材料力學課程教學方法的實踐

肖新科 趙冰 吳帥濤

【摘要】本科階段《材料力學》課程主要培養學生對簡單桿件結構進行強度、剛度和穩定性進行分析的能力，是土木工程和道路橋梁與渡河工程等專業的一門重要專業基礎課。針對實際課程教學中存在的問題，提出了一些改進措施。如適當引入前沿知識，激發學生求知欲和學習興趣；恰當使用傳統板書和多媒體授課方式；有效利用虛擬仿真技術；引入科技競賽活動，培養學生的實踐和創新能力等。實踐證明上述措施有助于學生掌握相關知識。

【關鍵詞】教學方法 教學手段 實踐能力 創新能力

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）10-0218-01

一、概述

《材料力學》是許多工科專業的專業基礎課，我校的土木工程、道路橋梁與渡河工程、機械設計與制造、材料成型等專業均開設這門課程。它主要培養學生具備對簡單桿件在外載荷下的強度、剛度和穩定性問題進行分析和設計的能力。對于土木工程專業而言，它還是一門承上啟下的課程：《高等數學》和《理論力學》是它的先修課，而它又是《結構力學》、《鋼結構設計》、《混凝土結構設計》、《彈性力學》和《組合結構設計原理》等課程的先修課。因此掌握好該門課程的基本概念和知識十分重要。但是該課程內容多、概念多并且相對抽象，同時還缺少足夠的實踐動手機會，因此一些學生反映該課程理論抽象、內容乏味，甚至少部分學生產生畏學現象[1]。所以，需要進行多方面的教學改革，以期達到預定的學習效果。近年來，在實際教學中進行了一些教學方法的改革和實踐，取得了一定效果。

二、激發學習興趣

好奇心和興趣對于學生學習效果有決定性的作用，培養學生的實際工程應用能力和創新能力需要培養學生對科學的興趣[2]。因此在實際教學過程中需要不斷激發學生的好奇心和興趣。主要采取的措施是適當引入前沿知識和身邊的力學知識和案例。如在緒論課中介紹近年來我國和其他國家的典型的建筑物和道路橋梁等。同時從其他專業相關的國際權威期刊上檢索相關文獻，通過多媒體介紹其他相關專業中材料力學知識的一些應用，如展示Journal of Biomechanics雜志上檢索到的膝關節置換術中需要解決的生物材料力學性能測試的問題；展示Journal of Biomechanics和Journal of Mechanical Science and Technology中檢索到的關于鞋子設計中的材料選擇和鞋底外形設計的問題；展示International Journal of Mechanical Engineering檢索到的齒輪齒形設計和優化的材料強度問題；展示Ocean Engineering中關于海洋石油鉆井平臺的強度和剛度設計問題；展示Engineering Failure Analysis中關于大型礦用自卸車車軸斷裂的分析。同時，結合時事介紹材料力學所研究的一些問題，如天宮二號發射時，介紹衛星發射塔及周邊建筑物在面臨強動載和高溫時所面臨的強度和剛度問題，介紹空間站在太空中所面臨的惡劣環境及遭受空間碎片超高速撞擊時的強度問題。這些內容的適當增加一方面可極大激發同學的好奇心和學習興趣；另一方面也能拓展同學的眼界，這些知識也將告訴學生將來讀研究生時也可選擇其他相關專業。

三、合理使用傳統板書和多媒體授課

過去的課堂教學手段主要是板書，這種授課方式對《材料力學》這種概念多和理論公式推導多的課程比較有效。其優點是學生和教師共同思考同一個問題，學生能緊緊跟隨教師的思路和節奏[3]，教師邊板書、邊講解、邊推導、邊啟發和邊提問，而學生則眼、耳、口和腦并用，這樣可形成多維印象和刺激，就有利于學生掌握相關知識。但傳統的板書也面臨一些挑戰：（1）展示復雜的變形形式時耗時較多，如實心圓柱在扭轉載荷作用下的變形以及任意位置切應變的計算和推導需要畫出較復雜的圖形。（2）該課程的工程實踐性較強，板書時無法有效傳遞實際工程的相關信息。而這兩個缺點恰恰可以通過多媒體教學進行彌補。這種教學方式的展現能力強，信息傳遞量大，可以創造生動和逼真的教學氛圍，激發學習興趣。因此，涉及復雜圖形特別是變形圖的繪制以及變形過程的展示時可以借助多媒體技術進行授課，同時需要結合工程背景時也可通過多媒體展示。

四、有效利用虛擬仿真技術

《材料力學》是一門與工程實踐密切聯系的學科，因此安排有試驗課程。但為使學生達到預期的學習效果，試驗課通常安排在理論課講授相關內容之后進行。但這樣帶來的一個問題是理論課堂上部分學生對相關知識理解不到位。比如講授低碳鋼在單向拉伸載荷下的力學性能時需要講解徑縮并計算應變值，應變值通過引伸計測得的伸長量除以原始標距段長度得到。但這種單向拉伸試驗應變值的計算是建立在均勻變形的基礎上的，而徑縮后材料的變形在標距段內已不再均勻，因此徑縮后按原公式計算得到的值理論上已不能再叫作應變。僅憑講課和圖片展示有時不足以讓學生理解透徹，這時可以利用有限元計算提前完成單向拉伸試驗的仿真，并展示其變形過程及變形過程中應變的分布，這樣就能直觀地講解徑縮，并清晰地展示徑縮前后應變的分布情況。

另外，部分變形形式較復雜和抽象，部分學生無法深刻理解和掌握。如扭轉載荷作用下實心圓柱的切應變分布，部分同學不能理解切應變隨半徑的線性變化。這時可以建立實習圓柱扭轉的三維有限元模型，施加扭角，然后在后處理時顯示標距段內3/4橫截面的應變分布，這樣便可以清楚展示應變的分布情況，易于學生深刻理解和掌握該知識點。

五、引入科技競賽活動

《材料力學》是一門理論課程，但它來源于工程又服務于工程，在培養學生逐步建立工程概念和逐漸形成解決實際工程問題能力方面有著十分重要的作用。但對于一般和新建本科院校而言，通常缺少充足的實踐鍛煉機會和試驗設備。近年來，科技競賽活動漸多，如省級結構建模大賽、中南地區結構建模大賽等。在這些競賽活動中需要設計和制作出屋蓋、塔式建筑、橋梁、輸電塔、廣告牌支撐結構等。通過這些競賽，學生需要確定具體的分析對象，通過檢索文獻資料和力學分析確定初步結構形式，完成制作，進行加載和多輪優化等，這對于鞏固理論知識，培養實踐能力和創新意識具有重要意義。為讓更多同學參與這種活動，在學校層面設計了“挑戰杯”競賽活動，并將這種競賽活動納入《材料力學》課堂教學，在成績評定中計入該項成績。

六、結語

《材料力學》是一門重要的專業基礎課，又能直接服務工程實際，但內容相對多且枯燥。因此在教學過程中，要注重激發學生的學習興趣；合理使用傳統板書和多媒體技術進行授課；在相關知識的講授時可以采用虛擬仿真技術增加直觀性，以便于學生理解和掌握；同時，還要重視科技競賽活動對于鞏固理論知識、培養學生實踐能力和創新意識方面的作用。

參考文獻：

[1]劉靜，汪中厚， 張麗芳. 材料力學教學中應用研討課教學方法的探討[J]. 科技視界， 2016（24）：76，149.

[2]權赫， 春方光. 材料力學課程中培養學生創新思維方法探討[J].山西建筑， 2016，42（13）：235-236.

[3]黃超，劉德華，武建華，余茜.提高材料力學課堂教學質量體會[J].高等建筑教育，2011，20（5）：88-91.

作者簡介：

肖新科（1982—），男，漢族，河南葉縣人，工學博士，講師，研究方向：沖擊動力學和材料動力學行為。