論新形勢下高校《材料力學》教學改革論文
《材料力學》是高校機械、能源動力、土木、材料等工科類專業的一門重要的專業基礎課，課程的特點是理論性較強，同時又與工程實際聯系緊密。它的任務是在保證構件既滿足強度、剛度和穩定性要求又經濟合理的前提下，研究構件在外力作用下的變形和破壞規律，為構件的合理設計提供基本理論和計算方法。《材料力學》對培養學生的力學思維能力和應用實踐能力非常重要，同時也為學生學習許多后續課程如《機械設計》、《彈性力學》、《流體力學》等提供必要的基礎。
隨著高校專業改革的不斷深入，一方面本課程的學時數逐漸減少，許多專業的教學時數縮減為48學時，而另一方面為了適應現代工程技術發展的需要，課程的教學要求卻又有所提高。因此，為了在減少學時的情況下達到相同的教學效果，本課程的教學內容和教學模式也需要與時俱進。本文依照課程教學內容服從專業培養目標、課程教學方法服務于課程教學內容、素質教育貫穿于整個教學過程的原則，以培養學生的創新意識和分析解決工程實際問題的能力為目的，針對新形勢下《材料力學》課程的教學內容和教學模式進行了一些研究與探索。
一、教學內容改革
《材料力學》課程教學大綱規定的基本教學內容主要包括：桿件的四種基本變形(軸向拉伸及壓縮、剪切、扭轉和彎曲)、應力狀態與強度理論、組合變形及壓桿的穩定性分析等內容，這些內容也是各專業教學大綱的基本要求。由于課程與工程實際問題聯系緊密，因此，按照課程教學內容服從專業培養目標的要求，對于不同的專業還應適當加入新的針對專業實際需求的內容，以使《材料力學》這一課程更好地與專業工程實際相適應。例如，對機械專業，應增加構件的疲勞與斷裂等內容，同時可適當加入結構可靠性設計及優化設計等部分內容，使學生在學習過程中能體會到本課程與現代設計方法的有機結合，增強他們運用基本理論解決工程實際問題的能力;對能源與動力工程專業，應增加熱應力和薄壁容器的設計與壽命預測等內容，以更好地分析解決工程實際問題;對材料專業，可增加復合材料力學性能知識，使學生接觸到完整的材料學性能的知識。在基本教學內容的基礎上增加符合各專業實際需求的內容，構成了適合于不同專業需求的教學內容體系，這些改革措施不僅可以激發學生對于本課程的學習興趣，而且面向各專業實際工程應用的內容也能夠提高他們運用基本理論解決工程實際問題的能力。
二、教學方法與手段的改革
(一)引導式教學法
引導式教學就是針對每一部分教學內容，先在黑板上列出本部分內容的研究思路和步驟，然后提示學生按此思路進行有針對性的自學，然后再由教師進行講解。如基本變形問題的研究思路通常是：觀察變形規律，提出變形假設;建立變形幾何方程(協調方程);建立物理方程(本構方程);空間靜力學平衡方程。在講述扭轉變形時，通過扭轉變形平截面假設及扭轉變形動畫，在黑板上列出扭轉變形問題的研究思路，并給出適當提示，然后讓學生仿照軸向拉壓桿件橫截面上點的正應力的推導方法，從圓軸中沿軸線方向截取出一微段，根據扭轉變形的平截面假設，變形幾何關系、物理關系和靜力關系的順序去推導扭轉變形時橫截面上的切應力表達式，再由微段的相對扭轉角的表達式自己推導出兩端受扭的圓軸左右端截面相對扭轉角的表達式，從而得出扭轉變形時橫截面上的切應力分布規律，并讓學生自己思考受扭合理截面的設計規律，進而使學生深入理解工程上受扭圓軸通常做成空心截面軸的原因。類似地，在講述純彎曲梁橫截面上點的正應力時，也引導學生按照基本變形問題的研究思路，仿照軸向拉壓變形桿件橫截面上點的正應力表達式及圓軸扭轉時橫截面上點的切應力表達式的推導方法，自己去嘗試推導純彎曲梁橫截面上點的正應力表達式。在講述各種基本變形問題時采用引導式教學法，既可以讓學生得到力學思維和推理能力的訓練，克服對于理論學習的恐懼，體驗到推導理論公式的成就感，從而提高其自學能力和分析解決工程實際問題的能力，同時又可以避免教師在課堂上花了大量時間去推導理論公式而學生卻難以理解導致課堂教學效果較差的問題。
(二)工程實例教學法
《材料力學》與工程實際聯系緊密，可以這樣認為，《材料力學》的研究就是針對解決工程問題而展開的，因此在課堂教學中，針對每一部分理論都應講清楚其工程應用，以提高學生的工程認知和應用實踐能力。這些工程實例可以是具體的工程問題，也可以是身邊的力學實例。在講述梁的危險截面時，舉了一個身邊的實例讓學生自己分析：拿一根細木棍，一邊放在講臺上，另一端用手向下壓，當用力較大時，此時細木棍會在與講臺的支承處斷裂，此時向學生提問，為什么是細木棍在講臺的支承處發生折斷，而不是在其他位置，然后讓學生自己分析原因。他們通過自己分析，發現細木棍在講臺支承處截面上的彎矩最大，是危險截面，細木棍正應力的最大值就出現在講臺支承處的截面上，因此，細木棍破壞時必然在講臺支承處先發生破壞，從而明白了對于等截面梁如何確定梁的危險截面的問題。其實，在我們的身邊，在日常生活中，隨時都有大量的實際問題和工程問題可以結合研究。如針對車間里的吊車橋架，可以討論如何利用現有吊車使其能夠吊起重量更大的物體的問題;講授圓軸的扭轉變形和梁的彎曲變形時橫截面上的切應力和正應力分布特征時，可結合討論人體、動物骨骼的結構特征，如都是空心管狀結構，即既能滿足生存需要，又減輕了自重，是大自然進化的一個杰作。還有向冷玻璃杯內倒進開水，杯子破裂的應力、應變分析;煙囪或電線桿倒地斷裂后，斷裂部位的力學分析;大自然賦予樹木的美好造型，如形成合理的圓形截面，上細下粗的樹身，能夠抵御不同方向的風力引起的彎曲內力和變形，等等。這些身邊的力學問題實際的工程實例，首先培養了學生的學習興趣，然后引導他們逐步利用所學知識去分析問題，建立問題的力學模型，進而利用現有知識嘗試解決相關問題。這些工程實例的引入，對于培養學生分析和解決實際問題的能力的作用是顯而易見的。
(三)類比法教學
在教學過程中經常采用“類比法”進行教學，可以引導學生分析前后所學內容的相互聯系與區別，加深其對于所學知識的理解和掌握水平。如在講述純彎曲梁橫載面上點的正應力公式時，讓學生將純彎曲梁的正應力公式與軸向拉壓桿件橫截面上點的正應力和圓軸扭轉時橫截面上點的切應力公式進行對比，讓學生理解和體會這些公式之間的聯系與區別。在講述平面應力狀態任意斜截面上的應力及主應力和主平面的方位時，將其與平面圖形的轉軸公式及主慣性矩和主慣性軸的方位進行對比分析，使學生更好地理解兩者之間的相似性。在講述桿件的彈性應變能計算時，將軸向拉壓桿、扭轉圓軸、彎曲梁的微段的變形能和整個桿件的變形能放在一起進行對比分析，使學生更好地理解這三種基本變形時桿件應變能的計算方法。類比是探索解決問題與發現新結果的一種有效的思維方法，教學中通過精心設計，因勢利導，將問題進行橫向的拓寬和縱向的深入，可以有效加強學生歸納分析能力的培養。
(四)適當將數值分析解法引入教學
《材料力學》的研究方法除了理論分析和實驗研究之外，還有一種重要的研究方法即數值分析方法。在解決工程實際問題時，本課程基本理論一般只能解決桿件的強度與變形問題，而實際的工程構件卻是各種各樣的，其中有大量的不能簡化為桿件的構件，要解決此類構件的強度和變形問題，則只能采用數值分析方法。為此，在教學過程中，在講述主要內容時，適當將數值分析方法主要是有限元單元法引入教學，讓學生了解有限元軟件Ansys的應用方法，并將本課程基本理論所得的解與有限元法所得到的解進行對比分析，使學生理解本課程基本理論的應用范圍和精度問題，更好地提高其分析和解決工程實際問題的能力。
(五)多媒體教學
多媒體教學在課堂教學中發揮了重要的作用，主要體現在以下兩個方面。
1.多媒體課件里面包含了大量的動畫，如桿件的軸向拉壓變形、圓軸的扭轉變形、梁的彎曲變形及壓桿的穩定性等都加入了大量的動畫，使學生能夠接觸到大量的形象生動的內容，既激發了他們的學習興趣，又使他們能夠對于所學內容有更直觀的感受，較大程度地提高了課堂教學效果。
2.多媒體教學有利于讓學生在有限的時間內接觸到更多的信息量。在教學過程中，有相當多的理論推導內容及例題包括了大量的受力分析圖及內力圖，這些內容如果僅靠傳統的板書教學，雖然學生的印象會更深刻一些，但無疑會花費大量的時間，在本課程學時被壓縮的情況下，課堂所能傳授的內容數量必定也會大大受限，而采用多媒體教學則可以較好地解決這一問題。
(六)小論文式的大作業
在教學過程中，針對主要內容布置一些大作業，選題范圍主要是一些相關的工程實際問題，也可以讓學生自行選題，要求他們建立工程實際問題的力學模型，并按照《材料力學》的分析思路選用合適的方法進行求解。如在講授軸向拉伸及壓縮這部分內容時，向學生布置了起重機鋼絲繩的強度問題、拖拽電梯轎廂的鋼絲繩的強度問題及液壓缸活塞桿的強度問題等工程實際問題，要求學生以小組形式選擇其中一個選題，通過調查工程實際中的機械和運行工況，建立其力學分析模型，并利用基本理論進行求解，最后按照一般科技論文的格式完成一篇簡單的小論文。學生的選題除了教師規定的選題外，還有相當一部分是自己去調查的工程實例，而且他們解決問題的方法除了用本課程的基本理論外，還有少部分學生采用的是數值方法，采用Ansys有限元軟件建立問題的分析模型、劃分網格并加載求解。由此可見，在課程教學中鼓勵、指導學生進行小論文式的大作業的訓練，可以更好地發揮其學習的自覺性和創造性，也使得學生力學建模的能力和分析解決工程實際問題的能力得以提高，是一種非常有效的研究型教學方法。當然，在實施過程中應把握好大作業的數量，以每個學生參與或獨立完成1～2篇大作業即可，否則對學生而言工作量太大會影響其他課程的學習。
三、更新實驗內容，實施開放式實驗教學
實驗教學內容既要服務于課程教學目標，同時也要緊跟工程實踐要求，著重培養學生分析和解決工程實際問題的能力。為此，我們對實驗內容進行適當改進，在保留了一些傳統實驗內容同時，也積極開設了一些綜合性、設計性和創新性的實驗項目。更新后的實驗內容分為三個部分：第一部分為基本實驗，主要包括基本力學性能實驗(拉伸、壓縮、扭轉、沖擊)和電測實驗(純彎曲狀態下正應力、等強度梁實驗等)，第二部分為綜合設計性實驗(彎扭組合實驗、偏心拉伸實驗)，第三部分為綜合創新性實驗(疊合鋼板梁和桁架應力綜合分析實驗)。基本實驗和綜合設計性實驗以課程基本知識為載體，以基本知識和動手能力訓練為重點，為必開實驗。綜合創新性的實驗，以培養學生的設計能力、分析和解決工程實際問題的能力為目的，學生可以選做自己感興趣的實驗項目。
實驗教學實施開放式、自主式教學，學生可以在實驗室開放期間任何時間來做實驗，由學生根據實驗的要求自行制訂實驗方案，并獨立完成整個實驗，從而使自己動手能力和實踐能力得到加強。教師在實驗結束后，對實驗結果進行總結，指出實驗過程中存在的一些不足，同學生進行討論。這樣，可以幫助學生發現問題，使他們掌握處理問題的技巧，從而更好地激發和培養他們的探索精神和創新能力。
四、學習成績評定方式改革
學習成績評定方式應兼顧到學生的整個學習過程，應改變傳統的只依據期末考試成績的評定方法，建立貫穿于整個教學過程的新的評定方法，從整體上評價學生的學習情況，以保證素質教育貫穿于整個教學過程的落實。為此，將學期總評成績分成三部分：一是學習過程性考核成績，即平時成績，包括上課出勤、平時作業、大作業成績等，占總成績的30%，其中上課出勤占10%，平時作業占10%，大作業占10%;二是實驗考核成績，占總成績的1O%;三是閉卷考試成績，考試以考核學生基本概念、基本計算能力為主，限時完成，占總成績的60%，閉卷考試能反映學生理論知識的掌握與應用情況，具有較強的客觀性。此評價體系能有效監控學生的整個學習過程，杜絕學生通過考前突擊得高分的情況，確保素質教育貫穿于整個教學過程。
五、結論
《材料力學》教學的主要目的就是讓學生更好地掌握本課程的學習方法和建立力學模型的方法，并學會用力學思維去分析和解決工程實際問題。近幾年的教學實踐表明：本文在教學內容、教學方法與手段、實驗教學及成績評定方式等方面進行的研究與探索，在提高教學效果方面顯示了較好的作用。針對不同專業增加的內容能夠更好地適應專業需要，各種教學方法與手段的采用能夠提高學生的學習興趣、增強學生學習主動性和培養學生用力學思維去分析解決工程實際問題的能力，更新的實驗教學內容和開放式實驗教學能夠加強學生動手能力和實踐能力的培養，改進后的成績評定方式能夠有效監控學生的整個學習過程，保證了素質教育貫穿于整個教學過程。
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