據(jù)、壓縮載荷分量及橫向載荷分量的參數(shù)，以及將用于逐漸增大壓縮載荷的參數(shù);接下來(lái)，繪制懸臂梁的幾何結(jié)構(gòu)，固體力學(xué)和梁接口將引用相同的材料數(shù)據(jù)，因此該材料數(shù)據(jù)可以作為全局材料添加到模型中，并通過(guò)使用材料鏈接節(jié)點(diǎn)，我們可以將全局材料指派到結(jié)構(gòu)的不同域、邊界和邊;最后，通過(guò)設(shè)定載荷與相關(guān)網(wǎng)格進(jìn)行研究應(yīng)力應(yīng)變。圖2所示為根據(jù)理論模型建立的懸臂梁的有限元幾何模型。

（三）模擬分析

分別使用“固體力學(xué)”和“梁”接口對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行建模，并將結(jié)果與基準(zhǔn)案例值進(jìn)行比較。在“固體力學(xué)”接口中，考慮到面外尺寸很小，通過(guò)將此問(wèn)題模擬為“平面應(yīng)力”問(wèn)題。泊松比v設(shè)為零，以使邊界條件與梁理論假設(shè)一致。梁右端的載荷模擬為對(duì)應(yīng)于指定總載荷的均勻分布邊界載荷。在這個(gè)問(wèn)題的第二部分，通過(guò)執(zhí)行線性屈曲分析研究，計(jì)算結(jié)構(gòu)的臨界屈曲載荷。

1. 固體力學(xué)模塊

當(dāng)添加物理界面時(shí)，在結(jié)構(gòu)力學(xué)分支下的固體力學(xué)界面用于3D、2D或軸對(duì)稱體的一般結(jié)構(gòu)分析。在2D中可以使用平面應(yīng)力、平面應(yīng)變或廣義平面應(yīng)變假設(shè)。固體力學(xué)界面的基礎(chǔ)是求解運(yùn)動(dòng)方程和固體材料的本構(gòu)模型，計(jì)算了位移、應(yīng)力和應(yīng)變等結(jié)果。默認(rèn)材料是線性彈性材料。無(wú)論是非線性結(jié)構(gòu)材料模塊還是地質(zhì)力學(xué)模塊，物理界面都被更多的材料所擴(kuò)展，例如塑性、超彈性、蠕變和混凝土材料模型。當(dāng)添加這個(gè)物理接口時(shí)，這些默認(rèn)節(jié)點(diǎn)也被添加到模型構(gòu)建器中：線性彈性材料，自由模塊和初始值。自由模塊是指邊界是自由的，沒(méi)有負(fù)載或約束的邊界條件。

固定約束節(jié)點(diǎn)添加了使幾何實(shí)體固定（完全約束）的條件;也就是說(shuō)，在所選幾何實(shí)體所有方向上的位移都為零。如果有轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，它們也將為零。使用邊界負(fù)載來(lái)施加阻力或壓力到邊界。選擇負(fù)載類型——單位面積的力，壓力，總力，單位長(zhǎng)度的力。然后根據(jù)選擇和空間維數(shù)為矩陣中的組件輸入值或表達(dá)式。對(duì)于單位面積的力，牽引分量是明確給出的。對(duì)于總力，COMSOL Multiphysics將總力除以載荷活動(dòng)的邊界面積。然后它以同樣的方式應(yīng)用于其他部分的單位面積。當(dāng)使用彎曲邊界或局部坐標(biāo)系時(shí)，要小心使用這個(gè)選項(xiàng)，因?yàn)榻Y(jié)果并不總是直觀的。對(duì)于壓力，一個(gè)標(biāo)量輸入是給定的，而負(fù)荷的方向是由邊界的法線給出的。當(dāng)指向固體時(shí)，壓強(qiáng)是正的。在幾何非線性分析中，使用了電流表面法線和面積。

2. 梁模塊

當(dāng)添加一個(gè)物理界面時(shí)，在結(jié)構(gòu)力學(xué)分支下發(fā)現(xiàn)的梁界面用于建模細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)單元，具有顯著的彎曲剛度。該公式允許幾何非線性，具有大的旋轉(zhuǎn)和小的應(yīng)變，梁可以在2D邊界和3D邊緣上建模。采用了厄米公式的兩節(jié)點(diǎn)直線單元。我們可以使用兩種不同的物理假設(shè)：（1）歐拉理論，此公式適用于細(xì)長(zhǎng)梁，不考慮剪切變形;（2）鐵木辛柯梁理論，在這個(gè)公式中，梁理論擴(kuò)展到“厚”梁，剪切變形被考慮在內(nèi)，在動(dòng)態(tài)分析中，還包括轉(zhuǎn)動(dòng)的慣性效應(yīng)。

計(jì)算結(jié)果包括位移、旋轉(zhuǎn)、應(yīng)力、應(yīng)變和截面力。除了在面積、慣性矩等方面明確給出梁的性質(zhì)外，還有幾種預(yù)定義的通用截面類型。在橫截面數(shù)據(jù)設(shè)置中使用的橫截面數(shù)據(jù)可以使用梁橫截面接口進(jìn)行計(jì)算。線性彈性材料節(jié)點(diǎn)是唯一可用的材料模型。

（四）結(jié)果與討論

由于壓縮軸向載荷較大且?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)較為細(xì)長(zhǎng)，這是一個(gè)屈曲問(wèn)題。如果要研究對(duì)稱問(wèn)題的屈曲和后屈曲特性，則需要在某種程度上擾亂對(duì)稱性。這里，較小的橫向載荷起到了這個(gè)作用。另一種方法是在幾何結(jié)構(gòu)中引入初始缺陷。

圖3為1∶1位移縮放后的最終狀態(tài)。

末端的水平和垂直位移與最大值經(jīng)歸一化處理后壓縮載荷之間的關(guān)系如圖4所示。

表1總結(jié)了一些重要的結(jié)果。由于參考值以圖表形式給出，因此表中添加了讀圖帶入的誤差估計(jì)。

結(jié)果非常一致，尤其是就所使用的粗化網(wǎng)格而言。

由圖4可知，不穩(wěn)定性出現(xiàn)在參數(shù)值接近0.1處，對(duì)應(yīng)于3.84×105N的壓縮載荷。在實(shí)踐中我們經(jīng)?？吹?，不完美結(jié)構(gòu)的臨界載荷明顯低于理想結(jié)構(gòu)的臨界載荷。理論臨界載荷為

圖5顯示根據(jù)線性屈曲分析計(jì)算梁的一階屈曲模態(tài)。一階模態(tài)是外力的激勵(lì)頻率與物體固有頻率（第一階）相等的時(shí)候出現(xiàn)的，此時(shí)物體的振動(dòng)形態(tài)叫作一階振型或主振型。

四、混合教學(xué)法結(jié)合有限元分析在材料力學(xué)課程中的應(yīng)用創(chuàng)新

混合式教學(xué)法結(jié)合有限元分析對(duì)工科學(xué)生的影響在材料力學(xué)課程中進(jìn)行了實(shí)證研究。對(duì)工程專業(yè)學(xué)生在教師指導(dǎo)的材料力學(xué)課程不采用有限元分析和混合式材料力學(xué)課堂上結(jié)合有限元分析的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行比較研究顯示出了不同的結(jié)果：一些學(xué)生在混合式材料力學(xué)課堂上結(jié)合有限元分析的學(xué)習(xí)結(jié)果顯著提高，而另一些學(xué)生在兩種課堂形式下的學(xué)習(xí)效果沒(méi)有差異。關(guān)于學(xué)生參與和對(duì)混合課程結(jié)合有限元分析的態(tài)度的研究壓倒性地發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的參與增加了，學(xué)生對(duì)混合課程的態(tài)度也很積極，主要是因?yàn)榛旌辖虒W(xué)法鼓勵(lì)學(xué)生與老師一起學(xué)習(xí)，并給他們提供觀看有限元分析在材料力學(xué)應(yīng)用方面視頻的機(jī)會(huì)。另一項(xiàng)研究考察了教師對(duì)混合式材料力學(xué)課程的益處和挑戰(zhàn)的看法。這些好處包括提高教師對(duì)學(xué)生在材料力學(xué)課程中面臨挑戰(zhàn)的意識(shí)，改善師生關(guān)系，增強(qiáng)共同學(xué)習(xí)的能力，以及減少教師準(zhǔn)備時(shí)間。挑戰(zhàn)包括大量初始投入的時(shí)間來(lái)創(chuàng)建在線有限元分析相關(guān)視頻、測(cè)驗(yàn)和課堂活動(dòng)，以及讓學(xué)生單獨(dú)或小組參與材料力學(xué)課堂活動(dòng)的難度。

以前的研究已經(jīng)考察了混合教學(xué)法在材料力學(xué)課程中對(duì)學(xué)生成果、參與度和態(tài)度的影響，以及實(shí)施它的好處和挑戰(zhàn)，但很少有研究在觀看混合式材料力學(xué)課堂開(kāi)發(fā)的視頻時(shí)探索學(xué)生行為。我們目前對(duì)以下問(wèn)題了解有限：學(xué)生播放有限元分析在材料力學(xué)課程中的應(yīng)用視頻的次數(shù)和時(shí)長(zhǎng)是多少？學(xué)生們播放的有限元分析在材料力學(xué)課程中的應(yīng)用課程視頻占所有材料力學(xué)課程視頻的百分比是多少？材料力學(xué)視頻時(shí)長(zhǎng)是否影響播放次數(shù)或播放時(shí)間？在一個(gè)學(xué)期中，播放有限元分析在材料力學(xué)課程中的應(yīng)用視頻的時(shí)間是增加還是減少？哪些材料力學(xué)視頻播放次數(shù)最多，哪些材料力學(xué)視頻播放次數(shù)最少，為什么？學(xué)生們播放或不播放材料力學(xué)相關(guān)視頻的原因是什么？找到這些問(wèn)題的答案將有助于教師制作材料力學(xué)相關(guān)視頻，讓學(xué)生完整觀看，并有效地將它們整合到混合教學(xué)結(jié)合有限元分析在材料力學(xué)課程中。

要?jiǎng)?chuàng)建有效的材料力學(xué)有限元分析混合課堂，了解學(xué)生觀看材料力學(xué)有限元分析視頻的習(xí)慣和他們播放材料力學(xué)有限元分析視頻的原因是很重要的。了解學(xué)生在混合式材料力學(xué)課堂上如何互動(dòng)和感知所需的有限元分析視頻，可以幫助教師制作引人入勝的有限元分析視頻，提供積極的有限元分析視頻觀看體驗(yàn)，提高學(xué)生的觀看率，并提高學(xué)生的材料力學(xué)成績(jī)。了解學(xué)生觀看材料力學(xué)視頻的行為也可以幫助教師更好地將材料力學(xué)有限元分析視頻與混合課堂的其他部分（如課堂內(nèi)的小測(cè)驗(yàn)、作業(yè)和微型視頻）整合在一起。

本研究提出了五種策略，在必需的工程課程中制作有效的材料力學(xué)有限元分析視頻和課堂測(cè)試的混合課程。

第一，創(chuàng)建單獨(dú)的材料力學(xué)有限元分析視頻講座和并且將每個(gè)主題涵蓋在課程中。做這個(gè)材料力學(xué)有限元分析視頻講座有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）學(xué)生可以休息時(shí)觀看有限元分析在材料力學(xué)課程中應(yīng)用的講座和例子;（2）學(xué)生可以根據(jù)他們的需求決定觀看哪個(gè)有限元分析視頻;（3）教師可以制作更短的有限元分析視頻;（4）教師可以根據(jù)需要在材料力學(xué)課程中添加有限元分析示例視頻。

第二，在學(xué)期的早期教育學(xué)生關(guān)于材料力學(xué)課程關(guān)于有限元分析視頻的目的，確保他們的期望與學(xué)習(xí)材料力學(xué)的視頻內(nèi)容一致。對(duì)于本文所研究的材料力學(xué)，講座視頻不僅僅涵蓋《材料力學(xué)》教科書中的內(nèi)容，而且激勵(lì)學(xué)生的學(xué)習(xí)激情，提供一個(gè)有限元分析主題概述和關(guān)鍵概念，并提供必要的信息。此外，分享其他學(xué)生如何使用材料力學(xué)關(guān)于有限元分析的視頻可以幫助他們以一種新的和更積極的方式觀看材料力學(xué)關(guān)于有限元分析視頻。

第三，為每個(gè)材料力學(xué)例題制作一個(gè)應(yīng)用有限元分析的視頻，確保它解釋了重要的概念，并提供了解決問(wèn)題的詳細(xì)方法。為解決材料力學(xué)課程中的問(wèn)題所需提供充足的解釋與直觀的有限元分析案例而不是僅僅寫出解決方案。最后，在材料力學(xué)視頻開(kāi)始之前寫出冗長(zhǎng)的推導(dǎo)和復(fù)雜的方程，避免在視頻中花太多時(shí)間做這個(gè)工作。

第四，留意整個(gè)學(xué)期每個(gè)材料力學(xué)視頻播放的次數(shù)。特定材料力學(xué)視頻的高播放次數(shù)可能表明學(xué)生正在努力解決特定的話題或例子問(wèn)題。在這種情況下，學(xué)生可以通過(guò)提供額外的例題視頻，花更多的時(shí)間在課堂上解釋概念，或給出額外的課堂例題來(lái)獲得幫助。另一方面，低數(shù)量的播放量可能表明學(xué)生對(duì)所涵蓋的內(nèi)容有很好的理解。材料力學(xué)視頻播放的次數(shù)可以用來(lái)檢測(cè)材料力學(xué)課程進(jìn)行過(guò)程中哪些內(nèi)容讓學(xué)生感到困惑或感興趣，并據(jù)此做出調(diào)整。每個(gè)主題播放的視頻數(shù)量也可以與期末課程評(píng)估一起用于改進(jìn)材料力學(xué)課程，因?yàn)樗鼈儽砻髁丝赡苄枰嘟虒W(xué)或改進(jìn)教學(xué)輔助的主題。

第五，提供小測(cè)驗(yàn)來(lái)激勵(lì)學(xué)生觀看材料力學(xué)視頻是個(gè)好主意。在這項(xiàng)研究中，簡(jiǎn)短的課內(nèi)概念檢查測(cè)驗(yàn)占期末成績(jī)的3%，這鼓勵(lì)學(xué)生在課前觀看視頻，并在課堂上就視頻提出問(wèn)題。結(jié)合視頻的小測(cè)驗(yàn)可以在課前進(jìn)行豐富的討論，這很好地引導(dǎo)了課堂的小型講座或課堂作業(yè)。

五、結(jié)束語(yǔ)

材料力學(xué)課程專業(yè)性強(qiáng)，理論推導(dǎo)過(guò)程極其繁瑣，學(xué)生很難學(xué)好。通過(guò)有限元軟件COMSOL Multiphysics進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)一步結(jié)合混合教學(xué)法播放相關(guān)視頻，與課本理論知識(shí)相輔相成，闡述了在材料力學(xué)課程教學(xué)過(guò)程中有限元分析方法結(jié)合混合教學(xué)法的應(yīng)用和特色優(yōu)點(diǎn)，有效地促進(jìn)了材料力學(xué)的課程教學(xué)與工程實(shí)踐，讓學(xué)生對(duì)材料力學(xué)產(chǎn)生濃厚的興趣，使得材料力學(xué)更深層次基礎(chǔ)理論通俗易懂，將成為未來(lái)教學(xué)的重點(diǎn)，從而達(dá)到教學(xué)效果的螺旋上升推動(dòng)。學(xué)生對(duì)材料力學(xué)課程理論的理解明顯在逐步增強(qiáng)，對(duì)材料力學(xué)課程工程案例的分析和模擬能力也得到有效提升。由于材料力學(xué)課程本身的理論結(jié)構(gòu)較難，仍需加強(qiáng)與學(xué)生的交流，尤其是面對(duì)當(dāng)前有限元方法進(jìn)步帶來(lái)的新趨勢(shì)，應(yīng)提高相應(yīng)的教學(xué)。通過(guò)應(yīng)力應(yīng)變圖的直觀顯示，我們可以得到剪應(yīng)力和正應(yīng)力分布特征的對(duì)比，將模型的理論計(jì)算結(jié)果與模擬分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比?？梢钥闯觯植家?guī)律與理論分析一致，直觀易懂，可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)課程中概念和規(guī)律的理解。通過(guò)混合教學(xué)模式讓學(xué)生對(duì)材料力學(xué)產(chǎn)生濃厚的興趣，從而達(dá)到教學(xué)效果的提升。

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