肖新科 趙冰 吳帥濤

【摘要】本科階段《材料力學(xué)》課程主要培養(yǎng)學(xué)生對簡單桿件結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性進(jìn)行分析的能力，是土木工程和道路橋梁與渡河工程等專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課。針對實(shí)際課程教學(xué)中存在的問題，提出了一些改進(jìn)措施。如適當(dāng)引入前沿知識，激發(fā)學(xué)生求知欲和學(xué)習(xí)興趣；恰當(dāng)使用傳統(tǒng)板書和多媒體授課方式；有效利用虛擬仿真技術(shù)；引入科技競賽活動，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力等。實(shí)踐證明上述措施有助于學(xué)生掌握相關(guān)知識。

【關(guān)鍵詞】教學(xué)方法 教學(xué)手段 實(shí)踐能力 創(chuàng)新能力

【中圖分類號】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）10-0218-01

一、概述

《材料力學(xué)》是許多工科專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，我校的土木工程、道路橋梁與渡河工程、機(jī)械設(shè)計與制造、材料成型等專業(yè)均開設(shè)這門課程。它主要培養(yǎng)學(xué)生具備對簡單桿件在外載荷下的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性問題進(jìn)行分析和設(shè)計的能力。對于土木工程專業(yè)而言，它還是一門承上啟下的課程：《高等數(shù)學(xué)》和《理論力學(xué)》是它的先修課，而它又是《結(jié)構(gòu)力學(xué)》、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計》、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計》、《彈性力學(xué)》和《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》等課程的先修課。因此掌握好該門課程的基本概念和知識十分重要。但是該課程內(nèi)容多、概念多并且相對抽象，同時還缺少足夠的實(shí)踐動手機(jī)會，因此一些學(xué)生反映該課程理論抽象、內(nèi)容乏味，甚至少部分學(xué)生產(chǎn)生畏學(xué)現(xiàn)象[1]。所以，需要進(jìn)行多方面的教學(xué)改革，以期達(dá)到預(yù)定的學(xué)習(xí)效果。近年來，在實(shí)際教學(xué)中進(jìn)行了一些教學(xué)方法的改革和實(shí)踐，取得了一定效果。

二、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

好奇心和興趣對于學(xué)生學(xué)習(xí)效果有決定性的作用，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力需要培養(yǎng)學(xué)生對科學(xué)的興趣[2]。因此在實(shí)際教學(xué)過程中需要不斷激發(fā)學(xué)生的好奇心和興趣。主要采取的措施是適當(dāng)引入前沿知識和身邊的力學(xué)知識和案例。如在緒論課中介紹近年來我國和其他國家的典型的建筑物和道路橋梁等。同時從其他專業(yè)相關(guān)的國際權(quán)威期刊上檢索相關(guān)文獻(xiàn)，通過多媒體介紹其他相關(guān)專業(yè)中材料力學(xué)知識的一些應(yīng)用，如展示Journal of Biomechanics雜志上檢索到的膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中需要解決的生物材料力學(xué)性能測試的問題；展示Journal of Biomechanics和Journal of Mechanical Science and Technology中檢索到的關(guān)于鞋子設(shè)計中的材料選擇和鞋底外形設(shè)計的問題；展示International Journal of Mechanical Engineering檢索到的齒輪齒形設(shè)計和優(yōu)化的材料強(qiáng)度問題；展示Ocean Engineering中關(guān)于海洋石油鉆井平臺的強(qiáng)度和剛度設(shè)計問題；展示Engineering Failure Analysis中關(guān)于大型礦用自卸車車軸斷裂的分析。同時，結(jié)合時事介紹材料力學(xué)所研究的一些問題，如天宮二號發(fā)射時，介紹衛(wèi)星發(fā)射塔及周邊建筑物在面臨強(qiáng)動載和高溫時所面臨的強(qiáng)度和剛度問題，介紹空間站在太空中所面臨的惡劣環(huán)境及遭受空間碎片超高速撞擊時的強(qiáng)度問題。這些內(nèi)容的適當(dāng)增加一方面可極大激發(fā)同學(xué)的好奇心和學(xué)習(xí)興趣；另一方面也能拓展同學(xué)的眼界，這些知識也將告訴學(xué)生將來讀研究生時也可選擇其他相關(guān)專業(yè)。

三、合理使用傳統(tǒng)板書和多媒體授課

過去的課堂教學(xué)手段主要是板書，這種授課方式對《材料力學(xué)》這種概念多和理論公式推導(dǎo)多的課程比較有效。其優(yōu)點(diǎn)是學(xué)生和教師共同思考同一個問題，學(xué)生能緊緊跟隨教師的思路和節(jié)奏[3]，教師邊板書、邊講解、邊推導(dǎo)、邊啟發(fā)和邊提問，而學(xué)生則眼、耳、口和腦并用，這樣可形成多維印象和刺激，就有利于學(xué)生掌握相關(guān)知識。但傳統(tǒng)的板書也面臨一些挑戰(zhàn)：（1）展示復(fù)雜的變形形式時耗時較多，如實(shí)心圓柱在扭轉(zhuǎn)載荷作用下的變形以及任意位置切應(yīng)變的計算和推導(dǎo)需要畫出較復(fù)雜的圖形。（2）該課程的工程實(shí)踐性較強(qiáng)，板書時無法有效傳遞實(shí)際工程的相關(guān)信息。而這兩個缺點(diǎn)恰恰可以通過多媒體教學(xué)進(jìn)行彌補(bǔ)。這種教學(xué)方式的展現(xiàn)能力強(qiáng)，信息傳遞量大，可以創(chuàng)造生動和逼真的教學(xué)氛圍，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。因此，涉及復(fù)雜圖形特別是變形圖的繪制以及變形過程的展示時可以借助多媒體技術(shù)進(jìn)行授課，同時需要結(jié)合工程背景時也可通過多媒體展示。

四、有效利用虛擬仿真技術(shù)

《材料力學(xué)》是一門與工程實(shí)踐密切聯(lián)系的學(xué)科，因此安排有試驗(yàn)課程。但為使學(xué)生達(dá)到預(yù)期的學(xué)習(xí)效果，試驗(yàn)課通常安排在理論課講授相關(guān)內(nèi)容之后進(jìn)行。但這樣帶來的一個問題是理論課堂上部分學(xué)生對相關(guān)知識理解不到位。比如講授低碳鋼在單向拉伸載荷下的力學(xué)性能時需要講解徑縮并計算應(yīng)變值，應(yīng)變值通過引伸計測得的伸長量除以原始標(biāo)距段長度得到。但這種單向拉伸試驗(yàn)應(yīng)變值的計算是建立在均勻變形的基礎(chǔ)上的，而徑縮后材料的變形在標(biāo)距段內(nèi)已不再均勻，因此徑縮后按原公式計算得到的值理論上已不能再叫作應(yīng)變。僅憑講課和圖片展示有時不足以讓學(xué)生理解透徹，這時可以利用有限元計算提前完成單向拉伸試驗(yàn)的仿真，并展示其變形過程及變形過程中應(yīng)變的分布，這樣就能直觀地講解徑縮，并清晰地展示徑縮前后應(yīng)變的分布情況。

另外，部分變形形式較復(fù)雜和抽象，部分學(xué)生無法深刻理解和掌握。如扭轉(zhuǎn)載荷作用下實(shí)心圓柱的切應(yīng)變分布，部分同學(xué)不能理解切應(yīng)變隨半徑的線性變化。這時可以建立實(shí)習(xí)圓柱扭轉(zhuǎn)的三維有限元模型，施加扭角，然后在后處理時顯示標(biāo)距段內(nèi)3/4橫截面的應(yīng)變分布，這樣便可以清楚展示應(yīng)變的分布情況，易于學(xué)生深刻理解和掌握該知識點(diǎn)。

五、引入科技競賽活動

《材料力學(xué)》是一門理論課程，但它來源于工程又服務(wù)于工程，在培養(yǎng)學(xué)生逐步建立工程概念和逐漸形成解決實(shí)際工程問題能力方面有著十分重要的作用。但對于一般和新建本科院校而言，通常缺少充足的實(shí)踐鍛煉機(jī)會和試驗(yàn)設(shè)備。近年來，科技競賽活動漸多，如省級結(jié)構(gòu)建模大賽、中南地區(qū)結(jié)構(gòu)建模大賽等。在這些競賽活動中需要設(shè)計和制作出屋蓋、塔式建筑、橋梁、輸電塔、廣告牌支撐結(jié)構(gòu)等。通過這些競賽，學(xué)生需要確定具體的分析對象，通過檢索文獻(xiàn)資料和力學(xué)分析確定初步結(jié)構(gòu)形式，完成制作，進(jìn)行加載和多輪優(yōu)化等，這對于鞏固理論知識，培養(yǎng)實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識具有重要意義。為讓更多同學(xué)參與這種活動，在學(xué)校層面設(shè)計了“挑戰(zhàn)杯”競賽活動，并將這種競賽活動納入《材料力學(xué)》課堂教學(xué)，在成績評定中計入該項(xiàng)成績。

六、結(jié)語

《材料力學(xué)》是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，又能直接服務(wù)工程實(shí)際，但內(nèi)容相對多且枯燥。因此在教學(xué)過程中，要注重激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；合理使用傳統(tǒng)板書和多媒體技術(shù)進(jìn)行授課；在相關(guān)知識的講授時可以采用虛擬仿真技術(shù)增加直觀性，以便于學(xué)生理解和掌握；同時，還要重視科技競賽活動對于鞏固理論知識、培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識方面的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉靜，汪中厚， 張麗芳. 材料力學(xué)教學(xué)中應(yīng)用研討課教學(xué)方法的探討[J]. 科技視界， 2016（24）：76，149.

[2]權(quán)赫， 春方光. 材料力學(xué)課程中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維方法探討[J].山西建筑， 2016，42（13）：235-236.

[3]黃超，劉德華，武建華，余茜.提高材料力學(xué)課堂教學(xué)質(zhì)量體會[J].高等建筑教育，2011，20（5）：88-91.

作者簡介：

肖新科（1982—），男，漢族，河南葉縣人，工學(xué)博士，講師，研究方向：沖擊動力學(xué)和材料動力學(xué)行為。