材料力學信息化教學改革的研究與實踐

王凌英 趙芳 趙冉 赫萬恒 曹洪娜

[摘 要]課程組以材料力學中的彎扭組合變形為例，借助網絡教學平臺，以課堂為載體，開展信息化教學。文章闡述了信息化教學的意義和背景，針對彎扭組合變形的受力和變形特點進行教學分析，提出教學策略，并詳細描述了信息化教學的實施過程，借助力學建模、3D動畫演示、ANSYS仿真、創新性實驗等方法和手段，使信息化教學更富有特色，調動了學生學習的積極性，提升了學生的綜合能力，取得了良好的教學效果。

[關鍵詞]彎扭組合變形;力學建模;3D演示;ANSYS仿真;材料力學;信息化教學

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2022）01-0161-03

隨著信息化教學的發展、互聯網技術的普及，在線學習、網絡教學平臺逐漸被高等院校應用于實際教學中。材料力學作為工科院校的一門專業技術基礎課程，與工程實際結合緊密，它源于工程，又可以直接解決工程實際問題。如何將信息化很好地融入材料力學課程教學，建設好既適合學生學習與教師授課需求，又能體現自身專業課程特色的課程，成為廣大力學教育工作者共同思考的話題。

一、信息化教學的意義和背景

與傳統的教學模式相比，信息化教學在教學理念與教學手段方面有所不同，更能調動學生的主觀能動性，發揮學生自主學習的本能。可見，在當前的信息環境下，以學生為信息化教學研究的主體是非常有意義的。

信息技術能夠使教學內容層次分明，呈現出動態和可視化，方便學生在任何時間、任何地點學習[1]。教學組織離不開教學內容和教學目標的雙重要求。信息化教學學習內容包括參加小組活動和討論真實案例。信息化教學始終將教學目標放在能力目標的培養上。在日常的教學過程中，將信息技術引入到課堂中，一方面可以提升任課教師的專業知識和技術水平，另一方面可以激發學生主動獲取知識的本能。

全國職業院校信息化教學大賽的舉辦，在促進高等教育戰線運用信息技術改造傳統教學、創新教學模式、改進教學方法、強化現代信息技術與現代教學理念的深度融合、提高教師教學水平方面做出了重要貢獻。信息化教學已成為高等院校強化內涵建設、提升人才培養水平和質量的重要途徑。本文以全國職業院校信息化教學大賽為契機，對所承擔的教學班次嘗試進行教學模式改革，以材料力學課程組合變形中的彎扭組合變形為例，展開信息化教學。

二、教學分析和教學策略

針對材料力學中的彎扭組合變形，教學設定為2個學時[2]，教學確定為從知識、能力到素質這樣一個逐步提升的過程。其中，知識目標：要求掌握彎扭組合變形的變形特點和強度計算;能力目標：掌握彎扭組合變形的分析方法，并拓展到啟發學生對所有組合變形進行分析和強度計算;素質目標：更高層次上培養學生的發散思維能力，通過理論與實際相結合，讓學生掌握復雜問題的力學分析方法，提升學生的工程素養。

彎扭組合變形受力和變形都比較復雜，根據其變形特點，結合以上三個層次的教學目標，我們分析其整個教學過程中可能遇到的難點并提出解決難點的辦法。

首先是“問題難”。彎扭組合變形比基本變形要復雜，它從平面問題上升為空間問題，在教學設計時要考慮將裝備及生活實例融入教學，并進行力學建模，幫助學生分析問題，化難為易。

其次是“理解難”。分析過程中危險點的確定、危險點處的應力狀態分析是學生學習的難點，學生理解掌握起來比較困難。教師在教學中可借助應力分布圖和應力狀態的3D演示以及ANSYS模擬仿真，通過疊加原理進行形象化分析，幫助學生逐一克服困難。

最后是“應用難”。理論學習的最終目的是實際應用，因此對發生彎扭組合變形的構件，可將實際問題抽象成力學模型，并用強度理論進行強度計算。我們解決難題的方法是依托豐富的實驗室資源，引導學生課上分析問題，課下設計實驗方案，并動手操作研究。另外，借助材料力學案例庫這樣的信息化教學資源和教學手段逐一克服教學中的困難。

三、教學組織實施過程

為了更好地實現信息化教學，我們在教學準備中先創建網絡教學平臺[3]，其中包括任務專區、信息資源、效果評價、拓展訓練。為達到教學目標，我們在開課前一周下達任務，學生登錄教學平臺（任務專區），先自行搜集與彎扭組合變形相關的案例，并分析案例中彎扭組合的變形特點，應用平臺中的參考知識點，通過疊加原理完成任務，最后提交任務書，教師從中選擇一例在課上與學生一起討論分析。

課中，通過力學建模、3D動畫演示、ANSYS仿真等多種方法和手段化解難點，并借助材料力學案例庫平臺來強化重點，以此培養學生的力學建模和綜合分析問題的能力。

（一）力學建模

篩選出任務專區中學生提交并比較熟悉的案例：公路上的交通標志牌（如圖1所示），當標志牌上受風力作用時，分析鋼柱的變形。學生給出了初步分析，對于發生彎曲和扭轉的組合變形，教師需要引導他們抽象出力學模型（如圖2所示），以此培養學生的建模能力，為以后工程應用打基礎。

（二）化解難點

1.理論分析

在建模后的理論分析中，要始終貫穿疊加原理，帶領學生一起找到危險截面;在應力分析環節，危險點的確定是學生學習的難點，應用應力分布圖的3D演示，只受M和P作用時的情況，然后疊加以后危險點就顯而易見了。如此形象化的分析能夠讓學生目睹疊加原理的應用過程。危險點處的應力狀態分析更是難中之難，這時仍然要借助3D演示，幫助學生進行形象化分析，化解難題，這是理論分析的過程。

2.ANSYS仿真

同時，應用ANSYS仿真實驗進行驗證[4]。通過仿真，學生能直觀感受加載時鋼柱的受力變形特性，清晰地確定危險點，并對危險點處的最大應力按照強度理論進行數據計算，發現與理論分析結果吻合。

3.實驗操作

通過課上理論分析，課下學生可進一步借助力學實驗室創新性實驗來加深理解。如圖3所示，學生以小組為單位，通過自己動手貼片，連接電阻應變儀、加載，記錄數據等操作，對危險點及其應力值進行驗證。學生從中找到學習的樂趣：力學原來也沒那么枯燥。這個過程深化了學生的認知，充分調動了學生學習的積極性。

（三）強化重點

分析彎扭組合變形的目的及重點是強度計算，前面仿真時已經用第三強度理論進行了計算，因此，要進一步強化計算，這可以通過材料力學案例庫平臺實現：教師登錄，打開“選用案例”，這里有每個案例的背景、問題、分析、拓展資料。選擇其中一個案例，打開“背景”，工程中涉及的傳動軸很多，有的是一處齒輪嚙合，有的是多處齒輪嚙合。傳動軸的受力較復雜，其變形屬于組合變形，有彎扭組合、拉彎扭組合等。抽象兩處直齒輪嚙合的力學模型，基本分析思路同前面，但由于是兩個方向的彎曲，危險截面及危險點的確定都較復雜，更需要逐個進行分析來確定危險點。教師先對彎扭組合變形進行分析、擴展強化，然后在課下，讓學生登錄材料力學案例庫平臺，打開“查看案例”，自行選擇案例進行強度分析計算，學生在課下開展互動交流研討。圖4是學生選擇的自己感興趣的案例：驕傲自滿的大力士[5]。

此案例選自“第六屆全國周培源大學生力學競賽試題”，其難易程度適合用來研討，而且本題具有一定的趣味性。課下交流研討不限定時間和地點，但要求學生提交案例研討報告或PPT，最后的得分計入課終考核成績。

四、教學效果

課后，學生組成興趣小組，就教學平臺上創新性實驗展開交流研討，并通過網上預約到實驗室動手操作體驗，由此拓展知識面，培養創新思維能力;學生還可以通過互動平臺隨時與教師進行溝通和交流。我們課下就教學效果對學生進行了問卷調查，通過對調查結果的分析總結，發現本次信息化教學得到了學生的認同。

首先，引入信息化教學培養了學生的自學能力，充分調動了學生學習的積極性。在開課前一周下達任務之后，學生積極查資料、搜集案例，遇到想不通的問題及時給教師打電話咨詢，利用晚自習和周末時間準備資料準備、深入思考。信息化教學真正激發了學生求知的熱情，調動了學生學習的積極性、主動性，培養了學生的自學能力，讓學生真正做到了自主學習。

其次，通過信息化教學，還可以培養學生的工程意識，培養學生將實際問題抽象為力學模型的能力，即力學建模的能力。創新性實驗培養了學生的實際動手能力，為學生以后走向工作崗位打下堅實的基礎。同時，創新性實驗還可以發現、培養尖子生，為以后大學生力學競賽的選拔做準備。

另外，信息化教學還鍛煉了學生的團隊合作能力。學生選擇案例進行交流研討、興趣小組進行創新性實驗，均重視思考過程，尤其重視學生之間的默契配合。從實驗前的準備到實驗過程直至完成實驗報告，各項工作都需要通過小組成員間的協作來完成。通過開展創新性實驗，教師能了解學生的優缺點，培養學生包容的心態，讓學生的弱點在團隊合作中弱化，使合作更為順暢，效率更高，同時使學生思維的廣度和深度在這一過程中得到強化。

五、總結

信息化教學手段的使用、優質教學資源的引入，充分激發了學生的學習興趣，有效突破了教學中的重點難點，在一定程度上使學生掌握了學習方法，培養了學生的發散思維，提高了學生的自主學習能力。但信息化教學手段在實際應用過程中也存在著一些不足。

首先，對于軍隊院校的學生來說，校園網是軍隊的局域網，沒法連接互聯網，加上部隊系統對學生使用手機也有限制，導致學生上網受到一定的限制，信息資源有限會影響信息化教學的效果。加上目前國家對信息化教學資源沒有建立統一的標準，各地的教育部門、各高校都推行自己的信息化建設，會造成資源浪費，而軍隊院校的管理特點也使信息資源建設缺乏協調機制。

另外，在平時的教學環節中，教師只是把與書本相關的理論知識利用多媒體教學手段呈現給學生，卻往往忽略了企業或者是工程上實際的技術、知識和對人才的需求。只有將課堂中的知識與工程實際操作緊密結合，將工程實際中的資料案例在課堂中大量展示并讓學生學習，才能讓學生在畢業進入企業之后實現零對接，更好地適應工作崗位，為社會創造更大的效益。

總之，在高校進行信息化教學時，應抓住其主要矛盾，發揮其有利因素，將信息化與高等教育深度融合，促進教育教學可持續發展;應搭乘信息技術發展的快車，不斷更新教師信息化教學理念，營造信息化教學環境，拓寬教師信息化教學能力的提升路徑，讓學生輕松地獲取學習內容，在體驗中獲得專業技能，最終實現人才培養質量的提升。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 劉露，沈玉鳳.基于信息化的材料力學混合式教學模式的實踐[J].大學教育，2008（1）：63-66.

[2] 劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2010.

[3] 劉燦昌，剛憲約，云海，等.力學信息化網絡教學平臺建設思考[J].大學教育，2019（6）：81-84.

[4] 李艷潔，趙東，趙秀麗，等.ANSYS軟件在“材料力學”教學中的應用[J].中國林業教育，2009（S1）：44-46.

[5] 高云峰，蔣桂平.全國周培源大學生力學競賽賽題詳解及點評[M].北京：機械工業出版社，2013.

[責任編輯：陳 明]