材料力學課程內容模塊化教學改革探討

摘?要：材料力學是機械、土木、材料等傳統工學的一門專業基礎課。針對目前材料力學課程教學的現狀以及存在的問題，本文分析了材料力學課程的知識體系及其同課程教學目標的聯系，提出了材料力學課程內容的模塊化教學改革方案，并且詳細地闡述了材料力學課程內容模塊化教學的具體內容，分析了各模塊之間的聯系和該模塊化教學改革的優點，及對材料力學課程教學的促進作用。通過材料力學課程內容模塊教學改革，強化了對比，突出了規律性，且和工程實踐銜接更緊密。

關鍵詞：模塊化教學；知識體系；材料力學

中圖分類號：G642??文獻標識碼：A

Research?on?Modular?Teaching?Reform

of?Material?Mechanics?Course?Content

Hua?Shaozhen

School?of?Mechanical?Engineering，Henan?Institute?of?Technology?HenanXinxiang?453003

Abstract：Mechanics?of?Materials?is?a?professional?foundation?course?of?mechanical?engineering，civil?engineering，materials?engineering?and?other?traditional?engineering.In?view?of?the?current?situation?and?problems?of?the?teaching?of?Mechanics?of?Materials，this?paper?analyses?the?knowledge?system?of?Mechanics?of?Materials?and?its?connection?with?the?teaching?objectives?of?the?course，and?proposes?a?modular?teaching?reform?plan?for?the?content?of?Mechanics?of?Materials.It?also?elaborates?on?the?specific contents?of?the?mechanics?of?materials?course，analyses?the?connection?between?the?new?and?traditional?teaching?content，as?well?as?the promotion?effect?on?the?teaching?of?the?mechanics?of?materials?course.Through?the?teaching?reform?of?the?mechanics?of?materials?course，the?contrast?is?strengthened，the?regularity?is?highlighted，and?the?connection?is?closer?to?engineering?practice.

Keywords：modular?teaching；knowledge?system；material?mechanics

1?概述

材料力學主要研究桿件在受到外力作用后的力學性能，是一些如土木、建筑、車輛、材料、機械等傳統工科的專業基礎課，對學生專業能力以及創新能力培養方面起到重要作用。材料力學屬于專業基礎課，連接了高等數學、線性代數等基礎課和后續專業課程，起到承上啟下的作用。材料力學課程的特點是具有實踐應用性與較強的抽象性和理論性。較強的抽象性使得學生難以將工程問題同材料力學課程相聯系，無法用書本知識解決工程實踐問題。彭雅軒［1］認為在新工科背景下材料力學課程改革應該向工程教育發展，以培養工程類專業人才的科學思維能力及創新能力為改革導向。基于材料力學課程教學的這一現狀，宋瑞雪等［2］等提出了基于工程應用的材料力學課程教學，將材料力學課程和工程實踐相結合，以培養工程應用復合型人才為目標。花少震等［3］將材料力學課程理論教學中引入工程實踐案例，用CAE分析將理論和實踐相聯系，用案例分析驗證理論。張波等［4］提出了“互聯網+科研”的材料力學課程教學改革，通過引入工程實例，闡釋材料力學的相關概念和原理，從而提高教學效果。

材料力學課程較強的理論性，對學生的數學功底以及邏輯思維能力提出了較高的要求。課程概念多、推導煩瑣、易混知識點多使得傳統知識體系教學中面臨學生學習積極性不高、主動性不強、知識點理解不深入等問題。楊磊等［5］通過教學創新，引導學生主動思考材料力學課程，體會課程知識價值所在。郭春霞等［6］將BOPPPS教學模式引入材料力學課程教學，將講授式教學轉變為交互式，提高學生學習的參與度。盡管目前對材料力學課程較強的抽象性和理論性有一些教學方法或模式的探索，但是目前仍然缺少有效改進措施。針對材料力學教學中存在的這些問題，本文深入剖析當前材料力學課程教學知識體系，探尋材料力學課程內容模塊化教學，提高學生學習材料力學的積極性，強化學生對材料力學課程內容的理解。

2?材料力學課程內容教學體系

材料力學課程主要研究桿件在受到外力后的承載能力。外力包括力與力偶，根據外力種類和方向不同，可把桿件受到外力后的基本變形總結為軸向拉壓、剪切、圓軸扭轉、彎曲四種形式。桿件受到兩種以上變形稱為組合變形，但是其研究方法和基本變形相同。此外，材料力學課程還涉及壓桿穩定、應力狀態分析等，但是大量的篇幅集中在基本變形分析。對于每一種基本變形，首先分析其受力，然后利用截面法求截面內力，繪制內力圖。通過內力圖確定危險截面及其內力，然后根據內力求解應力、應變與變形。最終通過最大應力、最大變形進行桿件的強度、剛度分析，確定其承載能力。

所以可以將基本變形的研究順序總結為：受力分析→繪制內力圖→確定危險截面→求解最大應力或變形→強度或剛度分析，對于每種基本變形，都遵循以上相同的五步驟。在第一步受力分析中，需要用到理論力學中靜力學知識，通過列平衡方程，求解桿件受到的約束力，最終確定桿件受到的外力分析圖。第二步則需要繪制內力圖，內力圖的繪制需要用截面法求得相應截面上的內力。截面法需要依次進行“截開→代替→平衡”三個步驟求得對應截面上的內力。第三、四步則需要利用相應計算公式，計算出危險截面上的最大正應力或切應力。第五步將最大應力或最大變形和許用應力或需用應變進行比較分析，通過剛度條件或強度條件，即可確定桿件的承載能力。

綜上分析可得，每種基本變形所遵循的研究步驟、研究方法、研究內容均相同，例如在繪制內力圖時均需要用到截面法。而目前材料力學的教學體系中，均是按照一種基本變形接另一種基本變形依次講解，即對于每種基本變形均需重復上文提到的基本變形研究的五個步驟。這種材料力學知識教學體系的好處是通過多次講解，能突出重點，加深學生對該種方法的印象。但是，這種不同知識點運用同種方法解決問題易使學生產生混淆，也不利于學對比歸納總結，而且多次講解相同方法會對學生學習新知識的積極性產生消極影響。此外，這種教學體系適合多學時課程，對于少學時的材料力學，則需要進行教學內容改革以實現教學目標。因此，必須探索一種新的材料力學教學內容體系，以適應少學時材料力學課程。

3?材料力學課程內容模塊化教學改革的內容

上節探討了當下材料力學課程教學內容體系，分析了該體系下的優點和存在的問題。針對存在的問題，本節旨在不改變材料力學課程內容的前提下，探討一種新的材料力學課程教學體系，通過調整材料力學課程內容模塊，以適應少學時的材料力學課程，并且改善當下教學體系中的問題。

傳統的材料力學課程教學體系以基本變形為大章節，每一種基本變形均沿著“外力→內力→應力→變形→強度→剛度”的順序講解。所以對于四種基本變形，則內力求解、應力應變求方法求解了四次，強度或剛度分析了四次。桿件基本變形不同，內力和應力也有很大區別，例如軸向拉壓的內力為軸力，而圓軸扭轉的內力為扭矩，兩個內力的差別很大。材料力學學傳統教學模塊由桿件變形為主導，總結如圖1。本文探索一種新的模塊化教學，如圖2所示，即材料力學課程改革后教學模塊以內力、應力、變形、強度、剛度、穩定性為主導。和傳統教學以桿件變形為模塊相比，改革后以受力后所需要求解物理量為模塊，在每一個模塊下分別分析桿件各種基本變形和組合變形下所需要求解的物理量，即將桿件每種變形的同一概念放在同一個模塊下學習。這樣相比較材料力學課程傳統教學內容模塊，極大地減少了講解同一概念的次數，而且更為重要的是，將不同桿件變形的同一元素放在同一模塊下，更利于學生對比分析，找出共性和區別，以達到深層次的理解和記憶，從而提高學習效率。

4?材料力學課程內容模塊化教學改革的優點

上文提出了材料力學課程改革后教學模塊，如圖2。相比較材料力學課程傳統教學內容模塊（見圖1），材料力學課程教學改革后具有以下優點：

4.1?滿足少學時材料力學課程

為了適應新一輪科技革命和產業變革，根據國家發展需求，教育部推進了新工科建設，深化工科專業綜合改革，發展新興工科專業。這些新興工科專業具有較強的交叉學科屬性，例如智能制造工程專業，要求具有機械工程、電氣、計算機等學科的專業知識背景。和傳統的工科專業相比，這些新興工科專業要求具有一定的材料力學知識背景，但是對其深度和廣度的要求要小于傳統工科專業，所以在課時安排上這些新興工科專業材料力學課時安排較少。以河南工學院智能制造工程專業和機械設計及其自動化專業為例，智能制造工程專業的材料力學理論課時安排為32課時，而機械設計及其自動化專業的材料力學理論課時安排為56課時，二者課時相差非常大，所以如果按照傳統教學內容模塊授課，多課時的材料力學課程可能影響不大，但是少課時材料力學課程則會給教師的授課以及學生的學習帶來一定的挑戰。教師忙于推進課程進度，學生疲于接受新知識。而改革后的材料力學課程教學減少了重復方法、重復內容的講解，一定程度上緩解了這種趕進度式的教學和應接不暇地灌輸新知識的模式，從而更加有利于精講精練，達到教學效果。

4.2?強化對比，突出規律

改革后的材料力學課程教學模塊不改變教學大綱內容，但是和傳統的教學內容模塊相比，強化了對比，突出了規律性，更加有利于學生理解。傳統以桿件變形為模塊，然后依“外力→內力→應力→變形→強度→剛度”次序講解，講解兩個模塊的同一元素之間時間間隔長，在后一個模塊講解時，可能對前一個模塊下的元素有遺忘或理解不深入的情況，此時則會阻礙學生的理解，產生困惑甚至分歧，從而影響教學效果。例如，軸向拉壓桿橫截面上的應力為正應力，扭轉圓軸上應力為切應力，如果在軸向拉壓模塊下學生不能理解正應力和切應力的區別，則在圓軸扭轉橫截面上切應力求解時需要重復講解正應力和切應力的區別，而且需要再次講解為什么軸向拉壓桿橫截面上是正應力，圓軸扭轉橫截面上是切應力。但是，改革后的材料力學教學模塊以桿件變形的概念為模塊，將多種桿件變形的同一概念放在一起講解，既能區分同一概念在不同變形下的區別和聯系，還能凸顯規律，更加有利于理解和記憶。例如，對于實心圓形截面（直徑為D）桿件的扭轉變形和彎曲變形，在求解應力時需要涉及慣性矩Iz=πD4/64和極慣性矩Ip=πD4/32，在改革后的教學模塊下即可將二者放在一起講授，通過定義的對比、推導的分析，以及結論的探討，強化了學生的理解與記憶，從而實現了教學目標。

4.3?更加有利于和工程實踐接軌

傳統的教學模塊以桿件簡單變形為主導，但是在實際工程實踐中面臨的往往是復雜變形，使學生遇到工程實際問題時，難以將復雜問題和材料力學桿件基本變形聯系，甚至覺得材料力學課程不具有工程實踐性。而改革后的材料力學課程教學內容模塊以概念為模塊，和實際工程問題接軌，無論是桿件簡單的基本變形、組合變形，還是工程中的復雜變形，其面臨的共性問題都是承載能力，都需要求解最大應力、最大變形等。所以，學生經歷改革后的材料力學課程內容模塊教學后，當其遇到工程問題時，即可聯系到材料力學知識，無論是通過簡化分析，還是聯系材料力學知識進行問題深層次分析，都可以為工程復雜問題提供思路，提高對工程問題深層次的認知，從而促進工程問題的解決。

結語

傳統材料力學課程內容以桿件基本變形為模塊，存在對相同概念重復講授的特點，而且和工程實踐的聯系不緊密。針對這些問題，本文提出了以內力、應力、變形、強度、剛度、穩定性為模塊的教學內容體系，分析了改革后教學內容模塊的優點，研究發現和傳統教學內容模塊相比，改革后教學內容模塊突出知識點的對比，極具規律性，而且和工程實踐銜接緊密，更加適用于新工科專業的材料力學課程教學需求。

參考文獻：

［1］彭雅軒.新工科背景下材料力學課程教學改革探索［J］.科技視界，2019（32）：159160.

［2］宋瑞雪，張曉琴，呂超穎，等.基于工程應用的材料力學課程教學創新改革研究［J］.山西青年，2022（10）：2931.

［3］花少震，劉華博，段翠芳，等.新工科背景下材料力學課程理論與實踐教學改革探討［J］.教育現代化，2021，8（23）：6467。

［4］張波，蔣紅.新工科背景下基于“互聯網+科研”的材料力學課程教學改革［J］.西部素質教育，2021，7（23）：132133.

［5］楊磊，黃文，楊向龍，等.土木類本科專業材料力學課程教學創新探索與實踐［J］.高教學刊，2022，8（32）：3538.

［6］郭春霞，董俊哲.新工科背景下BOPPPS教學模式在材料力學課程中的應用探究［J］.創新創業理論研究與實踐，2022，5（13）：179181.

基金項目：河南工學院博士科研啟動基金（KQ1857）

作者簡介：花少震（1988—?），男，漢族，河南信陽人，工學博士，講師，研究方向：計算力學。