應用型本科院校少學時材料力學教學方法探討

彭英

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?材料力學是理工科專業重要的基礎課程之一，針對材料力學的課程特點及少學時等教學現狀，結合培養應用型人才的需求，從優化教學內容，采用對比式和案例式教學方法，使用多媒體與板書相結合的教學手段，將有限元數值模擬技術引入課堂，有效利用實驗教學等方面進行探討，從而為提高教學效果、激發學生學習興趣、培養學生工程實踐能力的教學目標提供參考。

[關 ? ?鍵 ? 詞] ?材料力學;少學時;教學方法

[中圖分類號] ?G642 ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] ?A ? ? ? ? ?[文章編號] ?2096-0603（2019）16-0130-02

在我國高等教育大眾化的進程中，應用型本科院校致力于培養具有一定理論基礎、工程實踐能力和創新精神的應用型人才。材料力學作為一門重要的專業基礎課，是連接基礎知識與專業知識的橋梁，學生若不能掌握其相關知識內容，對后續專業課程的學習將會造成很大的困擾。然而，為了擴大學生知識面和增加學生的自主學習時間，普遍存在材料力學學時少、內容多的矛盾，再加上應用型本科院校學生基礎薄弱，這些都給教學帶來了極大的挑戰。因此，如何在有限的學時內更好地實現教學目標、提高教學質量，就必須對本課程的教學方法不斷地進行反思和改進。

一、課程特點及教學現狀

傳統的材料力學教學首先依次講解軸向拉壓、扭轉和彎曲，再延伸到應力狀態和強度理論、組合變形和壓桿穩定等。課程教學過程中涉及很多基本概念、簡化假設和公式的推導，雖然這些都有利于構建學生的理論知識體系，但也要求學生具有一定的數學和物理基礎，而應用型本科院校學生基礎普遍薄弱，學習自主性也不強。同時，應用型高校更注重學生實踐能力的培養，對課程理論學時不斷壓縮，如果在課堂上進行太多的理論推導，不僅會占用大量的教學時間，也容易讓學生感覺枯燥乏味，繼而失去學習興趣，不能獲得理想的教學效果。因此，為了克服材料力學教學中的困難，除了優化教學內容外，還要改進教學手段和教學方法，激發學生的學習興趣，引導學生獨立思考，開拓學生的創新思維能力，使其掌握并能將所學的理論知識靈活應用于工程實際問題。

二、教學內容的調整

材料力學主要研究構件在荷載作用下的強度、剛度和穩定性問題，內容多、課時少，因此必須對教學內容進行調整，這里的調整不是簡單的刪減，而是根據學生專業要求、后續專業課程及將來的工作需求進行調整。可以刪除一些在后續課程中相重復的內容和工程實際中應用很少的內容，譬如對土木工程專業，超靜定問題在后續的結構力學課程中會重點講解，連接部分計算及壓桿穩定在后續的鋼結構課程中會涉及較多，這些內容在材料力學教學中就可以刪除，以節省課時、減少學生負擔。同時，可以適當補充一些拓寬學生知識面、提高學習興趣的內容，譬如，可以穿插力學史知識來豐富課堂內容，還可以將一些現代力學及相關學科的研究成果引入材料力學教學中，不僅能激發學生的學習興趣，還可以培養學生的創新思維能力。

三、教學手段和教學方法的改進

（一）多媒體與板書相結合

在教學手段上，采取多媒體與板書相結合的授課方式。在推導主要公式時采用板書，這樣更利于學生跟著教師的思維，真正理解和掌握理論公式。在講解工程案例時采用多媒體教學，這樣不僅可以直觀地向學生展示工程實際圖片，幫助學生理解和強化工程概念，還可以節省大量的課堂時間。但是，一定要注意多媒體只是輔助教學，不能代替教學，多媒體課件制作要注意少字多圖、主次分明、突出重點。

（二）有限元數值模擬技術輔助教學

對材料力學中一些基本假設和力學規律，學生普遍感覺抽象難懂，教師可以采用有限元數值模擬技術輔助教學。譬如，教師采用有限元軟件ANSYS對純彎曲梁進行模擬計算，并通過后處理畫出應力云圖，可以讓學生清楚地看到應力沿截面高度的變化規律;教師根據力學等效原理，讓學生計算不同載荷分布情況下梁的應力云圖，可以讓學生直觀地認識圣維南原理;還可以通過后處理制作動畫，形象地向學生展示構件的變形過程和應力分布的變化情況等。這樣不僅可以加深學生對力學知識的理解，激發學習興趣，還可以培養他們理論聯系實際的能力，為將來的工程結構設計和分析打下堅實的理論基礎。

（三）對比教學法

材料力學理論知識抽象，又緊密結合工程實際，學生往往理解不深，對眾多公式難以記憶，也不能靈活應用于實際問題。實質上，各部分內容之間具有較強的關聯性和相似性。在講解各部分內容時，教師可以采取對比教學法，幫助學生系統地理解和掌握知識，這樣學生不僅對公式容易記憶，也能將所學的理論知識準確地應用于實際問題。有了前期的知識體系做基礎，教師后面的教學會更加得心應手，從而節省課堂時間。例如，等直圓桿扭轉時的最大切應力τmax=T/Wp，其中Wp為扭轉截面系數，且Wp=Ip/r，對圓形截面Wp=πd3/16;梁彎曲時橫截面上的最大正應力σmax=M/Wz，其中Wz為彎曲截面系數，且Wz=Iz/ymax，對圓形截面Wp=πd3/32。在教學過程中，通過前后知識的對比，可以讓學生清楚地知道扭轉時最大切應力與彎曲時最大正應力的異同、扭轉截面系數與彎曲截面系數的異同、極慣性矩與慣性矩的異同，這樣學生思路清晰明了，對基本概念的理解也更加深入，不僅方便記憶公式，還可避免他們在今后的實際應用中張冠李戴，同時教師也無需在課堂上重復講授相關知識點，極大地提高了課堂效率。

（四）案例教學法

教師除了在課堂上講授課本知識外，還可以采取案例教學法，結合日常生活和工程實例向學生提出一系列與材料力學相關的問題，啟發學生主動思考，激發學生學習興趣，讓學生真切感覺到材料力學是一門實用性很強的課程，從而更加積極主動地學習。譬如，在講解彎曲合理截面時，教師可以結合所學的理論知識分析房屋結構中的陽臺懸挑梁為什么根部粗，為什么鋼筋要設置在梁的上部。還可以列舉鐵軌的截面形狀、竹子的截面形狀等實例，讓學生從這些日常生活的實物中對等強度梁有直觀的認識。再如，講解平面桁架的強度驗算時，可以列舉實際工程中常見的桁架橋、吊車梁、木屋架、鋼屋架等桁架結構，讓學生首先對桁架結構有感性認識，然后采取截面法或節點法的理論解法求解桿件軸力，最后再按拉壓桿的強度條件進行驗算。除此以外，教師還可以通過對具體實例的有限元建模、分析、求解，拓展學生的知識面，培養他們對實際工程的分析和應用能力。以圖1所示的桁架結構為例，圖2為理論解法求得的內力圖，圖3至圖5分別為有限元軟件ANSYS計算得到的內力云圖、應力云圖和變形圖。通過有限元計算，不僅可以向學生展示應力圖，還可以讓學生清楚地看到桁架結構受載后的變形圖，對比圖2和圖3，可以看出有限元求解的結果與理論解十分吻合。

四、實驗教學的改革

實驗是材料力學教學的重要組成部分，應用型本科院校在有限的材料力學課時中加大實驗課時比重，更加凸顯了實驗的重要性。除了軸向拉壓、扭轉和彎曲幾個基本實驗外，還開設了材料力學開放性實驗，譬如彎扭組合梁實驗、沖擊實驗等。這些實驗可以使學生掌握測定材料力學性質實驗的基本知識和驗證材料力學理論的基本方法，熟悉常用儀器設備的性能和一般故障的排除，不僅加深了學生對理論的理解，還提高了學生的動手操作能力，為培養應用型人才奠定了良好的基礎。

五、結語

材料力學課程內容多、理論性強，且與工程實際結合緊密，而應用型高校學生基礎普遍薄弱，在材料力學教學過程中，結合少學時的教學現狀和應用型人才的培養目標，通過優化教學內容，改進教學手段和教學方法，開放實驗室，可以激發學生的學習興趣，培養學生的動手能力和實際應用能力。

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編輯 陳鮮艷