王凌英 趙芳 趙冉 赫萬恒 曹洪娜

[摘 要]課程組以材料力學(xué)中的彎扭組合變形為例，借助網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，以課堂為載體，開展信息化教學(xué)。文章闡述了信息化教學(xué)的意義和背景，針對(duì)彎扭組合變形的受力和變形特點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)分析，提出教學(xué)策略，并詳細(xì)描述了信息化教學(xué)的實(shí)施過程，借助力學(xué)建模、3D動(dòng)畫演示、ANSYS仿真、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)等方法和手段，使信息化教學(xué)更富有特色，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提升了學(xué)生的綜合能力，取得了良好的教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞]彎扭組合變形;力學(xué)建模;3D演示;ANSYS仿真;材料力學(xué);信息化教學(xué)

[中圖分類號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2022）01-0161-03

隨著信息化教學(xué)的發(fā)展、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及，在線學(xué)習(xí)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)逐漸被高等院校應(yīng)用于實(shí)際教學(xué)中。材料力學(xué)作為工科院校的一門專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程，與工程實(shí)際結(jié)合緊密，它源于工程，又可以直接解決工程實(shí)際問題。如何將信息化很好地融入材料力學(xué)課程教學(xué)，建設(shè)好既適合學(xué)生學(xué)習(xí)與教師授課需求，又能體現(xiàn)自身專業(yè)課程特色的課程，成為廣大力學(xué)教育工作者共同思考的話題。

一、信息化教學(xué)的意義和背景

與傳統(tǒng)的教學(xué)模式相比，信息化教學(xué)在教學(xué)理念與教學(xué)手段方面有所不同，更能調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)的本能。可見，在當(dāng)前的信息環(huán)境下，以學(xué)生為信息化教學(xué)研究的主體是非常有意義的。

信息技術(shù)能夠使教學(xué)內(nèi)容層次分明，呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)和可視化，方便學(xué)生在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)學(xué)習(xí)[1]。教學(xué)組織離不開教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)的雙重要求。信息化教學(xué)學(xué)習(xí)內(nèi)容包括參加小組活動(dòng)和討論真實(shí)案例。信息化教學(xué)始終將教學(xué)目標(biāo)放在能力目標(biāo)的培養(yǎng)上。在日常的教學(xué)過程中，將信息技術(shù)引入到課堂中，一方面可以提升任課教師的專業(yè)知識(shí)和技術(shù)水平，另一方面可以激發(fā)學(xué)生主動(dòng)獲取知識(shí)的本能。

全國(guó)職業(yè)院校信息化教學(xué)大賽的舉辦，在促進(jìn)高等教育戰(zhàn)線運(yùn)用信息技術(shù)改造傳統(tǒng)教學(xué)、創(chuàng)新教學(xué)模式、改進(jìn)教學(xué)方法、強(qiáng)化現(xiàn)代信息技術(shù)與現(xiàn)代教學(xué)理念的深度融合、提高教師教學(xué)水平方面做出了重要貢獻(xiàn)。信息化教學(xué)已成為高等院校強(qiáng)化內(nèi)涵建設(shè)、提升人才培養(yǎng)水平和質(zhì)量的重要途徑。本文以全國(guó)職業(yè)院校信息化教學(xué)大賽為契機(jī)，對(duì)所承擔(dān)的教學(xué)班次嘗試進(jìn)行教學(xué)模式改革，以材料力學(xué)課程組合變形中的彎扭組合變形為例，展開信息化教學(xué)。

二、教學(xué)分析和教學(xué)策略

針對(duì)材料力學(xué)中的彎扭組合變形，教學(xué)設(shè)定為2個(gè)學(xué)時(shí)[2]，教學(xué)確定為從知識(shí)、能力到素質(zhì)這樣一個(gè)逐步提升的過程。其中，知識(shí)目標(biāo)：要求掌握彎扭組合變形的變形特點(diǎn)和強(qiáng)度計(jì)算;能力目標(biāo)：掌握彎扭組合變形的分析方法，并拓展到啟發(fā)學(xué)生對(duì)所有組合變形進(jìn)行分析和強(qiáng)度計(jì)算;素質(zhì)目標(biāo)：更高層次上培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維能力，通過理論與實(shí)際相結(jié)合，讓學(xué)生掌握復(fù)雜問題的力學(xué)分析方法，提升學(xué)生的工程素養(yǎng)。

彎扭組合變形受力和變形都比較復(fù)雜，根據(jù)其變形特點(diǎn)，結(jié)合以上三個(gè)層次的教學(xué)目標(biāo)，我們分析其整個(gè)教學(xué)過程中可能遇到的難點(diǎn)并提出解決難點(diǎn)的辦法。

首先是“問題難”。彎扭組合變形比基本變形要復(fù)雜，它從平面問題上升為空間問題，在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮將裝備及生活實(shí)例融入教學(xué)，并進(jìn)行力學(xué)建模，幫助學(xué)生分析問題，化難為易。

其次是“理解難”。分析過程中危險(xiǎn)點(diǎn)的確定、危險(xiǎn)點(diǎn)處的應(yīng)力狀態(tài)分析是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，學(xué)生理解掌握起來比較困難。教師在教學(xué)中可借助應(yīng)力分布圖和應(yīng)力狀態(tài)的3D演示以及ANSYS模擬仿真，通過疊加原理進(jìn)行形象化分析，幫助學(xué)生逐一克服困難。

最后是“應(yīng)用難”。理論學(xué)習(xí)的最終目的是實(shí)際應(yīng)用，因此對(duì)發(fā)生彎扭組合變形的構(gòu)件，可將實(shí)際問題抽象成力學(xué)模型，并用強(qiáng)度理論進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。我們解決難題的方法是依托豐富的實(shí)驗(yàn)室資源，引導(dǎo)學(xué)生課上分析問題，課下設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并動(dòng)手操作研究。另外，借助材料力學(xué)案例庫這樣的信息化教學(xué)資源和教學(xué)手段逐一克服教學(xué)中的困難。

三、教學(xué)組織實(shí)施過程

為了更好地實(shí)現(xiàn)信息化教學(xué)，我們?cè)诮虒W(xué)準(zhǔn)備中先創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)[3]，其中包括任務(wù)專區(qū)、信息資源、效果評(píng)價(jià)、拓展訓(xùn)練。為達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，我們?cè)陂_課前一周下達(dá)任務(wù)，學(xué)生登錄教學(xué)平臺(tái)（任務(wù)專區(qū)），先自行搜集與彎扭組合變形相關(guān)的案例，并分析案例中彎扭組合的變形特點(diǎn)，應(yīng)用平臺(tái)中的參考知識(shí)點(diǎn)，通過疊加原理完成任務(wù)，最后提交任務(wù)書，教師從中選擇一例在課上與學(xué)生一起討論分析。

課中，通過力學(xué)建模、3D動(dòng)畫演示、ANSYS仿真等多種方法和手段化解難點(diǎn)，并借助材料力學(xué)案例庫平臺(tái)來強(qiáng)化重點(diǎn)，以此培養(yǎng)學(xué)生的力學(xué)建模和綜合分析問題的能力。

（一）力學(xué)建模

篩選出任務(wù)專區(qū)中學(xué)生提交并比較熟悉的案例：公路上的交通標(biāo)志牌（如圖1所示），當(dāng)標(biāo)志牌上受風(fēng)力作用時(shí)，分析鋼柱的變形。學(xué)生給出了初步分析，對(duì)于發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)的組合變形，教師需要引導(dǎo)他們抽象出力學(xué)模型（如圖2所示），以此培養(yǎng)學(xué)生的建模能力，為以后工程應(yīng)用打基礎(chǔ)。

（二）化解難點(diǎn)

1.理論分析

在建模后的理論分析中，要始終貫穿疊加原理，帶領(lǐng)學(xué)生一起找到危險(xiǎn)截面;在應(yīng)力分析環(huán)節(jié)，危險(xiǎn)點(diǎn)的確定是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，應(yīng)用應(yīng)力分布圖的3D演示，只受M和P作用時(shí)的情況，然后疊加以后危險(xiǎn)點(diǎn)就顯而易見了。如此形象化的分析能夠讓學(xué)生目睹疊加原理的應(yīng)用過程。危險(xiǎn)點(diǎn)處的應(yīng)力狀態(tài)分析更是難中之難，這時(shí)仍然要借助3D演示，幫助學(xué)生進(jìn)行形象化分析，化解難題，這是理論分析的過程。

2.ANSYS仿真

同時(shí)，應(yīng)用ANSYS仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證[4]。通過仿真，學(xué)生能直觀感受加載時(shí)鋼柱的受力變形特性，清晰地確定危險(xiǎn)點(diǎn)，并對(duì)危險(xiǎn)點(diǎn)處的最大應(yīng)力按照強(qiáng)度理論進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)與理論分析結(jié)果吻合。

3.實(shí)驗(yàn)操作

通過課上理論分析，課下學(xué)生可進(jìn)一步借助力學(xué)實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)來加深理解。如圖3所示，學(xué)生以小組為單位，通過自己動(dòng)手貼片，連接電阻應(yīng)變儀、加載，記錄數(shù)據(jù)等操作，對(duì)危險(xiǎn)點(diǎn)及其應(yīng)力值進(jìn)行驗(yàn)證。學(xué)生從中找到學(xué)習(xí)的樂趣：力學(xué)原來也沒那么枯燥。這個(gè)過程深化了學(xué)生的認(rèn)知，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

（三）強(qiáng)化重點(diǎn)

分析彎扭組合變形的目的及重點(diǎn)是強(qiáng)度計(jì)算，前面仿真時(shí)已經(jīng)用第三強(qiáng)度理論進(jìn)行了計(jì)算，因此，要進(jìn)一步強(qiáng)化計(jì)算，這可以通過材料力學(xué)案例庫平臺(tái)實(shí)現(xiàn)：教師登錄，打開“選用案例”，這里有每個(gè)案例的背景、問題、分析、拓展資料。選擇其中一個(gè)案例，打開“背景”，工程中涉及的傳動(dòng)軸很多，有的是一處齒輪嚙合，有的是多處齒輪嚙合。傳動(dòng)軸的受力較復(fù)雜，其變形屬于組合變形，有彎扭組合、拉彎扭組合等。抽象兩處直齒輪嚙合的力學(xué)模型，基本分析思路同前面，但由于是兩個(gè)方向的彎曲，危險(xiǎn)截面及危險(xiǎn)點(diǎn)的確定都較復(fù)雜，更需要逐個(gè)進(jìn)行分析來確定危險(xiǎn)點(diǎn)。教師先對(duì)彎扭組合變形進(jìn)行分析、擴(kuò)展強(qiáng)化，然后在課下，讓學(xué)生登錄材料力學(xué)案例庫平臺(tái)，打開“查看案例”，自行選擇案例進(jìn)行強(qiáng)度分析計(jì)算，學(xué)生在課下開展互動(dòng)交流研討。圖4是學(xué)生選擇的自己感興趣的案例：驕傲自滿的大力士[5]。

此案例選自“第六屆全國(guó)周培源大學(xué)生力學(xué)競(jìng)賽試題”，其難易程度適合用來研討，而且本題具有一定的趣味性。課下交流研討不限定時(shí)間和地點(diǎn)，但要求學(xué)生提交案例研討報(bào)告或PPT，最后的得分計(jì)入課終考核成績(jī)。

四、教學(xué)效果

課后，學(xué)生組成興趣小組，就教學(xué)平臺(tái)上創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)展開交流研討，并通過網(wǎng)上預(yù)約到實(shí)驗(yàn)室動(dòng)手操作體驗(yàn)，由此拓展知識(shí)面，培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力;學(xué)生還可以通過互動(dòng)平臺(tái)隨時(shí)與教師進(jìn)行溝通和交流。我們課下就教學(xué)效果對(duì)學(xué)生進(jìn)行了問卷調(diào)查，通過對(duì)調(diào)查結(jié)果的分析總結(jié)，發(fā)現(xiàn)本次信息化教學(xué)得到了學(xué)生的認(rèn)同。

首先，引入信息化教學(xué)培養(yǎng)了學(xué)生的自學(xué)能力，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。在開課前一周下達(dá)任務(wù)之后，學(xué)生積極查資料、搜集案例，遇到想不通的問題及時(shí)給教師打電話咨詢，利用晚自習(xí)和周末時(shí)間準(zhǔn)備資料準(zhǔn)備、深入思考。信息化教學(xué)真正激發(fā)了學(xué)生求知的熱情，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性，培養(yǎng)了學(xué)生的自學(xué)能力，讓學(xué)生真正做到了自主學(xué)習(xí)。

其次，通過信息化教學(xué)，還可以培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生將實(shí)際問題抽象為力學(xué)模型的能力，即力學(xué)建模的能力。創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，為學(xué)生以后走向工作崗位打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)還可以發(fā)現(xiàn)、培養(yǎng)尖子生，為以后大學(xué)生力學(xué)競(jìng)賽的選拔做準(zhǔn)備。

另外，信息化教學(xué)還鍛煉了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力。學(xué)生選擇案例進(jìn)行交流研討、興趣小組進(jìn)行創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，均重視思考過程，尤其重視學(xué)生之間的默契配合。從實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備到實(shí)驗(yàn)過程直至完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，各項(xiàng)工作都需要通過小組成員間的協(xié)作來完成。通過開展創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，教師能了解學(xué)生的優(yōu)缺點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生包容的心態(tài)，讓學(xué)生的弱點(diǎn)在團(tuán)隊(duì)合作中弱化，使合作更為順暢，效率更高，同時(shí)使學(xué)生思維的廣度和深度在這一過程中得到強(qiáng)化。

五、總結(jié)

信息化教學(xué)手段的使用、優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的引入，充分激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有效突破了教學(xué)中的重點(diǎn)難點(diǎn)，在一定程度上使學(xué)生掌握了學(xué)習(xí)方法，培養(yǎng)了學(xué)生的發(fā)散思維，提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。但信息化教學(xué)手段在實(shí)際應(yīng)用過程中也存在著一些不足。

首先，對(duì)于軍隊(duì)院校的學(xué)生來說，校園網(wǎng)是軍隊(duì)的局域網(wǎng)，沒法連接互聯(lián)網(wǎng)，加上部隊(duì)系統(tǒng)對(duì)學(xué)生使用手機(jī)也有限制，導(dǎo)致學(xué)生上網(wǎng)受到一定的限制，信息資源有限會(huì)影響信息化教學(xué)的效果。加上目前國(guó)家對(duì)信息化教學(xué)資源沒有建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各地的教育部門、各高校都推行自己的信息化建設(shè)，會(huì)造成資源浪費(fèi)，而軍隊(duì)院校的管理特點(diǎn)也使信息資源建設(shè)缺乏協(xié)調(diào)機(jī)制。

另外，在平時(shí)的教學(xué)環(huán)節(jié)中，教師只是把與書本相關(guān)的理論知識(shí)利用多媒體教學(xué)手段呈現(xiàn)給學(xué)生，卻往往忽略了企業(yè)或者是工程上實(shí)際的技術(shù)、知識(shí)和對(duì)人才的需求。只有將課堂中的知識(shí)與工程實(shí)際操作緊密結(jié)合，將工程實(shí)際中的資料案例在課堂中大量展示并讓學(xué)生學(xué)習(xí)，才能讓學(xué)生在畢業(yè)進(jìn)入企業(yè)之后實(shí)現(xiàn)零對(duì)接，更好地適應(yīng)工作崗位，為社會(huì)創(chuàng)造更大的效益。

總之，在高校進(jìn)行信息化教學(xué)時(shí)，應(yīng)抓住其主要矛盾，發(fā)揮其有利因素，將信息化與高等教育深度融合，促進(jìn)教育教學(xué)可持續(xù)發(fā)展;應(yīng)搭乘信息技術(shù)發(fā)展的快車，不斷更新教師信息化教學(xué)理念，營(yíng)造信息化教學(xué)環(huán)境，拓寬教師信息化教學(xué)能力的提升路徑，讓學(xué)生輕松地獲取學(xué)習(xí)內(nèi)容，在體驗(yàn)中獲得專業(yè)技能，最終實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)質(zhì)量的提升。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 劉露，沈玉鳳.基于信息化的材料力學(xué)混合式教學(xué)模式的實(shí)踐[J].大學(xué)教育，2008（1）：63-66.

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[3] 劉燦昌，剛憲約，云海，等.力學(xué)信息化網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)思考[J].大學(xué)教育，2019（6）：81-84.

[4] 李艷潔，趙東，趙秀麗，等.ANSYS軟件在“材料力學(xué)”教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)林業(yè)教育，2009（S1）：44-46.

[5] 高云峰，蔣桂平.全國(guó)周培源大學(xué)生力學(xué)競(jìng)賽賽題詳解及點(diǎn)評(píng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[責(zé)任編輯：陳 明]