材料力學案例教學的實踐與研究

趙春香　于月民　蓋芳芳

[摘 要]材料力學是一門專業技術基礎課。針對土木工程專業學生開設的材料力學課程的教學特點和教學環境，充分利用教室中的投影儀吊桿、桌椅與地面的連接件及梁柱等，在教學中進行了就地取材式案例教學的實踐與研究，改變了傳統教學中教師單一的主體地位和教材多年的固定化模式，為培養學生樹立工程意識和解決工程實際問題的能力進行了有益的嘗試。

[關鍵詞]材料力學 就地取材 案例教學

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2015）10-0148-02

材料力學是一門專業技術基礎課，它是在人們運用材料進行建筑、機械等工業生產過程中，對材料的實際承受能力和內部變化進行研究而形成的，是研究材料在各種外力作用下產生的強度、剛度、穩定性及各種材料破壞的極限，是所有工科學生必修的學科，從而實現滿足構件承載能力的同時，可以減少材料用量，優化結構設計，以達到降低成本、減輕重量等目的。[1]然而由于目前教學中多數都是直接就力學計算模型進行講解，這對缺少工程實踐背景的學生來說，還是較難理解力學基本概念的。而案例教學通過提供一個真實的或模擬的具體情景，有選擇地把問題呈現出來，讓學生置身于該情景之中，在教師的組織下，通過對案例的閱讀、思考、分析、討論和交流，開發學生發現、分析和解決實際問題的能力。[2]然而，成功案例教學的前提是案例的選擇要滿足適用性與合理性的要求。從學生的角度看，案例必須與學生有較高的相關度，即案例所描述的情景應該是學生可以根據自己的知識背景、經驗乃至想象力而置身其中的。從教師的角度看，案例能否達成特定教學目標，案例難度能否控制在教學能力所及范圍之內，案例是否與案例討論的時間安排以及物質方面的設施相適應，是教師選擇案例時必須要考慮的因素。因此，我們在材料力學課程教學中進行了就地取材式案例教學的實踐與研究，旨在改變傳統教學中教師單一的主體地位和教材多年一貫的固定化模式，適應學習者建構知識、接受知識的內在認識秩序，增強和發揮學生自身主體性的客觀規律，從而達到提高學生科學思維能力和創新實踐能力以及培養學生樹立工程意識和解決工程實際問題的能力的教學目的。

下面以土木工程專業學生開設的材料力學課程的基本變形為例，介紹材料力學就地取材式案例教學的具體教學情況。

一、材料力學案例教學的實施

（一）以“軸向拉伸和壓縮變形”教學內容開展案例教學

改變傳統的對力學計算模型進行受力和變形分析的方法，而是以教室中的投影儀設備安裝為例，讓學生代表校方安裝負責人的身份進入角色。如：學校要在原有建筑的教室中安裝投影儀設備需要考慮哪些問題？若在新增投影儀設備自重作用時，原有教室承重結構仍能保障安全的前提下，該考慮什么問題？在投影儀設備型號、自重等已知條件下如何選擇投影儀吊桿？選擇投影儀吊桿要考慮哪些因素，選擇什么材料？吊桿截面形式和截面尺寸如何確定？

帶著這些讓學生感覺無從下手又必須解決的現實問題，開始進行吊桿的受力分析和變形分析，然后在學生已學的圖學基礎上，再進行立面投影，從而抽象出教材上的力學模型；然后借助多媒體現代化教學手段，引申出工程實際中的吊車繩索、斜拉橋的斜拉桿、千斤頂、活塞桿等工程實際問題中具有同樣受力特點和變形特點的這一類變形，統稱為軸向拉伸和壓縮變形。這樣不僅讓學生理解了軸向拉伸和壓縮變形的基本概念，而且還培養了學生對具體工程問題如何進行受力分析和變形分析的力學思維，樹立了學生工程意識和解決工程問題的能力。

在受力分析和變形分析基礎上，再就如何選擇吊桿材料屬性等引出軸向拉伸和壓縮試驗的必要性和具體試驗方法等。在確定了吊桿選材后，再就如何確定截面形狀和截面尺寸及橫截面面積大小和桿長短的影響引出研究內力、應力和應變等概念及其強度、剛度條件公式推導等。然后在學生自己應用強度、剛度條件選取材料和確定截面形狀和截面尺寸后，由學生總結發生軸向拉伸和壓縮變形這類工程問題的研究方法和考慮的影響因素等。這不僅理論聯系實際，增加了學生學習材料力學的興趣，也使學生的學習能力和解決工程問題的能力得到了顯著的提升，而且這種從學生到工程負責人角色的轉變，使其責任感和使命感得到了升華，真正實現了材料力學教學的目的。

（二）以“剪切和擠壓變形”教學內容開展案例教學

提前預留作業，請學生分組討論課桌與地面之間連接件螺栓主要的受力特點和變形特點，并討論：螺栓必須滿足什么條件，才能保障課桌的正常使用？舉例說明具有這類受力特點和變形特點的連接件還有哪些？這些連接件通常用在哪些地方？

課堂上先由各組學生選出代表發表自己組的觀點和考慮的因素等，然后由老師來總結并分析課桌與地面之間連接件螺栓受力特點和變形特點，及為什么考慮主要變形是剪切擠壓因素而忽略了彎曲變形等次要因素；再借助多媒體現代化教學手段舉出小到生活上用的剪刀，大到工程上用的截筋機、剪板機、汽車輪軸的鏈接以及土木施工腳手架、機械零件的連接，“泰坦尼克號”等船舶、車輛，航空航天的飛機、宇宙飛船等都離不開小小的螺栓、鉚釘和鍵等連接件。

在明確了連接件螺栓主要的受力特點和變形特點基礎上，用類比法建立與軸向拉伸和壓縮強度條件相似的剪切擠壓強度條件，再由每個學生自己假設自己推桌子的用力大小具體來選取課桌地腳螺栓的直徑，最后由學生一起來確定工程上選擇的螺栓直徑應該取所有同學計算螺栓直徑中的最大值。

這樣的就地取材的案例式教學不僅僅是學習了剪切擠壓的實用計算強度條件，更讓學生逐步感覺自己儼然是參與到設計團隊中，增強了學生學習和未來工作的信心，開拓了學生的思路和見識，對以后分析問題時如何抓住主要因素和如何設計等起到了促進作用。

同理，以學生擰瓶裝礦泉水瓶蓋、洗衣服時擰衣服等體驗和教室內的梁，學生的書、本、筆，講臺的粉筆盒、黑板擦等為案例素材，對扭轉變形和彎曲變形進行案例教學，對學生們理解基本概念，掌握其實質內容及熟練應用所學解決具體工程問題，都奠定了堅實的基礎。

二、案例教學實施的策略與評價

案例教學這種教學模式在激發學生學習興趣，增強學生自主學習，促進學生溝通交流合作，樹立學生工程意識和分析解決問題能力等方面的作用不言而喻。但在案例教學過程中還應注重以下幾方面。

（一）案例選擇遵循的原則

在課堂教學過程中，案例的選擇要適應教學目標的需要，適應學生現有的發展水平。因此，選擇案例時應遵循案例選材的真實典型性、科學完整性、積極教育性、信息適量性等基本原則，這也是成功案例教學的前提要求。[3]

（二）案例教學實施步驟

在案例教學實施過程中，應事先做好充分的課前準備工作，加強案例教學實施過程的課堂管理，注重案例講評與總結。其具體實施開展案例教學主要包括：1.教師課前選取合理適用的案例，設計分組討論方案，預留預習教材相關內容和案例分析的課前作業；2.學生課前預習教材相關內容和分組討論分析案例，在認真閱讀案例，充分理解案例所描述的事實和細節及反復思考討論的基礎上，以報告的形式形成自己的見解和解決問題的方案；3.課上，在精心設計基礎上，教師緊緊圍繞教學內容和教學目標展開具有啟發性和目的性的案例討論分析，使學生在積極參與討論和思考過程中，都能成為自主學習的主體；4.通過引導學生進行歸納概括，使學生分析問題的思維得到進一步升華的同時，增強自己解決問題的信心；5.為了充分調動學生參與的積極性和提高案例教學的教學效果，還應注重過程管理，在引導學生積極參與的狀況下，還應對具有獨到新穎見解的學生給予平時成績加分等獎勵。

三、結語

針對材料力學課程傳統的教學特點和目前學生缺乏工程實踐背景的狀況，將案例教學特點與土木工程專業特點相結合，在材料力學課程教學中進行了就地取材式案例教學的實踐與研究，改變了傳統的教學方式和教學方法，增強和發揮了學生的主體作用，激發了學生的學習興趣，提高了學生的科學思維能力，培養了學生工程分析和解決工程實際問題的能力，使學生對今后專業課程的學習及未來工作崗位上解決工程實際問題充滿了信心，為土木工程專業開設的材料力學課程的課堂教學改革進行了有益的探索。

[ 注 釋 ]

[1] 孫立紅，劉寶良.培養工程能力，深化材料力學教學改革[J].東北農業大學學報（社會科學版），2011（5）.

[2] 陳福松.案例教學與創新型人才培養[J].揚州大學學報（高教研究版），2009（5）.

[3] 經柏龍，羅巖.論案例教學及其運用[J].沈陽師范大學學報（社會科學版），2006（1）.

[責任編輯：鐘 嵐]