材料力學教學中加強力學建模能力的探索與實踐

趙軍 趙青

摘要：隨著相關專業培養目標的調整，材料力學課程的教學時數有所減少，但對材料力學后續課程的要求沒有降低。此外，社會對應用型人才和復合型工程創新人才的需求也對材料力學教學提出了新的更高的要求。在培養目標調整的環境下，如數值計算的有限元模擬商業軟件和應用程序的不斷改進，材料力學教學也應該不再強調復雜的計算過程和計算方法，培養學生的基本概念、方法和問題的強有力的工程實踐，根據力學建模功能，是當前材料力學教學應重點關注的問題。

關鍵詞：材料力學;力學建模;教學效果

調整培養目標和時間減少的現實，從材料力學課程的特點，在課堂教學訓練，在整個生產過程中力學建模和分析機械建模能力培養的綜合評價等幾個方面，加強學生力學建模材料力學教學能力訓練進行了有益的探索和實踐。結果表明，這些方法提高了學生的學習興趣和教學效果，對提高教學質量具有較高的參考價值。

一、注重課堂教學環節的全程訓練

當前的大學生實踐認知環節缺乏，對所計算問題的工程背景普遍不了解，而相對歐美材料力學教材中大量使用工程實際圖片和制作精美的三維圖片，國內教材在內容描述、例題和習題中只對工程問題進行語言描述和繪出平面線圖，學生在理解內容和做作業時無法和工程問題相聯系，嚴重的最終會影響學生的學習興趣，降低教學效果，針對材料力學教學中缺乏力學建模能力訓練這種現實情況，在課堂教學過程中從以下幾點上加強對學生力學建模能力的培養。第1，充分利用多媒體教學手段的優點，在課程開始時做到因材施教，針對相關專業播放“材料力學在XXXX中的應用”視頻材料，使學生感受到強烈的視覺沖擊效果，對材料力學在相關專業中的應用有了全局的了解。第2，在基本變形、組合變形的受力與變形特點學習時，給出大量工程圖片，并且針對典型問題進行如何從工程實際提煉力學模型的訓練，包括支座約束的簡化、幾何尺寸和截面形狀的大致確定、材料選擇、許用應力確定、載荷分析。另外對典型例題也給出合適的工程圖片，使學生了解教材中平面線圖的由來。第3，在相關章節布置力學建模的作業，要求學生對工程問題畫出受力簡圖，以培養學生的自主力學建模和定性分析的能力。第4，在工程問題選擇上，教師要盡量結合當時的重大事件：例如冰雪災害的結構強度的影響、奧運會場館結構分析、動車追尾事故的動載荷初步分析、神舟系列發射中的強度剛度問題等。

二、力學建模與分析報告的綜合訓練

為了培養學生的團隊合作精神，在課程開始時就把學生分成若干個學習小組，每個小組需要合作完成多項學習任務，其中力學建模與分析報告是重點內容，在課程開始時就以《力學建模與分析報告指導建議書》的形式布置下去，它包括以下內容：工程問題描述和解釋（包括工程和生活實際的照片或圖片）;簡化得到力學計算簡圖，建立力學模型;具體分析計算;本組的創新點說明;對本組在建模過程中表現的自我評價;小組成員在報告形成過程中的貢獻等，力學建模與分析報告有點類似于以前材料力學教學改革中的“大作業”，但這里有兩點不同之處：更強調從工程和生活實際中自主選擇并提煉力學模型;需要以小組的形式合作完成，最后提交PPT報告。分析以往幾屆學生提交的報告，內容覆蓋的知識面較全面，涉及的工程領域較多，例如管子臺虎鉗強度分析、街道信號燈桿的強度剛度分析、樓房雨棚的強度設計、指甲刀的強度校核、提水絞車軸的彎扭組合分析、艦載戰斗機彈射起落架強度和穩定性分析等。報告的陳述和評價由學生來完成，目前采用以下方式。每個組推選本組最善于表達的一個同學上講臺使用多媒體PPT講解匯報，時間為8min，另外每個組安排一位同學作為評委，主要從下面幾個方面進行評價：選題的綜合性和難易程度（20分）、力學模型建立是否準確（30分）、分析計算是否正確（30分）、PPT制作和講解（20分）。同時安排學生使用DV對每個組的匯報進行全程攝像和拍照，影像資料可提供給每個組學生留作紀念，最后把各組的評分表交回教師作為最終成績的一部分。

三、力學建模能力的考核評價

教學改革與創新活動必須具有一個約束機制或者較為公平的考核評價方法，這樣才能保證絕大多數學生參與其中并且受益.力學建模能力的考核評價主要從兩個方面入手。第1，在期末考試試題中設計一個力學建模分析的考題，通常給出工程圖片，要求學生對工程結構建立力學建模，并寫出強度、剛度分析的主要思路，在強調定量計算的同時，注重定性分析能力的培養。第2，把力學建模與分析報告每個組的平均分值作為本組每一個學生的平均得分，占平時成績的1/3。

四、教學效果

培養學生力學建模能力的出發點和落腳點是提高學生的學習興趣和主動性，通過學生的全過程參與提高材料力學教學效果.經過近幾年的教學實踐和調查反饋，可以認為較好地達到了預期效果。第1：到課率比較令人滿意.到課率可以在一定程度上反映學生對課程的興趣.利用學生在課上做隨堂小測驗的機會，進行過兩次到課人數統計，分別為92%和95%。第2：期末成績相比較其他班級比較突出教改班的卷面成績優秀率、良好率明顯高于非教改班，卷面不及格率教改班明顯低于非教改班。這也從一個側面很好地反映出，力學建模能力培養對學生學習興趣提高起到積極正面的作用。第3，學生反映較好.每一學期期末復習階段都要求各組提交“材料力學問題與建議反饋”，從中可知學生對加強力學建模能力是非常認可的，有的意見如下：“老師的教學方法，方式很好，能讓學生投入到其中，也是我們做人的榜樣”、“這種方法很好，讓我感覺材料力學不是很吃力，效果很好。”另外在同學走上講臺進行力學建模匯報時，學生都給以熱烈的掌聲，這也反映學生對力學建模活動的認可程度，如果嚴格地評價這些力學建模分析報告，有的還不完善，甚至個別還有理論方法方面的錯誤，但是在這里不能苛求這些剛結束材料力學課程學習的學生，而是強調應用材料力學知識分析工程實際問題的意識和能力，以及學生們在團結完成報告過程中的心靈碰撞所產生的火花。

總之，教師作為實施教學創新的主導，要不斷更新教學理念，不僅要有豐富的知識結構和較高的學術水平，還要具有較高的力學建模的能力和敏銳性，不斷為材料力學教學提供更多力學建模案例，這樣才能在力學建模分析時深入淺出，做到潤物細無聲，真正形成學生力學建模能力培養的源頭活水。

參考文獻：

[1]張秀英，淺談材料力學教學中加強力學建模能力的探索與實踐.2017.

[2]劉青云，探討材料力學教學中加強力學建模能力的探索與實踐.2018.