吳坤銘

(皖西學(xué)院 建筑與土木工程學(xué)院，安徽 六安237012)

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應(yīng)用型本科高校材料力學(xué)課程改革與實踐

吳坤銘

(皖西學(xué)院 建筑與土木工程學(xué)院，安徽 六安237012)

材料力學(xué)是應(yīng)用型本科高校土建類專業(yè)基礎(chǔ)核心課程，本文在材料力學(xué)省級精品資源共享課程建設(shè)的基礎(chǔ)上總結(jié)了近年來在深化課程內(nèi)容改革，加強(qiáng)學(xué)生工程意識；深化實驗教學(xué)改革，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力；創(chuàng)新教學(xué)方式，提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)等方面進(jìn)行的有益探索和實踐。實踐表明，通過課程改革，豐富了教學(xué)內(nèi)容，拓寬了學(xué)生視野，激發(fā)了學(xué)生對力學(xué)課程的學(xué)習(xí)熱情，對學(xué)生工程意識、創(chuàng)新能力和科學(xué)素養(yǎng)的提高起到了一定的促進(jìn)作用。

材料力學(xué)；課程改革；工程意識；創(chuàng)新能力；科學(xué)素養(yǎng)

材料力學(xué)課程是皖西學(xué)院土建類專業(yè)基礎(chǔ)核心課程，本課程為2015年度省級精品資源共享課程。材料力學(xué)課程在土建類專業(yè)人才培養(yǎng)方案課程設(shè)置中起到承上啟下的作用，是學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課程的基礎(chǔ)。本文結(jié)合省級精品資源共享課程建設(shè)，以皖西學(xué)院“專業(yè)人才培養(yǎng)特區(qū)”土木工程專業(yè)為例，對應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式改革過程中就材料力學(xué)課程改革進(jìn)行的探索和實踐加以總結(jié)，以求教于同仁大家。

1 材料力學(xué)課程改革的必要性

傳統(tǒng)材料力學(xué)課程主要研究線彈性小變形條件下構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性問題。軸向拉伸或軸向壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)、彎曲四種基本變形形式[1](P5-8)；應(yīng)力狀態(tài)和強(qiáng)度理論，組合變形，壓桿穩(wěn)定等為材料力學(xué)課程主要內(nèi)容。概念多、公式多，整個課程講解完學(xué)生對知識點理解和掌握的并不理想，很多學(xué)生對概念理解不透，動手分析計算能力、解決工程實際問題能力不強(qiáng)。

實驗是材料力學(xué)課程的重要組成部分，通過實驗驗證所學(xué)的基本原理和方法，能使學(xué)生動手能力得到培養(yǎng)和鍛煉，學(xué)生才能運(yùn)用所學(xué)實驗方法解決工程實際問題。傳統(tǒng)材料力學(xué)實驗內(nèi)容主要為金屬材料拉壓力學(xué)性能測定、純彎曲及組合變形下應(yīng)力的測定[2](P22)。在實驗室學(xué)生主要學(xué)習(xí)常規(guī)的實驗內(nèi)容，與專業(yè)結(jié)合不緊密，學(xué)習(xí)積極性不高，實驗效果不理想。

課程考核成績構(gòu)成主要為考試試卷成績和實驗報告成績，考核方式較為單一，不能充分體現(xiàn)過程教學(xué)效果。

以上情況說明當(dāng)前材料力學(xué)教育模式已經(jīng)不能滿足應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，急需對材料力學(xué)課程進(jìn)行改革。為保證課程改革的有效開展，我校在2013級土木工程專業(yè)卓越工程師班的30名學(xué)生中進(jìn)行了試點。

2 深化課程內(nèi)容改革加強(qiáng)學(xué)生工程意識

傳統(tǒng)的材料力學(xué)四種基本變形形式課程體系和內(nèi)容完整性很強(qiáng)，抑制了學(xué)生的創(chuàng)造性思維。在教學(xué)過程中需要打破課程體系，注重知識點間的融會貫通。四種基本變形形式教學(xué)內(nèi)容的關(guān)鍵點是外力、內(nèi)力、應(yīng)力、強(qiáng)度條件、剛度條件。在教學(xué)過程中通過引入工程實例，從構(gòu)件變形破壞入手，如鋼木組合桁架中鋼拉桿和測定材料力學(xué)性能的萬能試驗機(jī)的立柱、機(jī)器中的傳動軸、插入磚墻中的過梁等都是大家熟知的工程實例，將其加載變形直至破壞的過程制作成視頻，讓學(xué)生觀察其變化過程，提出問題，引出教學(xué)內(nèi)容，把學(xué)生學(xué)習(xí)積極性充分調(diào)動起來。四種基本變形知識點講解主要是截面法、內(nèi)力圖、應(yīng)力和變形分析及其計算。以下對軸向拉壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲基本變形形式下以截面法為例對其相鄰dx截面的內(nèi)力、應(yīng)力、變形等進(jìn)行分析比較，如表1所示。在教學(xué)過程中可以打破課程體系，實現(xiàn)知識點間的融會貫通。

通過歸納對比分析，軸向拉壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲基本變形下理論分析及公式推導(dǎo)具有相似性，為便于學(xué)生對知識點的理解和掌握，教師在講課過程中應(yīng)注重運(yùn)用多種教學(xué)方法[3-5]。如類比法，將知識點進(jìn)行橫向拓展和縱向深入，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維是有益的。如表1中各種變形下的應(yīng)力計算公式，分別反映了應(yīng)力是單位面積上的力以及截面上應(yīng)力的分布規(guī)律。公式中分母分別是面積A、極慣性矩IP、慣性矩IZ為截面性質(zhì)幾何參數(shù)均是常數(shù)，對于指定的截面其內(nèi)力也為常數(shù)，ρ、y分別為截面上任意一點分別至坐標(biāo)原點、坐標(biāo)軸的距離是變量，通過以上分析學(xué)生很容易掌握幾種變形形式下的應(yīng)力公式及其實質(zhì)。基本變形形式掌握好后續(xù)組合變形學(xué)習(xí)起來就很輕松。

表1 各基本變形形式下橫截面上內(nèi)力、應(yīng)力、變形等比較

壓桿穩(wěn)定是相對獨立的內(nèi)容，也是材料力學(xué)課程重、難點內(nèi)容，教學(xué)過程可以和工程實例結(jié)合起來。如建筑施工現(xiàn)場腳手架的穩(wěn)定性問題、高聳塔架的穩(wěn)定性問題等，建立這些工程問題的力學(xué)模型，制作實驗視頻演示其在荷載作用下失穩(wěn)過程，使抽象的問題形象化，臨界力的歐拉公式推導(dǎo)對于應(yīng)用型本科學(xué)生可以簡化中間推導(dǎo)過程，將公式結(jié)論告訴學(xué)生，對公式中各參數(shù)要講解清楚，主要側(cè)重于公式的應(yīng)用。如工業(yè)廠房中鋼柱穩(wěn)定性分析及設(shè)計，結(jié)合工程實例講解壓桿穩(wěn)定性分析及其設(shè)計過程，教會學(xué)生查型鋼表、查Q235鋼等截面中心受壓直桿的穩(wěn)定性因素表。這部分知識點是土木工程專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)課程的重要基礎(chǔ)，只有打牢基礎(chǔ)，專業(yè)課學(xué)起來才能得心應(yīng)手。

3 深化實驗教學(xué)改革培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力

深化材料力學(xué)實驗教學(xué)改革，將應(yīng)用型人才培養(yǎng)貫穿于材料力學(xué)實驗過程，課程組將材料力學(xué)實驗分為四個方面進(jìn)行實踐和探索。

3.1 基本實驗

主要為金屬材料力學(xué)性能測定實驗。此類實驗主要培養(yǎng)學(xué)生會操作常規(guī)實驗儀器設(shè)備，在實驗過程中驗證所學(xué)的基本原理，用所學(xué)的實驗方法解決工程實際問題。在當(dāng)前實驗教學(xué)過程中需要改變傳統(tǒng)的教學(xué)方法以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，老師可以將工程中使用的建筑鋼筋引入實驗室給定測試內(nèi)容，要求學(xué)生制定實驗方案、記錄實驗過程和現(xiàn)象、分析處理實驗數(shù)據(jù)給出評定結(jié)果；老師對各小組實驗效果給出過程評價，結(jié)合實驗報告給出實驗項目評分。

3.2 綜合性實驗

主要為梁在純彎曲及組合變形下應(yīng)力的測定。此類實驗是應(yīng)用電阻應(yīng)變測試技術(shù)。電測法是實驗應(yīng)力分析的有效方法，是解決工程強(qiáng)度的有效手段。在實驗過程中應(yīng)注重學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)態(tài)度，培養(yǎng)良好的工程素質(zhì)。在完成傳統(tǒng)實驗項目的基礎(chǔ)上，對學(xué)有余力的同學(xué)可以拓展實驗內(nèi)容，如梁的純彎曲實驗可將鋼梁或鋼筋混凝土梁作為研究對象，老師講解電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)、電橋的基本原理、電阻應(yīng)變補(bǔ)償?shù)?，通過示范演示后，各小組自己動手完成電阻應(yīng)變片的粘貼、導(dǎo)線焊接、應(yīng)變片與靜態(tài)電阻應(yīng)變采集儀連接，各小組制定實驗加載方案、記錄實驗過程和現(xiàn)象、對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和評價。通過拓展實驗，學(xué)生將所學(xué)的原理和實驗方法應(yīng)用到工程實際中，對構(gòu)件的強(qiáng)度、變形、破壞發(fā)展過程能夠深入了解，也更能把學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性充分調(diào)動起來。我校2013級土木工程卓越工程師班的全體同學(xué)參加了拓展實驗并獲得了良好的效果，學(xué)生的工程素質(zhì)得到顯著提高。

3.3 開放性實驗

皖西學(xué)院建筑與土木工程學(xué)院力學(xué)實驗室是校級實驗教學(xué)示范中心，本課程組承擔(dān)的材料力學(xué)課程是省級精品資源共享課程，近年來課程組在完成材料力學(xué)傳統(tǒng)實驗項目的基礎(chǔ)上還進(jìn)一步開展開放性實驗教學(xué)。

開放性實驗項目結(jié)合現(xiàn)有的實驗教學(xué)平臺“多功能材料力學(xué)試驗機(jī)”，如圖1所示。課程組開發(fā)了材料力學(xué)開放性實驗教學(xué)平臺，主要開設(shè)的必選實驗有：金屬材料拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)實驗；拉、壓交變加載彈性模量E及泊松比μ電測實驗；梁交變彎曲電測實驗；彎扭組合電測實驗；交變加載等強(qiáng)度梁電測實驗?？蛇x實驗有：金屬材料正、反向反復(fù)扭轉(zhuǎn)實驗；壓力容器電測實驗；偏心拉伸電測實驗；帶側(cè)向干擾壓桿穩(wěn)定電測實驗；正、反向扭轉(zhuǎn)測G實驗。開放性材料力學(xué)實驗教學(xué)采用如下的實驗教學(xué)模式：

圖1 YDD-Ⅰ型多功能材料力學(xué)試驗機(jī)

圖2 實驗教學(xué)模式

圖3 開放性實驗教學(xué)平臺(網(wǎng)站形式)

2013級土木工程卓越工程師班全體同學(xué)參加了開放性實驗，實驗效果良好。下一步將在2014級、2015級土木工程專業(yè)學(xué)有余力的同學(xué)中開展，通過預(yù)約[6]，實驗室審核通過后，學(xué)生利用課余時間參加開放性實驗。

3.4 創(chuàng)新性實驗

實驗設(shè)置的背景：在本科教學(xué)階段，多數(shù)高校土建類專業(yè)的學(xué)生在獨立完成實驗?zāi)芰Ψ矫骐x教學(xué)大綱要求還有一定差距，特別是升入研究生階段后，很多實驗操作技能亟待提高。對于應(yīng)用型本科高?！疤貐^(qū)專業(yè)”在實驗教學(xué)方面應(yīng)注重學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

材料力學(xué)創(chuàng)新性實驗項目結(jié)合現(xiàn)有的“YJC-Ⅰ-3000型工程力學(xué)實驗創(chuàng)新平臺”，如圖4所示。課程組開發(fā)了“YJC-Ⅰ-3000型工程力學(xué)實驗創(chuàng)新平臺”的實驗項目主要有：應(yīng)變片工作原理電測實驗；傳感器工作原理實驗；應(yīng)力疊加電測實驗；單桿拉彎組合等應(yīng)變測試原理實驗；門式剛架、門式排架的內(nèi)力測試等驗證結(jié)點特性實驗。

圖4 YJC-Ⅰ-3000型工程力學(xué)實驗創(chuàng)新平臺

在工程中許多負(fù)荷(力)傳感器、位移傳感器都是根據(jù)惠斯通電橋原理設(shè)計制作的。由于課程設(shè)置的問題，大部分土建類專業(yè)的學(xué)生沒有專門進(jìn)行這些知識的學(xué)習(xí)，這方面知識很薄弱，導(dǎo)致在后續(xù)的科研實驗中，出現(xiàn)各種各樣的問題。通過創(chuàng)新性實驗使學(xué)生掌握傳感器的標(biāo)定；了解傳感器工作原理，掌握應(yīng)變儀等測試記錄儀器連接；了解應(yīng)變儀全橋、半橋和1/4橋的接線原理，能將力、位移和應(yīng)變數(shù)據(jù)使用同一臺儀器同步采集；能根據(jù)實驗對象的特點，自己設(shè)計制作傳感器。

圖5 各種傳感器的標(biāo)定

通過以上材料力學(xué)實驗教學(xué)方面的改革，使本校教師和學(xué)生能夠教學(xué)相長，互相提高，既讓實驗室充滿活力，又讓那些考研繼續(xù)深造的學(xué)生在實際動手操作和應(yīng)變測試原理方面得到鍛煉，相對于其他兄弟院校的學(xué)生，為他們在科研和創(chuàng)新能力方面打下了更堅實的基礎(chǔ)。

4 創(chuàng)新教學(xué)方式提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)

在應(yīng)用型人才培養(yǎng)過程中，創(chuàng)新材料力學(xué)課程教學(xué)方式，邀請合肥工業(yè)大學(xué)宣城校區(qū)材料力學(xué)課程組主講老師給學(xué)生專題講課，讓學(xué)生感受高水平大學(xué)力學(xué)老師的專業(yè)素養(yǎng)和教學(xué)風(fēng)范，同時對我校材料力學(xué)課程組青年老師教學(xué)水平的提高也起到了一定的促進(jìn)作用。圍繞每兩年一次的全國周培源大學(xué)生力學(xué)競賽，在材料力學(xué)課程教學(xué)完成以后，面向我校土建類專業(yè)選拔優(yōu)秀學(xué)生組織輔導(dǎo)，邀請中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)等力學(xué)專家學(xué)者來校就力學(xué)前沿發(fā)展、力學(xué)競賽開展專題講座。組織優(yōu)秀學(xué)生參觀學(xué)習(xí)每年5月中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)開展的科技活動周以及安徽省力學(xué)學(xué)會開展的科普活動日，傾聽院士和專家的學(xué)術(shù)報告。

通過以上努力，改變了傳統(tǒng)教學(xué)方式，提高了學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)，激發(fā)了學(xué)生對力學(xué)課程的學(xué)習(xí)熱情。

5 課程改革效果

通過課程改革，學(xué)生學(xué)習(xí)力學(xué)課程的興趣得到很大提高。2013級、2014級土木工程專業(yè)學(xué)生材料力學(xué)課程考核不及格率由原來的15%分別降低至11%、8%，這對材料力學(xué)課程來說是很大的進(jìn)步，為學(xué)生后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下了良好的基礎(chǔ)。特別是2013級土木工程卓越工程師班的學(xué)生提高最為明顯，課程平均分85.6。通過參加材料力學(xué)拓展實驗項目、開放性實驗項目及創(chuàng)新性實驗項目的學(xué)習(xí)，卓越班學(xué)生的動手能力得到了有效提高，部分學(xué)生能夠參與到課程組老師的科研項目中，在老師的指導(dǎo)下由4名卓越班學(xué)生申報的2015年度校級大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)項目，2016年4月份已順利結(jié)項并獲校級一等獎，該小組發(fā)表研究論文2篇、獲批專利1項。

在2013年第九屆全國周培源大學(xué)生力學(xué)競賽中，我校獲全國(個人賽)優(yōu)秀獎2名、安徽省賽區(qū)個人二等獎7名、安徽省賽區(qū)個人三等獎9名，我校獲安徽省賽區(qū)優(yōu)秀組織獎；在2015年第十屆全國周培源大學(xué)生力學(xué)競賽中，我校獲全國(個人賽)優(yōu)秀獎5名、獲安徽省賽區(qū)個人二等獎3名、獲安徽省賽區(qū)個人三等獎12名，我校獲安徽省賽區(qū)團(tuán)體二等獎；比較兩屆獲獎情況，無論是學(xué)生個人成績還是團(tuán)體成績均得到顯著提高。從2015年12月9日安徽高教網(wǎng)公布的第十屆全國周培源大學(xué)生力學(xué)競賽安徽賽區(qū)獲獎名單中獲知我校學(xué)生獲獎面在安徽新建二本院校中處于前列。

材料力學(xué)課程經(jīng)過近三年的改革與建設(shè)已經(jīng)取得明顯效果，2015年材料力學(xué)課程獲批立項安徽省省級精品資源共享課程；課程組負(fù)責(zé)人副主編出版普通高等學(xué)校土木工程專業(yè)精編系列規(guī)劃教材材料力學(xué)教材一部已由武漢大學(xué)出版社出版發(fā)行；課程組主講老師近三年有兩人獲安徽優(yōu)秀力學(xué)教師獎、一人獲全國優(yōu)秀力學(xué)教師獎。

無論是學(xué)生課程成績的提高，學(xué)生工程素養(yǎng)的提高，學(xué)生創(chuàng)新能力的增強(qiáng)，學(xué)科競賽成績的取得還是課程組老師教學(xué)水平、教學(xué)質(zhì)量的提高，這都與材料力學(xué)課程改革是密不可分的，同時也證明了材料力學(xué)課程改革在我校應(yīng)用型人才培養(yǎng)方面取得的效果是明顯的。

6 結(jié)論

材料力學(xué)課程是土建類專業(yè)基礎(chǔ)核心課程，在專業(yè)人才培養(yǎng)課程體系中處于重要的地位，通過課程改革豐富了教學(xué)內(nèi)容，拓寬了學(xué)生視野，激發(fā)了學(xué)生對力學(xué)課程的學(xué)習(xí)熱情，對培養(yǎng)學(xué)生的工程意識、創(chuàng)新能力和科學(xué)素養(yǎng)起到了一定的促進(jìn)作用。課程組對材料力學(xué)課程進(jìn)行了改革，取得了一定的成績；今后將繼續(xù)結(jié)合《材料力學(xué)》(土建類)省級精品資源共享課程建設(shè)目標(biāo)進(jìn)一步完善建設(shè)內(nèi)容，對我校應(yīng)用型人才培養(yǎng)課程建設(shè)進(jìn)行有益探索和實踐。

[1]孫訓(xùn)方，方孝淑，關(guān)來泰.材料力學(xué)(Ⅰ)[M].北京：高等教育出版社，2011.

[2]高等學(xué)校土木工程學(xué)科專業(yè)指導(dǎo)委員會.高等學(xué)校土木工程本科指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015.

[3]陳云信.《材料力學(xué)》課程教學(xué)改革與實踐[J].江漢大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2014(4)：40-44.

[4]于亞婷，杜平安，周曉明.《材料力學(xué)》教學(xué)中關(guān)鍵問題解決方法探討[J].實驗技術(shù)與科學(xué)，2014(4)：173-174.

[5]孫立紅，劉寶良.培養(yǎng)工程能力深化材料力學(xué)教學(xué)改革[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版)，2011(5)：128-130.

[6]吳坤銘.基于應(yīng)用型土木工程專業(yè)實踐教學(xué)改革與實踐[J].安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2014(4)：71-75.

Curriculum Reform and Practice of Course of Material Mechanics in Application-oriented Universities

WU Kunming

(SchoolofArchitectureandCivilEngineering,WestAnhuiUniversity,Luan237012,China)

Material mechanics is the fundamental core course for civil engineering and construction majors in application-oriented university. Based upon the construction of provincial excellent resource sharing course for material mechanics, the paper summarized the exploration and practice on course reform, strengthening of students’ engineering consciousness, and deepening experiment reform; it also summarized the cultivation of students’ innovative capacity, innovation in teaching manner, and promotion of students’ scientific literacy in recent years. Through reforming course, enriching teaching contents and broadening students’ horizon, it showed that the stimulated enthusiasm for material mechanics course helped to promote students’ engineering consciousness, innovative capacity and scientific literacy.

material mechanics; course reform; engineering consciousness; innovative capacity; scientific literacy

2016-07-22

安徽省省級質(zhì)量工程項目：材料力學(xué)(土建類)精品資源共享課程(2015gxk054)，安徽省高校優(yōu)秀青年人才支持計劃重點項目(gxyqZD2016241)。

吳坤銘(1978-)，男，安徽六安人，副教授，博士，研究方向：巖土力學(xué)可靠度。

G642.0

A

1009-9735(2016)05-0026-04