材料力學教學方法探究

摘? 要 針對材料力學教學過程中存在的問題，對材料力學教學方法進行研究和探討。通過采用舉例教學法、現場演示法、有限元分析拓展實驗教學法、單元測試練習法、混合式教學法等，有效提高課堂教學效率，提升學生的成績，增強學生對材料力學知識的掌握和理解，促進材料力學課程教學改革。

關鍵詞 材料力學;工科類專業(yè);混合式教學;有限元分析

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）23-0123-02

1 前言

材料力學是工科類專業(yè)的專業(yè)基礎課程，先修課程包括高等數學、大學物理和理論力學，后修課程包括機械設計、流體力學、有限元分析、畢業(yè)設計等。材料力學主要研究材料的強度、剛度和穩(wěn)定性的問題，運用材料力學知識，還可以在相同強度條件下優(yōu)化結構設計、減少材料用量，達到降低成本、減輕重量等目的[1-5]。材料力學的任務是在滿足強度、剛度、穩(wěn)定性的要求下，以最經濟的代價，為構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和計算方法。材料力學課程內容繁多、公式多、抽象概念結論多，而高校不斷擴招，學生進入高校的門檻降低，部分學生基礎較差。為保證材料力學課程的完整性，滿足后續(xù)專業(yè)課的要求，必須在教學方法和手段上進行改革。筆者根據所在高校學生的特點，對材料力學教學方法及手段進行初步探討。

2 學情分析

目前，濱州學院材料力學開設在第四學期，學生具有高等數學、大學物理和理論力學的基礎知識，但是有所遺忘。學生來自全國各地，基礎知識的掌握程度不同，接受能力也參差不齊，部分學生理解力較差。多數學生對公式推導不感興趣，厭煩填鴨式教學。還存在一部分學生平時不學、考前突擊的現象。

3 教學方法和手段

目前，多數高校材料力學教學采用講授法，是教師運用口頭語言進行教學的一種方法。針對濱州學院材料力學教學過程中存在的問題，筆者主要采用舉例教學法、現場演示法、有限元分析拓展實驗教學法、練習法等。

舉例教學法? 對于抽象的知識，翻來覆去講不明白，既耽誤了學時，又會挫傷學生的學習興趣。課堂教學過程中舉例子，能使抽象的概念具體化，復雜問題簡單化。如果能在教學過程中積極有效地運用舉例教學法，能夠調動學生的主觀能動性，讓學生輕松掌握所學知識。好的例子勝過千言萬語，所以舉例子要貼近學生的實際生活，符合學生的認知水平和心理特點，以引起學生的共鳴。如在講各向同性材料和各向異性材料時，可以把劈木材作為例子進行講解，該例子貼近現實生活，學生更容易理解。

現場演示法? 筆者在教學過程中，經常把各種實物帶入課堂，讓學生通過觀察獲得感性認識。如被拉斷的低碳鋼試件，讓學生觀察斷口的形狀，可以更進一步地認識縮頸現象，如圖1所示。被壓縮破壞的鑄鐵試件，如圖2所示，讓學生觀察破壞斷面與軸線的傾角。把實物帶入課堂，提高了學生學習材料力學課程的興趣，學生更容易理解和掌握所學知識。

另外，筆者在實際教學過程中也會充分利用教室里與材料力學有關的實物。以材料力學的基本變形為例，為了引導學生善于思考，課堂設計以一支粉筆的破壞為例，向學生進行提問：你如何對粉筆進行破壞？學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、扭轉和彎曲，并讓學生在課堂上進行破壞粉筆的演示實驗。此方法不僅活躍了課堂氣氛，而且使學生對四種基本變形印象更加深刻。

有限元分析拓展實驗教學法? 將有限元分析引入材料力學教學是一種創(chuàng)新的教學方法[6]。材料力學抽象的概念和結論多，多數學生對公式推導不感興趣，在學習過程中容易形成生搬硬套、死記硬背的習慣[7-8]。利用有限元法將材料力學中的抽象概念和結論以圖形的形式展示給學生，方便學生理解。教師在上課過程中，可以利用有限元分析軟件ANSYS現場演示構件的約束情況、建模過程及受力情況，并獲得最終的變形、應變和應力圖等，生動且形象地展示給學生。圖3為筆者利用ANSYS對發(fā)生彎曲變形矩形截面梁進行有限元分析，獲得的梁的等效應力圖。從等效應力圖上可以看出，梁的最大應力發(fā)生在梁的最上面和最下面，即離中性軸最遠的位置[9-10]，符合彎曲變形時橫截面的應力分布規(guī)律。

單元測試練習法? 目前，高等院校存在一個普遍問題，即多數學生平時不學，考前突擊。筆者在實際教學過程中，增加章節(jié)單元測試和課前練習。為了獲得更好的教學效果，筆者鼓勵學生提前半小時進入教室，完成布置的課前練習和單元測試，并把相關成績計入期末考試成績中。

混合式教學? 材料力學是一門探索工程構件承載能力和設計方法的課程，定量研究構件內部在各類變形形式下的力學規(guī)律，以便于選擇適當的材料，確定恰當的形狀尺寸。材料力學課程內容多、公式多，且公式推導過程煩瑣，但課時是有限的，教師不可能花太多的時間用于講解公式推導和基礎知識，又要保證學生掌握一定的基礎知識，培養(yǎng)學生的科學思維和工程素養(yǎng)。混合式教學很好地解決了這一矛盾。混合式教學打破了傳統的教學手段，開展互動教學、問題教學、討論教學和網絡教學等多種教學手段和方法的實踐，教學過程由學生被動接受知識轉變?yōu)閷W生主動獲取知識。

4 教學應用

每學期期末考試這段時間，學校沒有安排任何課程，但對于有些大學生來說，沒課的時候卻遠比上課的時候繁忙，他們紛紛開啟“學霸模式”，突擊復習應付考試。雖然學生有選擇學習方式的自由，但考前“突擊”的學習模式已成為導致大學生競爭力不足的重要原因。要減少考前突擊現象，從教師和學校層面來說，需要重視學生的過程性評價、過程質量管理，不能平時不加以考查，只是一次期末考試定終身。

筆者為了減少考前突擊現象，對材料力學的重點章節(jié)增加單元測試。單元測試盡量安排在課前30分鐘，若課前時間不允許，則安排其他時間進行。學生獲得的單元測試成績計入學期末的總評成績，占期末總評成績的20%。

經過幾年的摸索實踐，筆者發(fā)現學生學習材料力學課程的積極性有很大提高，而且可以根據學生單元測試的反饋情況隨時調整教學計劃，改進教學方法。

5 教學效果

經過近幾年對教學的不斷探索，筆者所授班級材料力學卷面成績有了明顯提高。筆者統計了近五年材料力學卷面成績的平均分和及格率，如圖4所示。

6 結語

材料力學是一門重要的技術基礎課，與機械、土建、航空、交通水利等工程密切相關，在基礎課和專業(yè)課之間起著橋梁作用。筆者在教學過程中通過采用多種教學方法和手段，使學生的卷面平均成績和及格率有了明顯提高;同時提高了課堂教學效率，增強了學生對材料力學知識的理解和掌握，促進了材料力學課程教學改革。

參考文獻

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[9]秦世倫，李晉川.材料力學[M].北京：高等教育出版社，

2016.

[10]邱棣華.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2015.

基金項目：濱州學院校級重點課程群“機械設計類主干專業(yè)基礎課程群”（項目編號：BYZDKCQ201305）;濱州學院實驗技術項目

“虛擬仿真技術在機械類實驗教學中的應用研究”（項目編號：BZXYSYXM201717）。

作者：王國明，濱州學院機電工程學院，講師，主講課程材料力學（256600）。