淺談普通二本高等院校材料力學(xué)的教學(xué)改革

翟城+孔祥清+曲艷東+章文嬌

摘 要：材料力學(xué)工程背景強、理論抽象、公式繁多，導(dǎo)致學(xué)生對這門課學(xué)習(xí)吃力，進而降低了學(xué)習(xí)積極性。結(jié)合普通二本院校的學(xué)生學(xué)習(xí)現(xiàn)狀，本文將探討新形勢下材料力學(xué)教學(xué)的新模式。即如何能夠在授課過程中做到學(xué)以致用，理論聯(lián)系實際，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及創(chuàng)新和解決實際問題的能力。

關(guān)鍵詞：材料力學(xué)；教學(xué)改革；工程實例；力學(xué)實驗

材料力學(xué)是工科類高等院校教學(xué)的重要基礎(chǔ)性課程。該課程的主要任務(wù)是讓學(xué)生具備合格的材料力學(xué)知識和理論，并利用相關(guān)理論去解決實際工程問題。其課程內(nèi)容中，概念與公式的數(shù)量較多，并且計算量較大，應(yīng)用性很強，在學(xué)習(xí)的過程中，大部分學(xué)生尤其是一些普通二本院校的學(xué)生會有一種力不從心的感覺。與此同時，隨著教學(xué)改革的不斷深入，材料力學(xué)的基礎(chǔ)教學(xué)課程的課時逐漸減少，教師在面臨新的教學(xué)需求時，需要提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，讓學(xué)生在較短的學(xué)時內(nèi)掌握更多的基礎(chǔ)課程知識，并且可以將理論知識靈活運用到工程實際中去。針對以上這些問題，本文結(jié)合筆者近幾年的教學(xué)經(jīng)驗，對普通二本院校工科專業(yè)的材料力學(xué)的教學(xué)改革在理論聯(lián)系實際以及引進先進科學(xué)計算技術(shù)和手段等方面進行了探討。

一、理論聯(lián)系實際，改變教學(xué)模式

材料力學(xué)授課內(nèi)容涉及到大量的來源于工程實際的力學(xué)模型。但目前教科書中很多力學(xué)模型相對于普通二本院校的學(xué)生而言比較陌生，因此他們感到很抽象。此前授課過程中，多數(shù)教師只注重基本概念和理論的講解，學(xué)生學(xué)習(xí)起來會感覺枯燥無味而失去興趣，從而無法積極地掌握本課程的知識，也達不到預(yù)期的教學(xué)效果。針對上述情況，必須著眼于將力學(xué)知識講活，采取靈活多變的授課方式。例如：在課堂上充分利用多媒體課件輔助課堂講授內(nèi)容就是一種行之有效的手段。通過多媒體中真實的圖片和動畫，可以向?qū)W生形象地展示涉及到的力學(xué)模型的工程應(yīng)用背景和工作原理。如扭轉(zhuǎn)變形中，我們常見的轎車底盤中的傳動軸就是一個典型的扭轉(zhuǎn)變形桿件。教師可以通過PPT動畫演示馬自達轎車底盤傳動軸工作過程中的實際變形，從而讓學(xué)生直觀形象地看到扭轉(zhuǎn)變形的實際情形。通過理論聯(lián)系工程實際，可以使學(xué)生了解這些力學(xué)模型的重要的應(yīng)用背景，從而進一步激發(fā)他們學(xué)習(xí)的興趣，使他們感到學(xué)到的知識是有用的。通過這些工程實例的剖析，還能使學(xué)生體會到如何將一個具體的工程實際問題簡化為一個力學(xué)模型，從而使他們提高分析和解決實際問題的能力。

除了上述與課本密切結(jié)合的工程實例外，也可以在講課過程中滲入當(dāng)今前沿科學(xué)的進展介紹，從而拓寬學(xué)生的視野。如講解材料力學(xué)四個基本假設(shè)時，可以引用高科技領(lǐng)域的先進材料。如目前處于國際研究熱點的生物材料，這些生物材料具有最合理、最優(yōu)化的宏觀、細觀、微觀結(jié)構(gòu)，并且具有自適應(yīng)性和自愈合能力。再如一些新興的高分子材料，如橡膠、橡皮泥等粘彈性材料具有非線性的應(yīng)力——應(yīng)變關(guān)系。通過把這些前沿科學(xué)的最新研究成果引入到課堂，可以開闊學(xué)生的眼界，擴大他們的知識面，進而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的興趣。

二、將先進科學(xué)計算技術(shù)和手段引進到教學(xué)中

力學(xué)和工程科學(xué)計算結(jié)合為解決工程中復(fù)雜的力學(xué)問題提供了有力工具。傳統(tǒng)力學(xué)教學(xué)只注重理論和基本概念的掌握，將過多的精力用于解題技巧，忽略科學(xué)計算能力的培養(yǎng)，這種傳統(tǒng)的培養(yǎng)模式已經(jīng)不能滿足新世紀對人才的需求。在原有的課程體系中適當(dāng)?shù)匾M先進科學(xué)計算技術(shù)和手段，提高學(xué)生處理復(fù)雜問題的能力。大型有限元軟件ABAQUS，ANSYS等擁有強大的計算分析、圖形顯示及后處理功能，能很好地顯示各種截面形狀梁的各種內(nèi)力，如軸力、剪力、扭矩、彎矩及各截面的應(yīng)力分布情況和撓度情況，同時還能精確計算不同截面的截面特性，如截面慣性矩、極慣性矩及扭轉(zhuǎn)常數(shù)和彎曲常數(shù)等。這能加深學(xué)生對該部分內(nèi)容的直觀印象，提高教學(xué)效果。

除此之外，還應(yīng)將先進計算技術(shù)進一步應(yīng)用到材料力學(xué)實驗教學(xué)中，改變目前普通二本院校中實驗設(shè)備及經(jīng)費明顯不足的現(xiàn)象。大部分材料力學(xué)實驗所需要的實驗設(shè)備價格昂貴，且大都為破壞性實驗，需耗費大量試件，因此不便于重復(fù)進行。另外，還有很多力學(xué)過程并不能在實驗室演示，如應(yīng)力集中現(xiàn)象、構(gòu)件組合變形、壓桿失穩(wěn)等。基于以上問題，將材料力學(xué)實驗教學(xué)與數(shù)值仿真技術(shù)結(jié)合起來，尤其是借助于有限元軟件中的后處理模塊，能以動畫的形式動態(tài)顯示結(jié)構(gòu)從加載到變形直至破壞的全過程，這相當(dāng)于將力學(xué)實驗室搬到了課堂進行現(xiàn)場演示，而且模擬力學(xué)實驗過程可以重復(fù)進行多次，這也是比實際實驗優(yōu)越的一面，學(xué)生在重復(fù)的過程中對一些現(xiàn)象進行深入的探索、研究，從而啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，甚至幫助學(xué)生完成目前很多高校力學(xué)實驗室不能展開的重要力學(xué)實驗，如扭轉(zhuǎn)、壓桿穩(wěn)定等。

總之，對材料力學(xué)的教學(xué)改革是一個不斷實踐探索的過程。為適應(yīng)對新世紀人才培養(yǎng)的要求，對課程的要求應(yīng)重視理論力系實際，并注重先進科學(xué)計算技術(shù)的應(yīng)用，將知識的傳授和能力的培養(yǎng)有機結(jié)合起來。

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