機(jī)制專業(yè)《材料力學(xué)》教學(xué)改革與研究

宋瑞雪 劉 洋 楊欣怡 張晶晶

陜西服裝工程學(xué)院，陜西 西安 712046

《材料力學(xué)》課程是研究分析桿件基于外力作用生成的應(yīng)變、應(yīng)力、強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的學(xué)科，是固體力學(xué)的分支學(xué)科，也是機(jī)械制造專業(yè)的基礎(chǔ)課程，同時(shí)是后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)的重要前提，與學(xué)生崗位就業(yè)后的工程問(wèn)題分析與解決能力息息相關(guān)?！恫牧狭W(xué)》這一課程是公認(rèn)的教師教學(xué)難度大，學(xué)生學(xué)習(xí)難度大，在傳統(tǒng)教學(xué)模式下，課程知識(shí)講授受限于教材，側(cè)重于強(qiáng)調(diào)教材知識(shí)，卻缺乏對(duì)于授課內(nèi)容具體應(yīng)用的重視，導(dǎo)致無(wú)法有效啟迪并引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散創(chuàng)造性思維。就學(xué)生而言，思維易發(fā)散，積極性與自主性大大降低，無(wú)法構(gòu)建獨(dú)立思考的力學(xué)思維與素養(yǎng)，更不能實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用。

一、《材料力學(xué)》課程的學(xué)科特性分析

《材料力學(xué)》課程側(cè)重于探究靜載荷作用下構(gòu)件強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性?！恫牧狭W(xué)》課程的特性主要體現(xiàn)在概念較多、分析過(guò)于抽象、理論分析流程繁雜、技巧性比較強(qiáng)、公式太過(guò)復(fù)雜等，明確主張學(xué)生擁有扎實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，尤其是微積分思想?！恫牧狭W(xué)》課程內(nèi)容之間彼此關(guān)聯(lián)、環(huán)環(huán)相扣，從淺至深，各章節(jié)內(nèi)容均和后面章節(jié)內(nèi)容存在密切聯(lián)系，但是基礎(chǔ)章節(jié)內(nèi)容比較抽象，例如材料基本變形理論分析均是通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察具體現(xiàn)象，提出假設(shè)，并以力學(xué)與數(shù)學(xué)知識(shí)推導(dǎo)分析從而得出結(jié)論。這些均進(jìn)一步提高了對(duì)學(xué)生的實(shí)際要求?！恫牧狭W(xué)》課程教學(xué)過(guò)程中通常會(huì)設(shè)置實(shí)驗(yàn)課時(shí)，應(yīng)力實(shí)驗(yàn)、拉壓扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)等明確指出學(xué)生必須具備較好的動(dòng)手操作能力，以及理論應(yīng)用于實(shí)踐的能力。所以，機(jī)制專業(yè)多數(shù)學(xué)生認(rèn)為《材料力學(xué)》課程是一門理論與實(shí)踐相結(jié)合的課程，學(xué)習(xí)時(shí)難度較大，但是《材料力學(xué)》是理工科專業(yè)后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)的重要基礎(chǔ)，對(duì)于后續(xù)專業(yè)課程知識(shí)學(xué)習(xí)的影響不可小覷［1］。

二、機(jī)制專業(yè)《材料力學(xué)》教學(xué)現(xiàn)狀及問(wèn)題分析

《材料力學(xué)》課程在機(jī)制專業(yè)中從屬于基礎(chǔ)性課程，是后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)條件。當(dāng)前國(guó)內(nèi)《材料力學(xué)》課程教學(xué)主要以專業(yè)課程獨(dú)特特性為載體實(shí)現(xiàn)相關(guān)課程劃分，具體包含剛度校核、截面尺寸設(shè)計(jì)、變形衍生等，其在有關(guān)測(cè)量工作有序進(jìn)行過(guò)程中充分占據(jù)著不可小覷的關(guān)鍵性地位。在工程教育逐漸走向國(guó)際化的趨勢(shì)下，明確指出《材料力學(xué)》也應(yīng)適度調(diào)整與改革。其中基本變形知識(shí)體系所涉獵的內(nèi)容大體包含彎曲、拉伸壓縮等等，這就要求學(xué)生必須充分熟練地掌握強(qiáng)度、剛度計(jì)算與校核等相關(guān)知識(shí)內(nèi)容，并充分把握壓桿穩(wěn)定性計(jì)算分析。教學(xué)一般以教師板書和PPT結(jié)合的教學(xué)方式為載體。在理論知識(shí)教學(xué)完成的基礎(chǔ)上，針對(duì)學(xué)生開展課程訓(xùn)練，強(qiáng)化師生交互。

教學(xué)過(guò)程一般以教師課堂黑板板書與PPT演示相結(jié)合的方式為載體開展教學(xué)工作。而在吸收內(nèi)化理論知識(shí)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，還需針對(duì)學(xué)生開展《材料力學(xué)》課程內(nèi)容實(shí)踐訓(xùn)練，強(qiáng)化師生交互，并切實(shí)以平時(shí)表現(xiàn)考核成績(jī)和期末考試成績(jī)按照既定比例的方式全方位評(píng)估與考核學(xué)生學(xué)習(xí)情況。然而由于《材料力學(xué)》課程自身知識(shí)結(jié)構(gòu)太過(guò)復(fù)雜，且教學(xué)方式比較單一，學(xué)生教學(xué)過(guò)程中依舊存在很大局限性，且無(wú)法直觀呈現(xiàn)抽象的力學(xué)模型。學(xué)生在復(fù)習(xí)時(shí)太過(guò)注重考前突擊，日常學(xué)習(xí)程度嚴(yán)重不夠，實(shí)踐操作能力比較差，對(duì)于《材料力學(xué)》課程基礎(chǔ)知識(shí)的掌握不到位，嚴(yán)重制約了學(xué)生高效學(xué)習(xí)與實(shí)踐應(yīng)用［2］。

（一）課程內(nèi)容繁雜而課時(shí)相對(duì)有限

由于《材料力學(xué)》課程內(nèi)容比較繁雜，但是課時(shí)安排相對(duì)有限，導(dǎo)致新材料呈現(xiàn)少之又少。課程內(nèi)容大體包含拉壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲等變形狀態(tài)與多重變形的內(nèi)容、應(yīng)力、變形計(jì)算分析，以及壓桿失溫與強(qiáng)度測(cè)試等等。教材的設(shè)置單元太過(guò)于繁雜，其中理論知識(shí)課時(shí)安排少之又少，使得課堂知識(shí)點(diǎn)和公式相關(guān)內(nèi)容安排比較頻繁，導(dǎo)致學(xué)生難以理解與掌握。相同教學(xué)大綱面對(duì)不同模塊層次學(xué)生開展教學(xué)所獲得教學(xué)效果非常不理想。此外，當(dāng)前教材對(duì)機(jī)制專業(yè)中出現(xiàn)的新型材料和工藝等一系列新穎內(nèi)容的介紹簡(jiǎn)單且非常少。

（二）理論知識(shí)與實(shí)例相互脫節(jié)

《材料力學(xué)》課程教學(xué)內(nèi)容與研究對(duì)象側(cè)重于理想化桿件模型，需滿足連續(xù)性、均質(zhì)性、各向同性等設(shè)定。在教材中的例題多數(shù)是簡(jiǎn)化之后的模型，學(xué)生通過(guò)在簡(jiǎn)化處理之后的模型對(duì)具體受力情況進(jìn)行計(jì)算，通常對(duì)于力學(xué)例題相關(guān)模型是怎樣由實(shí)際案例中轉(zhuǎn)換出來(lái)的并沒(méi)有充分全面了解。在課程教學(xué)過(guò)程中如果不適當(dāng)融合實(shí)際工程實(shí)際案例簡(jiǎn)化模型或者對(duì)受力進(jìn)行計(jì)算分析，缺乏側(cè)重于學(xué)生對(duì)實(shí)際工程力學(xué)模型的抽象化建設(shè)能力培養(yǎng)，將會(huì)導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的有機(jī)聯(lián)系，只能夠一知半解。在后續(xù)機(jī)制專業(yè)課程學(xué)習(xí)與設(shè)計(jì)等實(shí)踐過(guò)程中遇到實(shí)例時(shí)，將會(huì)無(wú)從著手。

（三）教學(xué)方式方法缺乏一定靈活性

在機(jī)制專業(yè)《材料力學(xué)》課程教學(xué)中采用灌輸式教學(xué)方式的現(xiàn)象依舊十分普遍，教師和學(xué)生間缺少實(shí)時(shí)交互的討論交流過(guò)程。教師講述學(xué)生聽取，較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)始終保持在被動(dòng)吸收理論知識(shí)的位置上，會(huì)直接造成學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與熱情隨之下降，自然而然學(xué)習(xí)效果也會(huì)顯著降低。此外《材料力學(xué)》課程中一些教師過(guò)于注重理論知識(shí)傳輸而忽視了實(shí)踐訓(xùn)練教學(xué)，常規(guī)拉伸、壓縮與扭轉(zhuǎn)等實(shí)驗(yàn)也多數(shù)停留于理論驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)踐應(yīng)用性相對(duì)較差，對(duì)于學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手操作能力培養(yǎng)會(huì)造成嚴(yán)重阻礙。雖然《材料力學(xué)》課程理論知識(shí)的具體講述過(guò)程中，教師為激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，已經(jīng)在嘗試引進(jìn)翻轉(zhuǎn)課程教學(xué)方式，但是由于重難點(diǎn)知識(shí)內(nèi)容太過(guò)于抽象，致使學(xué)生難以深層理解，學(xué)生學(xué)習(xí)熱情較差。而在相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中依舊是以教師闡釋與學(xué)生跟隨教師講解動(dòng)手的方式為主，教師在課程初步環(huán)節(jié)會(huì)闡述實(shí)驗(yàn)原理、操作步驟、有關(guān)注意事項(xiàng)，然后學(xué)生通過(guò)分組按照既有流程開展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，只有少數(shù)的學(xué)生會(huì)跟隨進(jìn)度自主動(dòng)手操作，所以總體實(shí)踐能力培養(yǎng)效果根本沒(méi)有達(dá)到理想狀態(tài)。

（四）無(wú)法與后續(xù)機(jī)制專業(yè)課程有機(jī)融合

在教學(xué)創(chuàng)新改革逐漸深化調(diào)整的趨勢(shì)下，社會(huì)發(fā)展需要學(xué)生實(shí)時(shí)擴(kuò)展知識(shí)面，并持續(xù)交叉融合。但是在有限課時(shí)安排中，教師只能夠講述課程理論知識(shí)，并未形成課程密切對(duì)接且又相互獨(dú)立的教學(xué)體系?！恫牧狭W(xué)》課程作為機(jī)制專業(yè)基礎(chǔ)課程，對(duì)于后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)發(fā)揮著不可替代的關(guān)鍵作用。若是《材料力學(xué)》課程內(nèi)容無(wú)法與后續(xù)專業(yè)課程內(nèi)容相互交叉且融合，勢(shì)必會(huì)致使學(xué)生難以合理利用所學(xué)《材料力學(xué)》課程知識(shí)有效解決專業(yè)課程問(wèn)題［3-4］。

三、機(jī)制專業(yè)《材料力學(xué)》教學(xué)創(chuàng)新改革措施

（一）有機(jī)培養(yǎng)學(xué)生工程認(rèn)知與力學(xué)建模能力

現(xiàn)階段大部分《材料力學(xué)》課程教材內(nèi)的實(shí)際案例均是一些過(guò)于抽象的力學(xué)模型，學(xué)生根本無(wú)法從中學(xué)會(huì)或者了解力學(xué)模型是怎樣由工程問(wèn)題中得以轉(zhuǎn)變出來(lái)的，導(dǎo)致學(xué)生內(nèi)化吸收的力學(xué)類基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)踐認(rèn)知之間出現(xiàn)了嚴(yán)重的相互脫節(jié)現(xiàn)象，對(duì)此需積極采取措施加以解決。

首先，在教學(xué)過(guò)程中教師可適當(dāng)添加一些和怎樣對(duì)力學(xué)模型進(jìn)行抽象簡(jiǎn)化處理的有關(guān)內(nèi)容，與傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容相較而言，教師在教學(xué)時(shí)可融入工程與生活實(shí)際有關(guān)視頻資源，以描述并解釋工程問(wèn)題；力學(xué)模型的抽象和簡(jiǎn)化處理；以具體推導(dǎo)出來(lái)的理論公式計(jì)算分析抽象簡(jiǎn)化之后的力學(xué)模型。

其次，教學(xué)過(guò)程中可切實(shí)結(jié)合機(jī)械工程實(shí)例開展《材料力學(xué)》課程理論知識(shí)教學(xué)。在講授基本變形時(shí)，可通過(guò)吊車吊鉤等機(jī)械實(shí)例進(jìn)一步分析軸向拉伸與壓縮變形桿件的內(nèi)應(yīng)力、應(yīng)變；可通過(guò)連接件等機(jī)械實(shí)例深入分析剪切與擠壓強(qiáng)度的近似計(jì)算分析方式；可通過(guò)吊車大梁等機(jī)械實(shí)例深層探究解析發(fā)生彎曲變形的桿件強(qiáng)度剛度。在闡述組合變形時(shí)，可通過(guò)基于承受鉆削力影響的鉆床立柱等機(jī)械實(shí)例進(jìn)行立柱強(qiáng)度分析；可通過(guò)數(shù)控銑床進(jìn)行平面銑削時(shí)所用刀具主軸等機(jī)械實(shí)例進(jìn)行主軸強(qiáng)度與剛度分析。在講解穩(wěn)定性問(wèn)題時(shí)，可通過(guò)螺旋千斤頂?shù)葯C(jī)械實(shí)例對(duì)臨界力與臨界應(yīng)力計(jì)算、合理穩(wěn)定設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，這樣把機(jī)械工程實(shí)例始終貫穿于整個(gè)《材料力學(xué)》課程教學(xué)過(guò)程中，既可以幫助學(xué)生構(gòu)建對(duì)于抽象不具體的課程知識(shí)和直觀形象的工程實(shí)際應(yīng)用之間的密切關(guān)聯(lián)，又可以提升學(xué)生的機(jī)制專業(yè)知識(shí)與技能熱情與積極性。

再次，把有限元軟件引進(jìn)《材料力學(xué)》課程教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中去，在教學(xué)時(shí)動(dòng)態(tài)化呈現(xiàn)一些具有代表性的零部件加載、變形直至破損全過(guò)程。在講解基本變形和組合變形情況下桿件強(qiáng)度計(jì)算分析時(shí)，可通過(guò)有限元軟件展示對(duì)應(yīng)條件下應(yīng)力應(yīng)變分布圖，對(duì)比分析理論和數(shù)值計(jì)算結(jié)果，以此深化學(xué)生對(duì)于理論推導(dǎo)中作出的假設(shè)的詳細(xì)理解，并賦予學(xué)生對(duì)于工程問(wèn)題解決的直觀認(rèn)知。具體講解應(yīng)力集中的過(guò)程中，基于有限元軟件呈現(xiàn)應(yīng)力集中位置的應(yīng)力應(yīng)變實(shí)際情況與具體值，促使學(xué)生深刻了解機(jī)械零部件設(shè)計(jì)中應(yīng)力集中的重要意義，并學(xué)會(huì)怎樣緩解應(yīng)力集中。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)有限元軟件開展模擬仿真實(shí)驗(yàn)，可以反反復(fù)復(fù)對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中呈現(xiàn)出來(lái)的相關(guān)現(xiàn)象與應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行仔細(xì)觀察，全面滲透理解。

最后，鼓勵(lì)學(xué)生參與課外競(jìng)賽活動(dòng)，利用《材料力學(xué)》課程所學(xué)力學(xué)知識(shí)支持設(shè)計(jì)論證。教師可鼓勵(lì)學(xué)生參與機(jī)械類或者綜合類大型競(jìng)賽活動(dòng)。而比賽過(guò)程中做項(xiàng)目任務(wù)的時(shí)候，學(xué)生可通過(guò)深度分析項(xiàng)目專題、建模所用《材料力學(xué)》知識(shí)、解決問(wèn)題是各細(xì)節(jié)分析處理，在此過(guò)程中可切實(shí)鍛煉訓(xùn)練學(xué)生的實(shí)踐操作能力、自主學(xué)習(xí)能力等。

（二）有機(jī)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手操作能力

現(xiàn)階段《材料力學(xué)》實(shí)驗(yàn)課程體系中的一系列常規(guī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，例如塑性材料低碳鋼單軸拉伸、單軸壓縮等，都屬于理論驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只要根據(jù)指導(dǎo)書進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并處理分析數(shù)據(jù)便可以了，這樣根本不能實(shí)現(xiàn)學(xué)生理論應(yīng)用能力與工程分析能力培養(yǎng)目標(biāo)，根本無(wú)法充分展現(xiàn)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力與團(tuán)結(jié)合作意識(shí)。就工程教育專業(yè)認(rèn)證視角著手，教師可在《材料力學(xué)》課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，除常規(guī)理論驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之外，還可就實(shí)驗(yàn)硬件與學(xué)科研究方向，增加以科學(xué)研究項(xiàng)目與工程實(shí)際應(yīng)用為載體的創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

例如，目前許多新型材料在機(jī)械領(lǐng)域中的運(yùn)用十分普遍，其力學(xué)性能不同于常見(jiàn)金屬材料，且學(xué)科具備研究項(xiàng)目強(qiáng)力支持，所以制定了符合陶瓷材料與功能梯度材料等高低溫度拉伸強(qiáng)度與壓縮強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其明確規(guī)定學(xué)生必須預(yù)先自主學(xué)習(xí)相關(guān)原理、了解設(shè)備性能與操作流程，就實(shí)際需要設(shè)計(jì)樣品尺寸形狀與實(shí)驗(yàn)夾具卡具，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，獨(dú)立自主完成項(xiàng)目，科學(xué)處理分析數(shù)據(jù)信息，并全方位解析最終結(jié)果。

這樣不僅可以促使學(xué)生深層熟練掌握理論知識(shí)，還可以提高學(xué)生實(shí)踐操作能力，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造意識(shí)。機(jī)制專業(yè)課程體系中的機(jī)械原理、制造基礎(chǔ)、制造裝備設(shè)計(jì)、機(jī)械用材料等均與課程理論知識(shí)息息相關(guān)，材料力學(xué)課程創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的組織既要以科學(xué)研究項(xiàng)目與工程實(shí)際應(yīng)用為基礎(chǔ)，又要側(cè)重于與機(jī)制專業(yè)后續(xù)課程內(nèi)容相互對(duì)接。例如，變截面軸設(shè)計(jì)雖然是機(jī)械設(shè)計(jì)課程體系中的關(guān)鍵組成部分，但是其強(qiáng)度與剛度計(jì)算的相關(guān)理論條件均應(yīng)基于《材料力學(xué)》課程充分熟練掌握，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目過(guò)程中可簡(jiǎn)單闡述或者融合一定的相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，切實(shí)實(shí)現(xiàn)《材料力學(xué)》與后續(xù)專業(yè)課程的有機(jī)聯(lián)系，從而強(qiáng)化學(xué)生對(duì)于《材料力學(xué)》課程理論知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用。

（三）培養(yǎng)學(xué)生健康良好的人文科學(xué)素養(yǎng)

基于成果作為導(dǎo)向的課程體系主張促使學(xué)生形成健康且良好的人文素養(yǎng)，對(duì)此教師可由《材料力學(xué)》的具體發(fā)展歷史視角，基于充分掌握基礎(chǔ)理論知識(shí)，提升學(xué)生人文科學(xué)素養(yǎng)。在整個(gè)課程教學(xué)中指引學(xué)生自主瀏覽力學(xué)歷史相關(guān)資料，匯總典型理論誕生的時(shí)代背景、工程背景以及科學(xué)發(fā)展水平，深切感受對(duì)相關(guān)理論誕生做出巨大貢獻(xiàn)的專家科學(xué)研究精神，探尋其所使用的實(shí)際研究方法與所獲取結(jié)論的缺陷部分，并詳細(xì)分析存在不足的實(shí)際原因。在《材料力學(xué)》課程教學(xué)過(guò)程中幫助學(xué)生厘清基本理論知識(shí)的具體發(fā)展過(guò)程，根據(jù)學(xué)生閱讀力學(xué)歷史有關(guān)資料的深切感悟，調(diào)動(dòng)學(xué)生求知欲。以適度增加力學(xué)科學(xué)家探究基本理論的工程背景、科學(xué)素養(yǎng)、造成理論不健全的因素等，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生人文科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)，以及勇敢接受偶遇失敗的創(chuàng)新意識(shí)、社會(huì)責(zé)任意識(shí)等。實(shí)際教學(xué)中注重理論探索與發(fā)展實(shí)際過(guò)程，可由方法論視角督促學(xué)生自主鍛煉創(chuàng)新思維能力，同時(shí)也是基于成果為導(dǎo)向的課程要求［5-6］。