材料力學(xué)教學(xué)方法探究

摘? 要 針對(duì)材料力學(xué)教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，對(duì)材料力學(xué)教學(xué)方法進(jìn)行研究和探討。通過(guò)采用舉例教學(xué)法、現(xiàn)場(chǎng)演示法、有限元分析拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)法、單元測(cè)試練習(xí)法、混合式教學(xué)法等，有效提高課堂教學(xué)效率，提升學(xué)生的成績(jī)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)材料力學(xué)知識(shí)的掌握和理解，促進(jìn)材料力學(xué)課程教學(xué)改革。

關(guān)鍵詞 材料力學(xué);工科類專業(yè);混合式教學(xué);有限元分析

中圖分類號(hào)：G642.0? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）23-0123-02

1 前言

材料力學(xué)是工科類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，先修課程包括高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理和理論力學(xué)，后修課程包括機(jī)械設(shè)計(jì)、流體力學(xué)、有限元分析、畢業(yè)設(shè)計(jì)等。材料力學(xué)主要研究材料的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的問(wèn)題，運(yùn)用材料力學(xué)知識(shí)，還可以在相同強(qiáng)度條件下優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、減少材料用量，達(dá)到降低成本、減輕重量等目的[1-5]。材料力學(xué)的任務(wù)是在滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的要求下，以最經(jīng)濟(jì)的代價(jià)，為構(gòu)件確定合理的形狀和尺寸，選擇適宜的材料，而提供必要的理論基礎(chǔ)和計(jì)算方法。材料力學(xué)課程內(nèi)容繁多、公式多、抽象概念結(jié)論多，而高校不斷擴(kuò)招，學(xué)生進(jìn)入高校的門(mén)檻降低，部分學(xué)生基礎(chǔ)較差。為保證材料力學(xué)課程的完整性，滿足后續(xù)專業(yè)課的要求，必須在教學(xué)方法和手段上進(jìn)行改革。筆者根據(jù)所在高校學(xué)生的特點(diǎn)，對(duì)材料力學(xué)教學(xué)方法及手段進(jìn)行初步探討。

2 學(xué)情分析

目前，濱州學(xué)院材料力學(xué)開(kāi)設(shè)在第四學(xué)期，學(xué)生具有高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理和理論力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，但是有所遺忘。學(xué)生來(lái)自全國(guó)各地，基礎(chǔ)知識(shí)的掌握程度不同，接受能力也參差不齊，部分學(xué)生理解力較差。多數(shù)學(xué)生對(duì)公式推導(dǎo)不感興趣，厭煩填鴨式教學(xué)。還存在一部分學(xué)生平時(shí)不學(xué)、考前突擊的現(xiàn)象。

3 教學(xué)方法和手段

目前，多數(shù)高校材料力學(xué)教學(xué)采用講授法，是教師運(yùn)用口頭語(yǔ)言進(jìn)行教學(xué)的一種方法。針對(duì)濱州學(xué)院材料力學(xué)教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，筆者主要采用舉例教學(xué)法、現(xiàn)場(chǎng)演示法、有限元分析拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)法、練習(xí)法等。

舉例教學(xué)法? 對(duì)于抽象的知識(shí)，翻來(lái)覆去講不明白，既耽誤了學(xué)時(shí)，又會(huì)挫傷學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。課堂教學(xué)過(guò)程中舉例子，能使抽象的概念具體化，復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化。如果能在教學(xué)過(guò)程中積極有效地運(yùn)用舉例教學(xué)法，能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，讓學(xué)生輕松掌握所學(xué)知識(shí)。好的例子勝過(guò)千言萬(wàn)語(yǔ)，所以舉例子要貼近學(xué)生的實(shí)際生活，符合學(xué)生的認(rèn)知水平和心理特點(diǎn)，以引起學(xué)生的共鳴。如在講各向同性材料和各向異性材料時(shí)，可以把劈木材作為例子進(jìn)行講解，該例子貼近現(xiàn)實(shí)生活，學(xué)生更容易理解。

現(xiàn)場(chǎng)演示法? 筆者在教學(xué)過(guò)程中，經(jīng)常把各種實(shí)物帶入課堂，讓學(xué)生通過(guò)觀察獲得感性認(rèn)識(shí)。如被拉斷的低碳鋼試件，讓學(xué)生觀察斷口的形狀，可以更進(jìn)一步地認(rèn)識(shí)縮頸現(xiàn)象，如圖1所示。被壓縮破壞的鑄鐵試件，如圖2所示，讓學(xué)生觀察破壞斷面與軸線的傾角。把實(shí)物帶入課堂，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)材料力學(xué)課程的興趣，學(xué)生更容易理解和掌握所學(xué)知識(shí)。

另外，筆者在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中也會(huì)充分利用教室里與材料力學(xué)有關(guān)的實(shí)物。以材料力學(xué)的基本變形為例，為了引導(dǎo)學(xué)生善于思考，課堂設(shè)計(jì)以一支粉筆的破壞為例，向?qū)W生進(jìn)行提問(wèn)：你如何對(duì)粉筆進(jìn)行破壞？學(xué)生的答案是多種多樣的，最后引出四種基本變形，即拉伸（壓縮）、剪切、扭轉(zhuǎn)和彎曲，并讓學(xué)生在課堂上進(jìn)行破壞粉筆的演示實(shí)驗(yàn)。此方法不僅活躍了課堂氣氛，而且使學(xué)生對(duì)四種基本變形印象更加深刻。

有限元分析拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)法? 將有限元分析引入材料力學(xué)教學(xué)是一種創(chuàng)新的教學(xué)方法[6]。材料力學(xué)抽象的概念和結(jié)論多，多數(shù)學(xué)生對(duì)公式推導(dǎo)不感興趣，在學(xué)習(xí)過(guò)程中容易形成生搬硬套、死記硬背的習(xí)慣[7-8]。利用有限元法將材料力學(xué)中的抽象概念和結(jié)論以圖形的形式展示給學(xué)生，方便學(xué)生理解。教師在上課過(guò)程中，可以利用有限元分析軟件ANSYS現(xiàn)場(chǎng)演示構(gòu)件的約束情況、建模過(guò)程及受力情況，并獲得最終的變形、應(yīng)變和應(yīng)力圖等，生動(dòng)且形象地展示給學(xué)生。圖3為筆者利用ANSYS對(duì)發(fā)生彎曲變形矩形截面梁進(jìn)行有限元分析，獲得的梁的等效應(yīng)力圖。從等效應(yīng)力圖上可以看出，梁的最大應(yīng)力發(fā)生在梁的最上面和最下面，即離中性軸最遠(yuǎn)的位置[9-10]，符合彎曲變形時(shí)橫截面的應(yīng)力分布規(guī)律。

單元測(cè)試練習(xí)法? 目前，高等院校存在一個(gè)普遍問(wèn)題，即多數(shù)學(xué)生平時(shí)不學(xué)，考前突擊。筆者在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，增加章節(jié)單元測(cè)試和課前練習(xí)。為了獲得更好的教學(xué)效果，筆者鼓勵(lì)學(xué)生提前半小時(shí)進(jìn)入教室，完成布置的課前練習(xí)和單元測(cè)試，并把相關(guān)成績(jī)計(jì)入期末考試成績(jī)中。

混合式教學(xué)? 材料力學(xué)是一門(mén)探索工程構(gòu)件承載能力和設(shè)計(jì)方法的課程，定量研究構(gòu)件內(nèi)部在各類變形形式下的力學(xué)規(guī)律，以便于選擇適當(dāng)?shù)牟牧希_定恰當(dāng)?shù)男螤畛叽纭２牧狭W(xué)課程內(nèi)容多、公式多，且公式推導(dǎo)過(guò)程煩瑣，但課時(shí)是有限的，教師不可能花太多的時(shí)間用于講解公式推導(dǎo)和基礎(chǔ)知識(shí)，又要保證學(xué)生掌握一定的基礎(chǔ)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和工程素養(yǎng)。混合式教學(xué)很好地解決了這一矛盾。混合式教學(xué)打破了傳統(tǒng)的教學(xué)手段，開(kāi)展互動(dòng)教學(xué)、問(wèn)題教學(xué)、討論教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)等多種教學(xué)手段和方法的實(shí)踐，教學(xué)過(guò)程由學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生主動(dòng)獲取知識(shí)。

4 教學(xué)應(yīng)用

每學(xué)期期末考試這段時(shí)間，學(xué)校沒(méi)有安排任何課程，但對(duì)于有些大學(xué)生來(lái)說(shuō)，沒(méi)課的時(shí)候卻遠(yuǎn)比上課的時(shí)候繁忙，他們紛紛開(kāi)啟“學(xué)霸模式”，突擊復(fù)習(xí)應(yīng)付考試。雖然學(xué)生有選擇學(xué)習(xí)方式的自由，但考前“突擊”的學(xué)習(xí)模式已成為導(dǎo)致大學(xué)生競(jìng)爭(zhēng)力不足的重要原因。要減少考前突擊現(xiàn)象，從教師和學(xué)校層面來(lái)說(shuō)，需要重視學(xué)生的過(guò)程性評(píng)價(jià)、過(guò)程質(zhì)量管理，不能平時(shí)不加以考查，只是一次期末考試定終身。

筆者為了減少考前突擊現(xiàn)象，對(duì)材料力學(xué)的重點(diǎn)章節(jié)增加單元測(cè)試。單元測(cè)試盡量安排在課前30分鐘，若課前時(shí)間不允許，則安排其他時(shí)間進(jìn)行。學(xué)生獲得的單元測(cè)試成績(jī)計(jì)入學(xué)期末的總評(píng)成績(jī)，占期末總評(píng)成績(jī)的20%。

經(jīng)過(guò)幾年的摸索實(shí)踐，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)材料力學(xué)課程的積極性有很大提高，而且可以根據(jù)學(xué)生單元測(cè)試的反饋情況隨時(shí)調(diào)整教學(xué)計(jì)劃，改進(jìn)教學(xué)方法。

5 教學(xué)效果

經(jīng)過(guò)近幾年對(duì)教學(xué)的不斷探索，筆者所授班級(jí)材料力學(xué)卷面成績(jī)有了明顯提高。筆者統(tǒng)計(jì)了近五年材料力學(xué)卷面成績(jī)的平均分和及格率，如圖4所示。

6 結(jié)語(yǔ)

材料力學(xué)是一門(mén)重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，與機(jī)械、土建、航空、交通水利等工程密切相關(guān)，在基礎(chǔ)課和專業(yè)課之間起著橋梁作用。筆者在教學(xué)過(guò)程中通過(guò)采用多種教學(xué)方法和手段，使學(xué)生的卷面平均成績(jī)和及格率有了明顯提高;同時(shí)提高了課堂教學(xué)效率，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)材料力學(xué)知識(shí)的理解和掌握，促進(jìn)了材料力學(xué)課程教學(xué)改革。

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“虛擬仿真技術(shù)在機(jī)械類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究”（項(xiàng)目編號(hào)：BZXYSYXM201717）。

作者：王國(guó)明，濱州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，講師，主講課程材料力學(xué)（256600）。