材料力學(xué)課程內(nèi)容模塊化教學(xué)改革探討

摘?要：材料力學(xué)是機械、土木、材料等傳統(tǒng)工學(xué)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。針對目前材料力學(xué)課程教學(xué)的現(xiàn)狀以及存在的問題，本文分析了材料力學(xué)課程的知識體系及其同課程教學(xué)目標(biāo)的聯(lián)系，提出了材料力學(xué)課程內(nèi)容的模塊化教學(xué)改革方案，并且詳細(xì)地闡述了材料力學(xué)課程內(nèi)容模塊化教學(xué)的具體內(nèi)容，分析了各模塊之間的聯(lián)系和該模塊化教學(xué)改革的優(yōu)點，及對材料力學(xué)課程教學(xué)的促進作用。通過材料力學(xué)課程內(nèi)容模塊教學(xué)改革，強化了對比，突出了規(guī)律性，且和工程實踐銜接更緊密。

關(guān)鍵詞：模塊化教學(xué)；知識體系；材料力學(xué)

中圖分類號：G642??文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Research?on?Modular?Teaching?Reform

of?Material?Mechanics?Course?Content

Hua?Shaozhen

School?of?Mechanical?Engineering，Henan?Institute?of?Technology?HenanXinxiang?453003

Abstract：Mechanics?of?Materials?is?a?professional?foundation?course?of?mechanical?engineering，civil?engineering，materials?engineering?and?other?traditional?engineering.In?view?of?the?current?situation?and?problems?of?the?teaching?of?Mechanics?of?Materials，this?paper?analyses?the?knowledge?system?of?Mechanics?of?Materials?and?its?connection?with?the?teaching?objectives?of?the?course，and?proposes?a?modular?teaching?reform?plan?for?the?content?of?Mechanics?of?Materials.It?also?elaborates?on?the?specific contents?of?the?mechanics?of?materials?course，analyses?the?connection?between?the?new?and?traditional?teaching?content，as?well?as?the promotion?effect?on?the?teaching?of?the?mechanics?of?materials?course.Through?the?teaching?reform?of?the?mechanics?of?materials?course，the?contrast?is?strengthened，the?regularity?is?highlighted，and?the?connection?is?closer?to?engineering?practice.

Keywords：modular?teaching；knowledge?system；material?mechanics

1?概述

材料力學(xué)主要研究桿件在受到外力作用后的力學(xué)性能，是一些如土木、建筑、車輛、材料、機械等傳統(tǒng)工科的專業(yè)基礎(chǔ)課，對學(xué)生專業(yè)能力以及創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面起到重要作用。材料力學(xué)屬于專業(yè)基礎(chǔ)課，連接了高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)等基礎(chǔ)課和后續(xù)專業(yè)課程，起到承上啟下的作用。材料力學(xué)課程的特點是具有實踐應(yīng)用性與較強的抽象性和理論性。較強的抽象性使得學(xué)生難以將工程問題同材料力學(xué)課程相聯(lián)系，無法用書本知識解決工程實踐問題。彭雅軒［1］認(rèn)為在新工科背景下材料力學(xué)課程改革應(yīng)該向工程教育發(fā)展，以培養(yǎng)工程類專業(yè)人才的科學(xué)思維能力及創(chuàng)新能力為改革導(dǎo)向。基于材料力學(xué)課程教學(xué)的這一現(xiàn)狀，宋瑞雪等［2］等提出了基于工程應(yīng)用的材料力學(xué)課程教學(xué)，將材料力學(xué)課程和工程實踐相結(jié)合，以培養(yǎng)工程應(yīng)用復(fù)合型人才為目標(biāo)。花少震等［3］將材料力學(xué)課程理論教學(xué)中引入工程實踐案例，用CAE分析將理論和實踐相聯(lián)系，用案例分析驗證理論。張波等［4］提出了“互聯(lián)網(wǎng)+科研”的材料力學(xué)課程教學(xué)改革，通過引入工程實例，闡釋材料力學(xué)的相關(guān)概念和原理，從而提高教學(xué)效果。

材料力學(xué)課程較強的理論性，對學(xué)生的數(shù)學(xué)功底以及邏輯思維能力提出了較高的要求。課程概念多、推導(dǎo)煩瑣、易混知識點多使得傳統(tǒng)知識體系教學(xué)中面臨學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高、主動性不強、知識點理解不深入等問題。楊磊等［5］通過教學(xué)創(chuàng)新，引導(dǎo)學(xué)生主動思考材料力學(xué)課程，體會課程知識價值所在。郭春霞等［6］將BOPPPS教學(xué)模式引入材料力學(xué)課程教學(xué)，將講授式教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)榻换ナ?，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的參與度。盡管目前對材料力學(xué)課程較強的抽象性和理論性有一些教學(xué)方法或模式的探索，但是目前仍然缺少有效改進措施。針對材料力學(xué)教學(xué)中存在的這些問題，本文深入剖析當(dāng)前材料力學(xué)課程教學(xué)知識體系，探尋材料力學(xué)課程內(nèi)容模塊化教學(xué)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)材料力學(xué)的積極性，強化學(xué)生對材料力學(xué)課程內(nèi)容的理解。

2?材料力學(xué)課程內(nèi)容教學(xué)體系

材料力學(xué)課程主要研究桿件在受到外力后的承載能力。外力包括力與力偶，根據(jù)外力種類和方向不同，可把桿件受到外力后的基本變形總結(jié)為軸向拉壓、剪切、圓軸扭轉(zhuǎn)、彎曲四種形式。桿件受到兩種以上變形稱為組合變形，但是其研究方法和基本變形相同。此外，材料力學(xué)課程還涉及壓桿穩(wěn)定、應(yīng)力狀態(tài)分析等，但是大量的篇幅集中在基本變形分析。對于每一種基本變形，首先分析其受力，然后利用截面法求截面內(nèi)力，繪制內(nèi)力圖。通過內(nèi)力圖確定危險截面及其內(nèi)力，然后根據(jù)內(nèi)力求解應(yīng)力、應(yīng)變與變形。最終通過最大應(yīng)力、最大變形進行桿件的強度、剛度分析，確定其承載能力。

所以可以將基本變形的研究順序總結(jié)為：受力分析→繪制內(nèi)力圖→確定危險截面→求解最大應(yīng)力或變形→強度或剛度分析，對于每種基本變形，都遵循以上相同的五步驟。在第一步受力分析中，需要用到理論力學(xué)中靜力學(xué)知識，通過列平衡方程，求解桿件受到的約束力，最終確定桿件受到的外力分析圖。第二步則需要繪制內(nèi)力圖，內(nèi)力圖的繪制需要用截面法求得相應(yīng)截面上的內(nèi)力。截面法需要依次進行“截開→代替→平衡”三個步驟求得對應(yīng)截面上的內(nèi)力。第三、四步則需要利用相應(yīng)計算公式，計算出危險截面上的最大正應(yīng)力或切應(yīng)力。第五步將最大應(yīng)力或最大變形和許用應(yīng)力或需用應(yīng)變進行比較分析，通過剛度條件或強度條件，即可確定桿件的承載能力。

綜上分析可得，每種基本變形所遵循的研究步驟、研究方法、研究內(nèi)容均相同，例如在繪制內(nèi)力圖時均需要用到截面法。而目前材料力學(xué)的教學(xué)體系中，均是按照一種基本變形接另一種基本變形依次講解，即對于每種基本變形均需重復(fù)上文提到的基本變形研究的五個步驟。這種材料力學(xué)知識教學(xué)體系的好處是通過多次講解，能突出重點，加深學(xué)生對該種方法的印象。但是，這種不同知識點運用同種方法解決問題易使學(xué)生產(chǎn)生混淆，也不利于學(xué)對比歸納總結(jié)，而且多次講解相同方法會對學(xué)生學(xué)習(xí)新知識的積極性產(chǎn)生消極影響。此外，這種教學(xué)體系適合多學(xué)時課程，對于少學(xué)時的材料力學(xué)，則需要進行教學(xué)內(nèi)容改革以實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。因此，必須探索一種新的材料力學(xué)教學(xué)內(nèi)容體系，以適應(yīng)少學(xué)時材料力學(xué)課程。

3?材料力學(xué)課程內(nèi)容模塊化教學(xué)改革的內(nèi)容

上節(jié)探討了當(dāng)下材料力學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容體系，分析了該體系下的優(yōu)點和存在的問題。針對存在的問題，本節(jié)旨在不改變材料力學(xué)課程內(nèi)容的前提下，探討一種新的材料力學(xué)課程教學(xué)體系，通過調(diào)整材料力學(xué)課程內(nèi)容模塊，以適應(yīng)少學(xué)時的材料力學(xué)課程，并且改善當(dāng)下教學(xué)體系中的問題。

傳統(tǒng)的材料力學(xué)課程教學(xué)體系以基本變形為大章節(jié)，每一種基本變形均沿著“外力→內(nèi)力→應(yīng)力→變形→強度→剛度”的順序講解。所以對于四種基本變形，則內(nèi)力求解、應(yīng)力應(yīng)變求方法求解了四次，強度或剛度分析了四次。桿件基本變形不同，內(nèi)力和應(yīng)力也有很大區(qū)別，例如軸向拉壓的內(nèi)力為軸力，而圓軸扭轉(zhuǎn)的內(nèi)力為扭矩，兩個內(nèi)力的差別很大。材料力學(xué)學(xué)傳統(tǒng)教學(xué)模塊由桿件變形為主導(dǎo)，總結(jié)如圖1。本文探索一種新的模塊化教學(xué)，如圖2所示，即材料力學(xué)課程改革后教學(xué)模塊以內(nèi)力、應(yīng)力、變形、強度、剛度、穩(wěn)定性為主導(dǎo)。和傳統(tǒng)教學(xué)以桿件變形為模塊相比，改革后以受力后所需要求解物理量為模塊，在每一個模塊下分別分析桿件各種基本變形和組合變形下所需要求解的物理量，即將桿件每種變形的同一概念放在同一個模塊下學(xué)習(xí)。這樣相比較材料力學(xué)課程傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容模塊，極大地減少了講解同一概念的次數(shù)，而且更為重要的是，將不同桿件變形的同一元素放在同一模塊下，更利于學(xué)生對比分析，找出共性和區(qū)別，以達(dá)到深層次的理解和記憶，從而提高學(xué)習(xí)效率。

4?材料力學(xué)課程內(nèi)容模塊化教學(xué)改革的優(yōu)點

上文提出了材料力學(xué)課程改革后教學(xué)模塊，如圖2。相比較材料力學(xué)課程傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容模塊（見圖1），材料力學(xué)課程教學(xué)改革后具有以下優(yōu)點：

4.1?滿足少學(xué)時材料力學(xué)課程

為了適應(yīng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，根據(jù)國家發(fā)展需求，教育部推進了新工科建設(shè)，深化工科專業(yè)綜合改革，發(fā)展新興工科專業(yè)。這些新興工科專業(yè)具有較強的交叉學(xué)科屬性，例如智能制造工程專業(yè)，要求具有機械工程、電氣、計算機等學(xué)科的專業(yè)知識背景。和傳統(tǒng)的工科專業(yè)相比，這些新興工科專業(yè)要求具有一定的材料力學(xué)知識背景，但是對其深度和廣度的要求要小于傳統(tǒng)工科專業(yè)，所以在課時安排上這些新興工科專業(yè)材料力學(xué)課時安排較少。以河南工學(xué)院智能制造工程專業(yè)和機械設(shè)計及其自動化專業(yè)為例，智能制造工程專業(yè)的材料力學(xué)理論課時安排為32課時，而機械設(shè)計及其自動化專業(yè)的材料力學(xué)理論課時安排為56課時，二者課時相差非常大，所以如果按照傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容模塊授課，多課時的材料力學(xué)課程可能影響不大，但是少課時材料力學(xué)課程則會給教師的授課以及學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來一定的挑戰(zhàn)。教師忙于推進課程進度，學(xué)生疲于接受新知識。而改革后的材料力學(xué)課程教學(xué)減少了重復(fù)方法、重復(fù)內(nèi)容的講解，一定程度上緩解了這種趕進度式的教學(xué)和應(yīng)接不暇地灌輸新知識的模式，從而更加有利于精講精練，達(dá)到教學(xué)效果。

4.2?強化對比，突出規(guī)律

改革后的材料力學(xué)課程教學(xué)模塊不改變教學(xué)大綱內(nèi)容，但是和傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容模塊相比，強化了對比，突出了規(guī)律性，更加有利于學(xué)生理解。傳統(tǒng)以桿件變形為模塊，然后依“外力→內(nèi)力→應(yīng)力→變形→強度→剛度”次序講解，講解兩個模塊的同一元素之間時間間隔長，在后一個模塊講解時，可能對前一個模塊下的元素有遺忘或理解不深入的情況，此時則會阻礙學(xué)生的理解，產(chǎn)生困惑甚至分歧，從而影響教學(xué)效果。例如，軸向拉壓桿橫截面上的應(yīng)力為正應(yīng)力，扭轉(zhuǎn)圓軸上應(yīng)力為切應(yīng)力，如果在軸向拉壓模塊下學(xué)生不能理解正應(yīng)力和切應(yīng)力的區(qū)別，則在圓軸扭轉(zhuǎn)橫截面上切應(yīng)力求解時需要重復(fù)講解正應(yīng)力和切應(yīng)力的區(qū)別，而且需要再次講解為什么軸向拉壓桿橫截面上是正應(yīng)力，圓軸扭轉(zhuǎn)橫截面上是切應(yīng)力。但是，改革后的材料力學(xué)教學(xué)模塊以桿件變形的概念為模塊，將多種桿件變形的同一概念放在一起講解，既能區(qū)分同一概念在不同變形下的區(qū)別和聯(lián)系，還能凸顯規(guī)律，更加有利于理解和記憶。例如，對于實心圓形截面（直徑為D）桿件的扭轉(zhuǎn)變形和彎曲變形，在求解應(yīng)力時需要涉及慣性矩Iz=πD4/64和極慣性矩Ip=πD4/32，在改革后的教學(xué)模塊下即可將二者放在一起講授，通過定義的對比、推導(dǎo)的分析，以及結(jié)論的探討，強化了學(xué)生的理解與記憶，從而實現(xiàn)了教學(xué)目標(biāo)。

4.3?更加有利于和工程實踐接軌

傳統(tǒng)的教學(xué)模塊以桿件簡單變形為主導(dǎo)，但是在實際工程實踐中面臨的往往是復(fù)雜變形，使學(xué)生遇到工程實際問題時，難以將復(fù)雜問題和材料力學(xué)桿件基本變形聯(lián)系，甚至覺得材料力學(xué)課程不具有工程實踐性。而改革后的材料力學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容模塊以概念為模塊，和實際工程問題接軌，無論是桿件簡單的基本變形、組合變形，還是工程中的復(fù)雜變形，其面臨的共性問題都是承載能力，都需要求解最大應(yīng)力、最大變形等。所以，學(xué)生經(jīng)歷改革后的材料力學(xué)課程內(nèi)容模塊教學(xué)后，當(dāng)其遇到工程問題時，即可聯(lián)系到材料力學(xué)知識，無論是通過簡化分析，還是聯(lián)系材料力學(xué)知識進行問題深層次分析，都可以為工程復(fù)雜問題提供思路，提高對工程問題深層次的認(rèn)知，從而促進工程問題的解決。

結(jié)語

傳統(tǒng)材料力學(xué)課程內(nèi)容以桿件基本變形為模塊，存在對相同概念重復(fù)講授的特點，而且和工程實踐的聯(lián)系不緊密。針對這些問題，本文提出了以內(nèi)力、應(yīng)力、變形、強度、剛度、穩(wěn)定性為模塊的教學(xué)內(nèi)容體系，分析了改革后教學(xué)內(nèi)容模塊的優(yōu)點，研究發(fā)現(xiàn)和傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容模塊相比，改革后教學(xué)內(nèi)容模塊突出知識點的對比，極具規(guī)律性，而且和工程實踐銜接緊密，更加適用于新工科專業(yè)的材料力學(xué)課程教學(xué)需求。

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基金項目：河南工學(xué)院博士科研啟動基金（KQ1857）

作者簡介：花少震（1988—?），男，漢族，河南信陽人，工學(xué)博士，講師，研究方向：計算力學(xué)。