材料力學課程課件制作的思考與實踐

董淑宏， 趙軍華， 于培師

(江南大學 機械工程學院，江蘇 無錫 214122)

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材料力學課程課件制作的思考與實踐

董淑宏， 趙軍華， 于培師

(江南大學 機械工程學院，江蘇 無錫 214122)

材料力學是許多高等院校工科專業學生的學科基礎課程，同時也是一門內容復雜且抽象的課程。為了提高學生學習的興趣，結合自身的教學經驗，經過不斷地思考與實踐，提出從優化教學內容、教學聯系實際以及開闊學生視野等方面入手進行材料力學課程課件的制作。注重總結生活中與材料力學密切相關的案例，以期達到提高材料力學教學效果的目的。

材料力學； 課件； 思考； 實踐

材料力學是許多高等院校工科學生必修的專業基礎課之一，也是學習后續課程以及解決實際工程問題的重要基礎課程[1]。相比其他基礎課程，材料力學課程概念龐多、內容復雜而抽象，這些因素導致這門課程較難以引起學生的興趣。因此，在傳統教學過程中，學生普遍感覺課程枯燥、難以掌握，而且存在作業完成情況較差且正確率不高的問題，教學效果很不理想。因此，如何合理組織教學內容，制定精良的教學課件，讓學生在一個活潑有趣的力學課堂中獲取專業知識、提高專業素養，是提高高校教學質量的前提，也是值得每一位力學授課教師探討的問題[2-3]。

目前，多媒體作為一種先進的教學手段受到了高校老師的普遍關注和重視。然而，要使多媒體教學手段能夠達到優于黑板教學的效果，必須制作合適的教學課件。很多教師圍繞力學課件制作開展了一系列工作，但仍需進一步展開思考與探討，將多媒體課件與材料力學課程進行深度結合，突出多媒體課件教學的特色[4]。筆者結合自身的教學實踐經驗，從材料力學課程的教學內容優化、教學聯系實際、開闊學生視野以及增強學生能力等核心環節出發，提出了一些系統的改進思路和措施，以此來達到制作優秀教學課件，吸引學生注意力，提高教學效果的目的。

1 優化教學內容，整合教學課件

材料力學的概念較多、理論性強且計算煩瑣，尤其是一些實驗現象的變化等較難僅僅通過語言來闡述。在教學過程中，除了采用傳統的板書外，還應采取多媒體課件和教學軟件為輔助的組合教學方式，來豐富和活躍課堂氣氛，提高力學課程的教學效果[5]。

根據教學內容，制作出形象、生動的多媒體課件，充分運用多媒體教學的圖片、動畫或視頻向學生充分展示和模擬一些力學現象和原理，增加學生的感性認識，同時這也能大大減少教師的板書時間。例如，在講解失穩問題時，可以播放一個震驚中外的因失穩引起的魁比克事故的簡短視頻,從而進一步分析這個事故中的失穩問題。這不僅能增加力學課堂的趣味性，更能讓學生理解抽象的力學原理和概念。

學校可以根據課程的需要，引入一些三維立體教學軟件系統來進行模擬工程實踐教學。教師使用多媒體課件進行授課，可以對學生進行圖文、聲像的仿真實境教學，通過三維仿真的實踐展示，讓學生在實驗室就可以置身其間進行模擬訓練。不僅可以大大增加課堂教學的信息量，還精簡了學時以及提高了教學質量。

目前材料力學教材大多是按照四種基本變形方式的思路來編著并展開具體內容。由于每種變形方式的研究方法及推導過程基本相似，這就導致教學內容重復多，教學技巧和方法毫無新意[5]。因此，教師在制作教學課件時，需要對教學內容進行全面整合，以材料力學的基本性能為主線，將各種變形問題有機結合，突出重點，強化基礎，根據各方面難度設計合理的課時，又避免內容的重復，提高教學效率。此外，在教案設計上，根據章節知識和教學內容的差異，靈活配合案例教學講解、啟發式教學以及動畫演示等多種教學方法運用，讓課程變得生動有趣,同時讓學生獲取更多的知識。

2 教學聯系實際，活躍課堂氣氛

在材料力學教學課件制作過程中，積極引入生活中與教學內容緊密相關的力學現象以及耳熟能詳的例子[6]，同時結合時下學生較關心的新聞事件，提高力學課堂的趣味性，吸引學生的注意力，活躍課堂氣氛；同時也可以讓學生能夠直接運用力學原理來解釋生活中的一些現象，加深對力學原理的理解和應用，更好地將所學基礎理論知識應用于工程實踐中[6]。

針對材料力學課本中具體的知識點，首先在課件中引入一些大家耳熟能詳的例子，提出問題，留下懸念，從而導入該章節的主要內容。例如，在講授第二章關于剪切的知識點時，通過引入電影“泰坦尼克號”的案例，分析歷史上真實的泰坦尼克號沉沒的主要原因。由于泰坦尼克號的鉚釘質量較差，其與冰山撞到一起時，冰山與船體相擦，巨大的剪切力破壞了船上鋼板之間的連接鉚釘，從而導致了這起震驚世界的悲劇。此外，制備桿件的超靜定問題的課件時， 引導學生回憶小時候常看的動畫片“兩個和尚抬水吃，三個和尚沒水吃”。三個和尚抬水就等于在兩根桿中間再添加一根桿，從而形成了壓桿的超靜定問題[6]，就可以自然地引出了該小節的內容。通過這種制作課件的方式，教師的講解將會更加生動有趣，同時也能引發學生思考，調動學生學習的好奇心和積極性，激發了學生對力學課程的興趣。其次,還可以在講解相關理論、知識點和基本概念點之后，在材料力學課件中通過一些案例，加強學生的理解和記憶，讓學生理解知識點的運用。比如，在剪力方程和彎矩方程、剪力圖和彎矩圖的課件中，可以采用介紹完基本步驟后，通過比較操場上的雙杠、碼頭或車間桁車以及臥式儲罐的支座的布置方式，如圖1所示。首先將雙杠和桁車簡化為承受集中載荷的簡支梁，而將臥式儲罐簡化為承受均布載荷的簡支梁。對比這兩種情況中支座放置于兩端以及距兩端一定長度時，梁所承受的彎矩的變化情況，可以從圖1中看出，當支座距梁的兩端一定長度情況中梁承受的最大彎矩顯著減小。通過上述對比，學生不僅可以清晰地理解彎矩方程的計算過程及畫法，還加強了對生活中常見現象的思考。

3 開闊學生視野，強化學習效果

高校教師在制作力學課程課件過程中，需要秉承科研與教學應緊密相結合的原則。課件中主體為力學基礎知識的同時，應把國內外力學方面的最新科研成果融入其中，引導學生初步形成科學研究的思維。課件中需要積極穿插一些Science、Nature及其子刊上關于力學的文章，并將其中心思想簡要介紹給學生。例如，軸向拉伸或壓縮時變形這一章節中定義了泊松比，ε′=-με,其中ε′和ε分別為橫向應變及軸向應變。負號表示桿件軸向伸長時橫向縮小，而軸向縮短時橫向增大。近期上海大學江進武教授及合作者發表于國際著名雜志《Nature Communications》中發現了二維材料黑磷具有純天然的負泊松比現象[7]，如圖2a所示。負泊松比材料是指在沿著某方向被拉伸時，在其他方向也發生膨脹。這與課本中的定義正好相反，因此可以引導學生沿不同思路思考問題。此外，在制作圓柱形密圈螺旋彈簧的應力和變形這一章課件時。課本中的思路是為了保持取出部分的平衡，要求橫截面上有一個與截面相切的內力系。這個內力系可以簡化為通過截面形心的剪力和力偶。然而不同于普通的密圈螺旋彈簧(如圖2b所示)，圖2c中給出的螺旋納米彈簧[8]的應力和變形分析中不僅要考慮上述內力系，研究還發現管壁之間的范德華相互作用在彈簧變形過程中起到了主導作用。這樣把學科前沿的知識傳遞給學生，科研為教學注入活力，激發了學生科研的興趣。

圖1 不同支座放置時梁承受彎矩的變化情況

(a) 二維材料黑磷[7]

(b) 圓柱形密圈螺旋彈簧

(c) 螺旋納米彈簧[8]

4 加強自主學習，增強學生能力

材料力學是一門應用性強的課程。教師在授課過程中，應始終注重調動學生自主學習的積極性。在教學形式上，除了基本的教師課堂講授外，還可以加入一些專題討論會的環節。根據課程教學內容，針對教材中缺乏研究前沿的討論主題，要求學生充分利用圖書館或互聯網資源，查閱最新資料，分組制作課件，鼓勵在課堂上講解并進行交流討論。此外，也可以選擇課程的某一章節，讓學生分組、分工來設計教學課件并講解理論知識，為學生創造一個活躍的、能主動參與的課堂環境，充分發揮學生自主學習的主動性和積極性。通過點評和總結學生課件的過程，教師也可以從學生的視野加深對材料力學更深層次的理解，也能有所收獲，最終實現教學相長。教師還可以通過創建網絡教學平臺，建立網絡資源庫，分享精心制作的課件。實現教學資源和知識的共享，促進教師與學生，以及學生與學生之間的互動交流和合作學習，也可以及時幫助學生解決學習中遇到的困難。

5 結語

多媒體課件的制作是一個不斷更新的過程，這需要教師不斷進行修改，提高教學效果。材料力學課件更需要根據課程教學內容及特點進行設計。本文從幾個方面入手，圍繞生活、工程中實際案例展開，豐富材料力學課件制作細節。首先在教學內容設計上，課件需要注重知識的銜接、融會貫通，突出解決問題的思路和方法。根據教學內容和學生特點，因材施教地設計課件，做到教學組織和形式上的創新。此外課件制作中應注重教學聯系實際，并通過與科研模式相結合，開闊學生視野，促進學生自主學習以及學生間的合作學習，最后達到學生創新學習的目的，以此模式制作課件來提高力學課程教學效果，最終實現能力強、寬口徑、厚基礎的培養目標，達到高校教育的目標。

[1] 張波.材料力學課程教學改革探索[J]. 甘肅科技, 2010, 26(24):171-172.

[2] 周敏, 潘玉山. 基于VB建立工程力學中三種梁的剪力和彎矩圖[J]. 無錫職業技術學院學報, 2003, 2(2): 28-32.

[3] 朱愛玉. 高職工程力學教學探索[J]. 無錫職業技術學院學報, 2007, 6(1): 70-71.

[4] 陳章耀. 材料力學課堂教學型多媒體課件的制作[J]. 科教文匯, 2011(1)：56-58.

[5] 陳云信.材料力學課程教學改革與實踐[J]. 江漢大學學報(自然科學版), 2014, 42(4): 40-44.

[6] 姜忠宇, 陳善群. 由“三個和尚沒水喝”引出的力學問題思考[J]. 浙江樹人大學學報, 2013, 13(3): 33-35.

[7] Jiang, Jin-Wu, Park, Harold S. Negative poisson’s ratio in single-layer black phosphorus [J]. Nature Communication, 2014, 5: 4727.

[8] Sudong Ben, Junhua Zhao, Timon Rabczuk. Does Hooke's law work in helical nanosprings? [J]. Physical Chemistry Chemical Physics, 2015, 17:20990-20997.

責任編輯 俞 林

Reflection and practice on making courseware of the course Mechanics of Material

DONGShuhong,ZHAOJunhua,YUPeishi

(School of Mechanical Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

Mechanics of material is not only the basic course for many engineering majors in colleges and universities, it is also a complex and abstract course. To improve the learning interest of students, the author summarizes the teaching experience and puts forward some ideas in the design of courseware from the aspects of optimizing the teaching content, teaching combined with practice and broadening vision of students through continuous exploration. In addition, the summary of the examples relating to the course in life has been emphasized in order to improve the teaching efficiency of mechanics of materials.

mechanics of materials; courseware; reflection; practice

2016-08-21

項目來源：江南大學本科教育教學改革研究項目(JG2015059)

董淑宏(1988— )，男，江蘇連云港人，講師，博士，研究方向：復合材料的力學行為。

10.13750/j.cnki.issn.1671-7880.2016.06.014

G 642.0

A

1671-7880(2016)06-0050-04