彭英

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?材料力學(xué)是理工科專業(yè)重要的基礎(chǔ)課程之一，針對材料力學(xué)的課程特點(diǎn)及少學(xué)時等教學(xué)現(xiàn)狀，結(jié)合培養(yǎng)應(yīng)用型人才的需求，從優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，采用對比式和案例式教學(xué)方法，使用多媒體與板書相結(jié)合的教學(xué)手段，將有限元數(shù)值模擬技術(shù)引入課堂，有效利用實(shí)驗(yàn)教學(xué)等方面進(jìn)行探討，從而為提高教學(xué)效果、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的教學(xué)目標(biāo)提供參考。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?材料力學(xué);少學(xué)時;教學(xué)方法

[中圖分類號] ?G642 ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] ?A ? ? ? ? ?[文章編號] ?2096-0603（2019）16-0130-02

在我國高等教育大眾化的進(jìn)程中，應(yīng)用型本科院校致力于培養(yǎng)具有一定理論基礎(chǔ)、工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的應(yīng)用型人才。材料力學(xué)作為一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，是連接基礎(chǔ)知識與專業(yè)知識的橋梁，學(xué)生若不能掌握其相關(guān)知識內(nèi)容，對后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)將會造成很大的困擾。然而，為了擴(kuò)大學(xué)生知識面和增加學(xué)生的自主學(xué)習(xí)時間，普遍存在材料力學(xué)學(xué)時少、內(nèi)容多的矛盾，再加上應(yīng)用型本科院校學(xué)生基礎(chǔ)薄弱，這些都給教學(xué)帶來了極大的挑戰(zhàn)。因此，如何在有限的學(xué)時內(nèi)更好地實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)、提高教學(xué)質(zhì)量，就必須對本課程的教學(xué)方法不斷地進(jìn)行反思和改進(jìn)。

一、課程特點(diǎn)及教學(xué)現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的材料力學(xué)教學(xué)首先依次講解軸向拉壓、扭轉(zhuǎn)和彎曲，再延伸到應(yīng)力狀態(tài)和強(qiáng)度理論、組合變形和壓桿穩(wěn)定等。課程教學(xué)過程中涉及很多基本概念、簡化假設(shè)和公式的推導(dǎo)，雖然這些都有利于構(gòu)建學(xué)生的理論知識體系，但也要求學(xué)生具有一定的數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)，而應(yīng)用型本科院校學(xué)生基礎(chǔ)普遍薄弱，學(xué)習(xí)自主性也不強(qiáng)。同時，應(yīng)用型高校更注重學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，對課程理論學(xué)時不斷壓縮，如果在課堂上進(jìn)行太多的理論推導(dǎo)，不僅會占用大量的教學(xué)時間，也容易讓學(xué)生感覺枯燥乏味，繼而失去學(xué)習(xí)興趣，不能獲得理想的教學(xué)效果。因此，為了克服材料力學(xué)教學(xué)中的困難，除了優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容外，還要改進(jìn)教學(xué)手段和教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考，開拓學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，使其掌握并能將所學(xué)的理論知識靈活應(yīng)用于工程實(shí)際問題。

二、教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整

材料力學(xué)主要研究構(gòu)件在荷載作用下的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性問題，內(nèi)容多、課時少，因此必須對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，這里的調(diào)整不是簡單的刪減，而是根據(jù)學(xué)生專業(yè)要求、后續(xù)專業(yè)課程及將來的工作需求進(jìn)行調(diào)整?？梢詣h除一些在后續(xù)課程中相重復(fù)的內(nèi)容和工程實(shí)際中應(yīng)用很少的內(nèi)容，譬如對土木工程專業(yè)，超靜定問題在后續(xù)的結(jié)構(gòu)力學(xué)課程中會重點(diǎn)講解，連接部分計算及壓桿穩(wěn)定在后續(xù)的鋼結(jié)構(gòu)課程中會涉及較多，這些內(nèi)容在材料力學(xué)教學(xué)中就可以刪除，以節(jié)省課時、減少學(xué)生負(fù)擔(dān)。同時，可以適當(dāng)補(bǔ)充一些拓寬學(xué)生知識面、提高學(xué)習(xí)興趣的內(nèi)容，譬如，可以穿插力學(xué)史知識來豐富課堂內(nèi)容，還可以將一些現(xiàn)代力學(xué)及相關(guān)學(xué)科的研究成果引入材料力學(xué)教學(xué)中，不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

三、教學(xué)手段和教學(xué)方法的改進(jìn)

（一）多媒體與板書相結(jié)合

在教學(xué)手段上，采取多媒體與板書相結(jié)合的授課方式。在推導(dǎo)主要公式時采用板書，這樣更利于學(xué)生跟著教師的思維，真正理解和掌握理論公式。在講解工程案例時采用多媒體教學(xué)，這樣不僅可以直觀地向?qū)W生展示工程實(shí)際圖片，幫助學(xué)生理解和強(qiáng)化工程概念，還可以節(jié)省大量的課堂時間。但是，一定要注意多媒體只是輔助教學(xué)，不能代替教學(xué)，多媒體課件制作要注意少字多圖、主次分明、突出重點(diǎn)。

（二）有限元數(shù)值模擬技術(shù)輔助教學(xué)

對材料力學(xué)中一些基本假設(shè)和力學(xué)規(guī)律，學(xué)生普遍感覺抽象難懂，教師可以采用有限元數(shù)值模擬技術(shù)輔助教學(xué)。譬如，教師采用有限元軟件ANSYS對純彎曲梁進(jìn)行模擬計算，并通過后處理畫出應(yīng)力云圖，可以讓學(xué)生清楚地看到應(yīng)力沿截面高度的變化規(guī)律;教師根據(jù)力學(xué)等效原理，讓學(xué)生計算不同載荷分布情況下梁的應(yīng)力云圖，可以讓學(xué)生直觀地認(rèn)識圣維南原理;還可以通過后處理制作動畫，形象地向?qū)W生展示構(gòu)件的變形過程和應(yīng)力分布的變化情況等。這樣不僅可以加深學(xué)生對力學(xué)知識的理解，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，還可以培養(yǎng)他們理論聯(lián)系實(shí)際的能力，為將來的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析打下堅實(shí)的理論基礎(chǔ)。

（三）對比教學(xué)法

材料力學(xué)理論知識抽象，又緊密結(jié)合工程實(shí)際，學(xué)生往往理解不深，對眾多公式難以記憶，也不能靈活應(yīng)用于實(shí)際問題。實(shí)質(zhì)上，各部分內(nèi)容之間具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性和相似性。在講解各部分內(nèi)容時，教師可以采取對比教學(xué)法，幫助學(xué)生系統(tǒng)地理解和掌握知識，這樣學(xué)生不僅對公式容易記憶，也能將所學(xué)的理論知識準(zhǔn)確地應(yīng)用于實(shí)際問題。有了前期的知識體系做基礎(chǔ)，教師后面的教學(xué)會更加得心應(yīng)手，從而節(jié)省課堂時間。例如，等直圓桿扭轉(zhuǎn)時的最大切應(yīng)力τmax=T/Wp，其中Wp為扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)，且Wp=Ip/r，對圓形截面Wp=πd3/16;梁彎曲時橫截面上的最大正應(yīng)力σmax=M/Wz，其中Wz為彎曲截面系數(shù)，且Wz=Iz/ymax，對圓形截面Wp=πd3/32。在教學(xué)過程中，通過前后知識的對比，可以讓學(xué)生清楚地知道扭轉(zhuǎn)時最大切應(yīng)力與彎曲時最大正應(yīng)力的異同、扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)與彎曲截面系數(shù)的異同、極慣性矩與慣性矩的異同，這樣學(xué)生思路清晰明了，對基本概念的理解也更加深入，不僅方便記憶公式，還可避免他們在今后的實(shí)際應(yīng)用中張冠李戴，同時教師也無需在課堂上重復(fù)講授相關(guān)知識點(diǎn)，極大地提高了課堂效率。

（四）案例教學(xué)法

教師除了在課堂上講授課本知識外，還可以采取案例教學(xué)法，結(jié)合日常生活和工程實(shí)例向?qū)W生提出一系列與材料力學(xué)相關(guān)的問題，啟發(fā)學(xué)生主動思考，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生真切感覺到材料力學(xué)是一門實(shí)用性很強(qiáng)的課程，從而更加積極主動地學(xué)習(xí)。譬如，在講解彎曲合理截面時，教師可以結(jié)合所學(xué)的理論知識分析房屋結(jié)構(gòu)中的陽臺懸挑梁為什么根部粗，為什么鋼筋要設(shè)置在梁的上部。還可以列舉鐵軌的截面形狀、竹子的截面形狀等實(shí)例，讓學(xué)生從這些日常生活的實(shí)物中對等強(qiáng)度梁有直觀的認(rèn)識。再如，講解平面桁架的強(qiáng)度驗(yàn)算時，可以列舉實(shí)際工程中常見的桁架橋、吊車梁、木屋架、鋼屋架等桁架結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生首先對桁架結(jié)構(gòu)有感性認(rèn)識，然后采取截面法或節(jié)點(diǎn)法的理論解法求解桿件軸力，最后再按拉壓桿的強(qiáng)度條件進(jìn)行驗(yàn)算。除此以外，教師還可以通過對具體實(shí)例的有限元建模、分析、求解，拓展學(xué)生的知識面，培養(yǎng)他們對實(shí)際工程的分析和應(yīng)用能力。以圖1所示的桁架結(jié)構(gòu)為例，圖2為理論解法求得的內(nèi)力圖，圖3至圖5分別為有限元軟件ANSYS計算得到的內(nèi)力云圖、應(yīng)力云圖和變形圖。通過有限元計算，不僅可以向?qū)W生展示應(yīng)力圖，還可以讓學(xué)生清楚地看到桁架結(jié)構(gòu)受載后的變形圖，對比圖2和圖3，可以看出有限元求解的結(jié)果與理論解十分吻合。

四、實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革

實(shí)驗(yàn)是材料力學(xué)教學(xué)的重要組成部分，應(yīng)用型本科院校在有限的材料力學(xué)課時中加大實(shí)驗(yàn)課時比重，更加凸顯了實(shí)驗(yàn)的重要性。除了軸向拉壓、扭轉(zhuǎn)和彎曲幾個基本實(shí)驗(yàn)外，還開設(shè)了材料力學(xué)開放性實(shí)驗(yàn)，譬如彎扭組合梁實(shí)驗(yàn)、沖擊實(shí)驗(yàn)等。這些實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生掌握測定材料力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的基本知識和驗(yàn)證材料力學(xué)理論的基本方法，熟悉常用儀器設(shè)備的性能和一般故障的排除，不僅加深了學(xué)生對理論的理解，還提高了學(xué)生的動手操作能力，為培養(yǎng)應(yīng)用型人才奠定了良好的基礎(chǔ)。

五、結(jié)語

材料力學(xué)課程內(nèi)容多、理論性強(qiáng)，且與工程實(shí)際結(jié)合緊密，而應(yīng)用型高校學(xué)生基礎(chǔ)普遍薄弱，在材料力學(xué)教學(xué)過程中，結(jié)合少學(xué)時的教學(xué)現(xiàn)狀和應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，通過優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)手段和教學(xué)方法，開放實(shí)驗(yàn)室，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和實(shí)際應(yīng)用能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫訓(xùn)方，方孝淑，關(guān)來泰.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2009.

[2]李媛.應(yīng)用型本科院?！恫牧狭W(xué)》教學(xué)改革的研究[J].考試周刊，2015（A3）：6.

[3]季順迎，武金英，馬紅艷.力學(xué)史知識在材料力學(xué)教學(xué)中的結(jié)合與實(shí)踐[J].高等理科教育，2012（4）：137-142.

[4]馬國軍，馬紅艷，季順迎.力學(xué)相關(guān)成果引入材料力學(xué)教學(xué)的探索與實(shí)踐[J].力學(xué)與實(shí)踐，2017，39（5）：499-502.

[5]劉麗紅.材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教程[M].北京：人民郵電出版社，2015.

編輯 陳鮮艷