基于工程應(yīng)用的材料力學(xué)課程教學(xué)創(chuàng)新改革研究

宋瑞雪 張曉琴 呂超穎 郝 靜

陜西服裝工程學(xué)院，陜西 西安 712046

材料力學(xué)是高校工科類專業(yè)，例如機(jī)械等多項(xiàng)專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，學(xué)生對(duì)于有關(guān)知識(shí)體系的理解、掌握、應(yīng)用等能力直接決定了其后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)吸收程度。就教學(xué)內(nèi)容而言，其側(cè)重于研究典型構(gòu)件基于外部荷載作用的內(nèi)力、應(yīng)變力、變形、穩(wěn)定性、靜力學(xué)設(shè)計(jì)等相關(guān)問(wèn)題，以教師教學(xué)為主，以實(shí)驗(yàn)教學(xué)為輔。而從教學(xué)目標(biāo)來(lái)講，材料力學(xué)課程主要目的是培養(yǎng)學(xué)生的構(gòu)件強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等問(wèn)題分析計(jì)算能力，且擁有根據(jù)實(shí)際工程問(wèn)題構(gòu)建力學(xué)模型以及解決工程應(yīng)用問(wèn)題的實(shí)際能力［1］。所以說(shuō)材料力學(xué)課程是一門明確主張強(qiáng)化理論和實(shí)踐有機(jī)結(jié)合的學(xué)科課程。

一、材料力學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀分析

材料力學(xué)就力學(xué)分類來(lái)講從屬于固體力學(xué)方面，內(nèi)容特征體現(xiàn)為公式多、畫圖需求多、計(jì)算需求多，教學(xué)內(nèi)容則主要?jiǎng)澐譃楦拍疃x、抽象建模、公式推導(dǎo)、數(shù)學(xué)運(yùn)算、結(jié)果分析等多個(gè)層面，相對(duì)來(lái)講比較枯燥乏味，難以吸引學(xué)生注意力。尤其是先期有關(guān)課程學(xué)習(xí)不到位的學(xué)生落下任何環(huán)節(jié)，后續(xù)都可能無(wú)法緊跟教師教學(xué)節(jié)奏，導(dǎo)致學(xué)習(xí)積極性下降。另外理論教學(xué)內(nèi)容劃分課程知識(shí)為彼此間沒(méi)有相互聯(lián)系或者聯(lián)系不夠緊密的一些部分，導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法切實(shí)將這些知識(shí)融會(huì)貫通，直接加大了學(xué)生對(duì)于知識(shí)的理解與應(yīng)用難度。而在學(xué)生成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)層面，一直以來(lái)主要以期末考試為主，導(dǎo)致很多學(xué)生只能死記例題，而非真正深入理解其隱藏的知識(shí)內(nèi)容，使得工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)難以有序?qū)崿F(xiàn)。

（一）學(xué)習(xí)深度不夠

當(dāng)前很多專業(yè)一直在實(shí)時(shí)調(diào)整教學(xué)計(jì)劃，以此在一定程度上壓縮了材料力學(xué)課程的教學(xué)課時(shí)，導(dǎo)致學(xué)識(shí)不足而教學(xué)內(nèi)容卻較多、要求也較高，如此一來(lái)便形成了供需失衡的矛盾，而教學(xué)過(guò)程中的知識(shí)內(nèi)容深度便難以得到有效保障。

（二）課程體系與培養(yǎng)目標(biāo)脫節(jié)

在高校整個(gè)課程體系創(chuàng)新改革的視閾下，材料力學(xué)課程教學(xué)課時(shí)逐步縮減，相關(guān)實(shí)驗(yàn)課時(shí)也隨之減少。就機(jī)械專業(yè)來(lái)講，材料力學(xué)課程課時(shí)少之又少，而涉獵的教學(xué)內(nèi)容卻十分復(fù)雜，主要有低碳鋼、鑄鐵的拉伸、壓縮、軸類扭轉(zhuǎn)等等，這些實(shí)驗(yàn)均是實(shí)際驗(yàn)證行的實(shí)驗(yàn)，根本無(wú)法激發(fā)學(xué)生興趣與愛(ài)好。此側(cè)重于理論知識(shí)傳輸，但缺乏課程實(shí)際應(yīng)用性以及與實(shí)踐相聯(lián)系的培養(yǎng)，并不能切實(shí)激發(fā)學(xué)生主觀能動(dòng)性，也無(wú)法順利實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新能力有機(jī)培養(yǎng)，以此嚴(yán)重阻礙了學(xué)生實(shí)際應(yīng)用能力的有效培養(yǎng)。

（三）教學(xué)方式方法缺乏科學(xué)性

材料力學(xué)課程沿用傳統(tǒng)灌輸式教學(xué)模式，以講授為主，交互性較差。教學(xué)側(cè)重點(diǎn)體現(xiàn)于概念講解與公式應(yīng)用方面，直接忽略了實(shí)際工程應(yīng)用問(wèn)題的分析與解決。再加上教學(xué)活動(dòng)太過(guò)單一，以講解、訓(xùn)練練習(xí)題作為主要方式。以記憶與理解知識(shí)等低階目標(biāo)為主，而實(shí)際應(yīng)用、探究、批判、創(chuàng)新等高階目標(biāo)嚴(yán)重匱乏。理論與實(shí)際之間的聯(lián)系不到位，導(dǎo)致學(xué)生只具備解題能力卻缺少工程概念，不明白力學(xué)模型構(gòu)建過(guò)程，做題與解決工程問(wèn)題之間的聯(lián)系等。同時(shí)，還在一定程度上忽視了對(duì)于學(xué)生工程思維、創(chuàng)新能力的積極培養(yǎng)。

（四）學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)合理性相對(duì)匱乏

評(píng)價(jià)是學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者，正確的評(píng)價(jià)需基于推動(dòng)學(xué)習(xí)作為標(biāo)準(zhǔn)。而傳統(tǒng)教學(xué)模式下，太過(guò)于側(cè)重總結(jié)性評(píng)價(jià)卻忽略過(guò)程性評(píng)價(jià)，即使存在過(guò)程性評(píng)價(jià)但是評(píng)價(jià)指標(biāo)缺乏合理性且量化程度不足，缺乏有效監(jiān)督，根本不能真實(shí)反饋學(xué)生實(shí)際學(xué)習(xí)狀況，更加無(wú)法針對(duì)整個(gè)過(guò)程學(xué)習(xí)提供可借鑒建議［2-3］。

二、以面向工程應(yīng)用為目標(biāo)的材料力學(xué)教學(xué)改革措施

（一）構(gòu)建完善的教學(xué)內(nèi)容體系

材料力學(xué)教學(xué)內(nèi)容選擇與安排需最大程度上符合專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)要求，并直接面向工程，側(cè)重于提升學(xué)生工程認(rèn)知水平，以及培養(yǎng)學(xué)生工程有關(guān)問(wèn)題分析與解決等綜合能力。

1.添加針對(duì)具體專業(yè)的教學(xué)內(nèi)容

材料力學(xué)基本教學(xué)內(nèi)容大體為桿件變形——軸向拉伸與壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)、彎曲；應(yīng)力狀態(tài)與強(qiáng)度理論、壓桿穩(wěn)定性分析等等，均是各個(gè)專業(yè)教學(xué)體系中所明確提出的基本要求。材料力學(xué)課程不僅包含基本理論知識(shí)，且與工程實(shí)際問(wèn)題息息相關(guān)，所以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容服務(wù)于培養(yǎng)目標(biāo)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)各個(gè)專業(yè)特色需適度添加更多可以滿足專業(yè)具體要求的新穎內(nèi)容，促使材料力學(xué)課程和專業(yè)工程實(shí)踐應(yīng)用高度契合。其中機(jī)制類專業(yè)可適當(dāng)添加一些構(gòu)件疲勞，或者結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等相關(guān)知識(shí)內(nèi)容，以促使學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)可以深切體會(huì)材料力學(xué)與現(xiàn)代化設(shè)計(jì)方法之間的密切結(jié)合，從而強(qiáng)化學(xué)生以理論知識(shí)體系切實(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的專業(yè)能力；而材料專業(yè)，可添加復(fù)合材料的力學(xué)性能有關(guān)知識(shí)內(nèi)容，促使學(xué)生可以更深層次的接觸到整體材料力學(xué)的性能理論與實(shí)踐知識(shí)。

2.模塊化建設(shè)健全教學(xué)內(nèi)容體系

基于面向工程實(shí)踐應(yīng)用安排課程具體教學(xué)內(nèi)容，將其模塊化處理，針對(duì)各個(gè)部分關(guān)鍵內(nèi)容，即軸向拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲、組合變形等均劃分成工程背景模塊、基本理論與方法模塊、工程應(yīng)用模塊、拓展模塊。其一，負(fù)責(zé)闡述實(shí)際所需解決的以及和內(nèi)容有關(guān)聯(lián)的問(wèn)題，據(jù)此牽引出工程應(yīng)用對(duì)于材料力學(xué)課程理論發(fā)展的具體需要，側(cè)重于對(duì)學(xué)生的工程認(rèn)知水平進(jìn)行切實(shí)有效提升。其二，均為針對(duì)理論進(jìn)行相關(guān)推導(dǎo)的內(nèi)容，也就是根據(jù)材料力學(xué)的有關(guān)研究方式，面向工程需求，以此推導(dǎo)獲取理論與公式，可使得學(xué)習(xí)深層內(nèi)化材料力學(xué)研究方式及其內(nèi)容，并實(shí)現(xiàn)其自學(xué)與自主解決問(wèn)題的綜合能力。其三，具體闡述了如何以材料力學(xué)基本理論內(nèi)容與方式有效解決工程問(wèn)題的流程，以提升學(xué)生力學(xué)模型構(gòu)建能力，以及以立本理論切實(shí)解決工程問(wèn)題的實(shí)踐能力。其四，主要是為了適當(dāng)擴(kuò)展基本理論和方式，由兩個(gè)層面開(kāi)展，首先是探究材料力學(xué)理論方式與其他內(nèi)容之間存在的密切關(guān)系與差異性，從而深化學(xué)生的理論方式掌握程度；其次是探究在轉(zhuǎn)變理論方式推導(dǎo)過(guò)程中的簡(jiǎn)潔化條件對(duì)于理論方式造成的實(shí)際影響作用等等，以此促使學(xué)生深入理解簡(jiǎn)化模型在工程問(wèn)題求解過(guò)程的影響作用，以及理論和方法的應(yīng)用范圍［4］。

在詳細(xì)講解有關(guān)于拉伸或者壓縮內(nèi)容過(guò)程中，把基本內(nèi)容根據(jù)以上模塊加以闡述講解。其一，對(duì)于工程背景模塊而言，可以陳述分析工程實(shí)際案例的方式，提取出工程內(nèi)具體出現(xiàn)的桿件拉伸或者壓縮變形等問(wèn)題，使得學(xué)生深入感知并了解工程有關(guān)實(shí)踐問(wèn)題。其二，基本理論與方法模塊，根據(jù)材料力學(xué)研究方式方法與步驟，基于詳細(xì)觀察分析變形的規(guī)律規(guī)則，制定假設(shè)條件，構(gòu)建幾何與物理方程，據(jù)此推導(dǎo)得出拉伸與壓縮時(shí)候的應(yīng)力表達(dá)式。其三，工程應(yīng)用模塊，根據(jù)工程實(shí)例指導(dǎo)學(xué)生通過(guò)構(gòu)建力學(xué)模型，并進(jìn)行內(nèi)力與應(yīng)力變形分析的具體流程切實(shí)有效應(yīng)對(duì)工程問(wèn)題，以此流程強(qiáng)化對(duì)于學(xué)生力學(xué)思維及其能力的訓(xùn)練，培養(yǎng)其工程問(wèn)題分析與解決能力。其四，拓展模塊，在外力和桿件之間的軸線不重合的狀態(tài)下，桿件出現(xiàn)拉伸彎曲組合變形，在桿件截面上出現(xiàn)尺寸突變的時(shí)候，此截面的應(yīng)力分布不均勻，也就是存在應(yīng)力集中的不良現(xiàn)象，而距離外力作用的相對(duì)位置比較近的截面上的應(yīng)力分布不再均勻，據(jù)此延伸出有關(guān)原理，在截面為斜截面的時(shí)候，據(jù)此延伸出軸向拉桿件斜截面應(yīng)力。以面向工程應(yīng)用作為目標(biāo)的材料力學(xué)模塊化教學(xué)內(nèi)容體系不僅可以強(qiáng)化學(xué)生工程認(rèn)知水平，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的有機(jī)培養(yǎng)。

（二）采取基于工程應(yīng)用的教學(xué)方法

1.工程實(shí)例法

材料力學(xué)和工程實(shí)際之間的聯(lián)系十分密切，甚至可以說(shuō)材料力學(xué)研究便是為了解決工程實(shí)際問(wèn)題所衍生的，所以在教學(xué)過(guò)程中對(duì)于每部分基本理論和方式方法均應(yīng)側(cè)重闡述其在工程中的實(shí)際應(yīng)用，據(jù)此有效提升學(xué)生工程認(rèn)知水平與實(shí)際應(yīng)用能力。而工程實(shí)例既可以是工程問(wèn)題也可以是力學(xué)問(wèn)題。壓桿穩(wěn)定性概念講解時(shí)，可以實(shí)例分析加以闡釋，即在粗鐵絲兩端增加一定壓力的時(shí)候，難以導(dǎo)致鐵絲彎曲，但鐵絲也可以保持直線形狀處于足夠穩(wěn)定的狀態(tài)，但是在細(xì)鐵絲兩端增加一定壓力的時(shí)候，鐵絲便記憶彎曲變形，但是鐵絲并不會(huì)被折斷只是無(wú)法急需保持直線形狀。據(jù)此實(shí)例分析可引出實(shí)際兩端受壓桿件，偶爾桿件強(qiáng)度不存在問(wèn)題，未出現(xiàn)強(qiáng)度損壞但發(fā)生了形狀改變，也就是壓桿已經(jīng)處于失穩(wěn)狀態(tài)，承載能力已經(jīng)遺失，這便是所謂的壓桿失穩(wěn)。再基于改變鐵絲直接、長(zhǎng)度、兩端約束，促使學(xué)生感觸不同情況下造成的鐵絲失穩(wěn)大小，以充分了解壓桿臨界力的影響要素。如此一來(lái)便可通過(guò)周圍例子使得學(xué)生明白壓桿穩(wěn)定性概念與細(xì)長(zhǎng)桿臨界力的影響因素。以此力學(xué)實(shí)例問(wèn)題進(jìn)行教學(xué)可實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與積極性的培養(yǎng)，再引導(dǎo)學(xué)生以自身吸收的理論知識(shí)進(jìn)行問(wèn)題分析，并構(gòu)建問(wèn)題力學(xué)模型，然后通過(guò)既有理論知識(shí)切實(shí)解決有關(guān)問(wèn)題。工程實(shí)例問(wèn)題的引進(jìn)在學(xué)生問(wèn)題分析與解決能力培養(yǎng)方面的作用是不可替代的［5］。

2.數(shù)值分析解法

材料力學(xué)課程相關(guān)研究方式方法不僅涉及到了理論內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)測(cè)試，還包括數(shù)值分析方法。在工程類問(wèn)題切實(shí)分析和解決過(guò)程中，材料力學(xué)的理論通常也就是只能夠有效解決桿件強(qiáng)度和變形等一類的問(wèn)題，但是實(shí)際工程構(gòu)件形狀各式各樣，很多根本不可簡(jiǎn)化成桿件構(gòu)件，對(duì)此便可以利用數(shù)值分析法。以此在教學(xué)時(shí)在闡述主要內(nèi)容的時(shí)候，同步數(shù)值分析法——有限元單元法引進(jìn)教學(xué)中去，促使學(xué)生可充分深入全面了解軟件的實(shí)際應(yīng)用方式方法，并進(jìn)一步比較分析材料力學(xué)基本理論所得到的解和有限元分析法所得到的解，使得學(xué)生切實(shí)理解材料力學(xué)基本理論實(shí)際應(yīng)用范圍與精確度有關(guān)問(wèn)題，以有效提升學(xué)生綜合能力。

（三）加強(qiáng)以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標(biāo)的實(shí)踐環(huán)節(jié)

1.實(shí)時(shí)更新開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容不僅應(yīng)為材料力學(xué)教學(xué)目標(biāo)提供一定服務(wù)，還要驗(yàn)證材料力學(xué)基本理論準(zhǔn)確性，此外還要緊緊跟隨工程實(shí)踐的相關(guān)具體要求，側(cè)重于實(shí)現(xiàn)學(xué)生基于實(shí)驗(yàn)方法解決實(shí)際問(wèn)題的實(shí)踐能力培養(yǎng)。據(jù)此可適度改進(jìn)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在保留驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，積極開(kāi)設(shè)綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。更新之后的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要?jiǎng)澐譃榛掘?yàn)證性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容兩部分，其中基本驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包含基本力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)、電測(cè)實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)和綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)均是以課程基本理論知識(shí)為基礎(chǔ)，而基礎(chǔ)理論知識(shí)和動(dòng)手實(shí)踐操作能力的鍛煉培養(yǎng)則是作為側(cè)重點(diǎn)，屬于必備實(shí)驗(yàn)。而綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)則以培養(yǎng)問(wèn)題解決和設(shè)計(jì)能力為主要側(cè)重點(diǎn)，學(xué)生可自主選擇感興趣的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要采取多元化教學(xué)模式，學(xué)生可在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放時(shí)根據(jù)要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)自主設(shè)計(jì)，并獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，以強(qiáng)化自身實(shí)踐操作能力。教師在學(xué)生實(shí)驗(yàn)完成之后，匯總分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，指出其中的不足，并和其他同學(xué)討論分析。如此可利于學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并熟練掌握問(wèn)題處理能力，以充分激發(fā)并培養(yǎng)學(xué)生探索精神［6］。

2.布置面向工程應(yīng)用的大作業(yè)

在實(shí)際教學(xué)時(shí)可根據(jù)所學(xué)材料力學(xué)課程內(nèi)容布置面向工程應(yīng)用的大作業(yè)，相關(guān)選題范圍應(yīng)和工程實(shí)踐相關(guān)聯(lián)，或者學(xué)生可以自主選題，明確要求學(xué)生積極構(gòu)建相關(guān)力學(xué)模型，并根據(jù)分析思路選擇最佳方法求得模型解。在講解軸向拉伸和壓縮時(shí)，面向?qū)W生可以布置拖拽電梯轎廂的鋼絲繩強(qiáng)度等問(wèn)題，明確指出各小組選擇任意選題以調(diào)研工程實(shí)際的機(jī)械與運(yùn)行狀況，構(gòu)建力學(xué)分析模型，并以材料力學(xué)理論獲取解，然后根據(jù)科技論文模版書(shū)寫成論文。學(xué)生選題除了教師規(guī)定之外，還有一些是在調(diào)研工程實(shí)例時(shí)所得，且在解決問(wèn)題方法選擇時(shí)除材料力學(xué)理論之外，很多學(xué)生還會(huì)采用數(shù)值分解法，通過(guò)有限元軟件創(chuàng)建問(wèn)題實(shí)體模型、劃分網(wǎng)格以加載求解。通過(guò)安排大作業(yè)不僅可激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，還可培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)造力，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)學(xué)生力學(xué)建模能力與工程問(wèn)題解決能力提升。