材料力學課程的教學

　　材料力學課程的教學【1】

　　摘 要： 材料力學一直以來深受土木、機械等工程學科的重視，是一門重要的專業(yè)基礎課。

　　但材料力學概念多、公式多、數(shù)學計算多，因此需要教師在教學中不斷改進教學方法，提高教學質(zhì)量，以適應培養(yǎng)學生綜合能力的要求。

　　關鍵詞： 教學方法 教學質(zhì)量 綜合能力

　　材料力學研究桿件在荷載作用下的變形破壞規(guī)律，并分析計算構件的強度、剛度和穩(wěn)定性，是一門重要的專業(yè)基礎課。

　　但這門課程概念多、公式多、數(shù)學計算多，內(nèi)容瑣碎而枯燥，為了適應培養(yǎng)學生綜合能力的要求，需要不斷改進教學方法，提高教學質(zhì)量。

　　1.加強對緒論課的講授

　　良好的開端是成功的一半。

　　“緒論”是材料力學課的總綱，重點強調(diào)材料力學來源于工程實際、服務于工程實際的本質(zhì)，并通過具體事例配合多媒體演示的方式詳細介紹材料力學在工程實踐中的應用情況。

　　例如在介紹強度問題時，可以截取報紙等新聞媒體上的有關工程事故的報道，通過這些觸目驚心的畫面，使學生明白強度問題在工程實踐中的重要意義。

　　再如壓桿穩(wěn)定的提出，通過介紹19世紀最后25年，歐美發(fā)生過的最有影響的兩例失穩(wěn)事故：美國阿什特比拉河上同名橋失穩(wěn)事故和瑞士明漢斯太因村鐵路橋失穩(wěn)事故。

　　使橋梁等結構設計由只強調(diào)強度設計，變?yōu)楸仨毧紤]強度、剛度與穩(wěn)定性并重的更完善的體系。

　　這一方面說明材料力學課程的性質(zhì)、目的和任務，另一方面讓學生意識到要始終將理論與實踐相互結合，才能更好地解決工程問題。

　　2.重視實驗教學

　　材料力學實驗作為理論教學的主要補充，對學生工程素質(zhì)的培養(yǎng)有很重要的影響。

　　在實驗環(huán)節(jié)要注重發(fā)揮學生在實驗中的主觀能動性，避免機械式的驗證和演示。

　　例如在辨別低碳鋼和鑄鐵試件時，可以鼓勵學生自己動手通過多種方法辨識外形相同的實驗試件。

　　在做圓截面桿扭轉實驗時，學生清晰地觀察到其失效斷裂是從外表面開始的，不同材料的試件發(fā)生扭轉并失效斷裂的形式不一樣，要求學生觀察畫出斷口的形狀并結合理論知識加以解釋。

　　這樣既提高了學生的學習興趣，又與理論教學緊密聯(lián)系，取得了事半功倍的效果。

　　3.適當?shù)慕虒W方法

　　材料力學概念多、公式多，很多學生反映不能準確記憶公式，在教學中應注意運用比較法，將不同內(nèi)容聯(lián)系在一起。

　　例如，在總結橫截面應力公式時，比較各種基本變形可以得出如下規(guī)律：應力=內(nèi)力·分布規(guī)律/幾何量。

　　這樣可以幫助學生記憶，達到良好的教學效果。

　　目前材料力學教學一般先介紹各種基本變形相應的變形破壞規(guī)律，因此教師每講完一章后，可以對章節(jié)內(nèi)容進行歸納總結。

　　以軸向拉壓為例，可建立起“外力—內(nèi)力—應力—變形—強度—剛度”的基本解題主線，通過這條主線，在以后學習其他基本變形時，學生能夠從整體上掌握基本變形的要求，提高解決工程問題的力學素養(yǎng)。

　　再如在畫內(nèi)力圖時，大部分學生感到非常頭疼，特別是彎曲變形的內(nèi)力圖，不但要注意內(nèi)力的符號規(guī)定，還要畫出內(nèi)力沿軸線的變化趨勢。

　　通常在快速畫剪力圖時，其畫法歸納可以口訣形式給出，以從左向右為例，見到力向上則向上畫，力向下則向下畫，沒有力的為平直線，有均布荷載q為斜直線。

　　畫彎矩圖時，在滿足了相應的圖線微分關系時，指定點彎矩的計算除了用截面法求取之外，還可利用彎矩圖的積分關系求解，這種方法比較直觀，計算量也較小。

　　4.豐富的輔助教學手段

　　利用計算機輔助教學不僅能增加更多的信息量，還能很直接地刺激學生的感官，增強感性認識，從而激發(fā)學生的學習興趣。

　　可以盡量將一些原來需耗費大量時間在黑板上繪畫的作圖通過圖文音像等形式向?qū)W生展示，這樣能更好地幫助學生理解相應的變化。

　　例如在講解壓桿穩(wěn)定內(nèi)容時，可以在開篇時放置大量與壓桿穩(wěn)定有關的工程實例圖片，包括液壓桿頂桿、腳手架中的壓桿、桁架結構中的壓桿等，這些桿件有一個共同點就是又細又長，從而讓學生很直接地認識到壓桿穩(wěn)定問題主要是針對細長桿件。

　　同時可以將壓桿穩(wěn)定失穩(wěn)的過程做成動畫，這樣就可以把隨著載荷F的增加，壓桿保持直線穩(wěn)態(tài)，保持微彎臨界平衡，最終發(fā)生失穩(wěn)的整個過程清晰地展現(xiàn)出來，加深學生對臨界力概念的理解，正確認識穩(wěn)定性問題一般是先于強度問題發(fā)生的。

　　為了活躍課堂氣氛，最好能聯(lián)系生活實際，還可適當做一些課堂小實驗，通過直觀性的演示吸引學生解決材料力學問題的興趣。

　　例如，常見的輸電塔、冷卻塔等為什么沿高度是曲線變化的，可以引導學生計算一個軸壓柱的用料問題，分別討論等直截面，階梯柱和等強度柱三種情況進行對比，發(fā)現(xiàn)等強度柱用料最省，沿高度曲線變化，適用于實際情況。

　　在分析提高梁的承載能力，討論如何選擇合理的截面形狀時，我們可以通過一個小實驗說明。

　　在課堂上隨意選取一張白紙，將其置于桌面的兩個支承之上，在白紙上置放一支粉筆，粉筆立即掉落在桌面上，但如將這張白紙多對折幾次再展開放置于支承上，此時則可以放置多支粉筆。

　　同樣一張紙經(jīng)過簡單的處理就大大改善了承載能力，這是因為其橫截面的抗彎截面模量Wz得到了很大提高，從而使承載能力增加。

　　這些措施大大提高了學生的學習興趣，加深了對相應理論教學內(nèi)容的理解，值得我們不斷總結挖掘。

　　隨著科學技術日新月異的發(fā)展，我們應將傳統(tǒng)黑板教學思維的連貫性、多媒體教學的豐富性和直觀性趣味教學的吸引性有機結合起來，優(yōu)勢互補，不斷探索更為有效的教學方法，為提高材料力學的教學質(zhì)量而努力。

　　參考文獻：

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　　改進材料力學課程教學的體會【2】

　　摘 要 材料力學是高等學校工科類專業(yè)的一門重要專業(yè)技術課，在專業(yè)教學改革中占有重要的地位。

　　對這一傳統(tǒng)課程進行剖析，提出一些改革思路，特別對教學手段和方法提出一些建設性建議。

　　關鍵詞 材料力學;實驗和實踐;信息技術

　　材料力學是高等學校工科類專業(yè)的一門重要專業(yè)技術課，是構成專業(yè)課程的基礎支撐平臺，起著承上啟下的銜接作用，又緊密結合工程實際，實用性廣，對培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新能力意義重大。

　　但該課程概念抽象，理論性強，且教學課時數(shù)被不斷壓縮，其課程體系、教學內(nèi)容和教學方法都與當前我國高等教育從以傳授知識為主的知識教育向以培養(yǎng)能力為主的素質(zhì)教育的轉變很不適應，與培養(yǎng)創(chuàng)造型人才的要求存在明顯差距。

　　因此，必須在認知規(guī)律的指導下，調(diào)整課程體系，整合教學內(nèi)容，尋求科學合理的教學模式，嘗試多種教學方法，加強課程信息化，在傳授理論知識的同時鍛煉學生實踐能力，加強創(chuàng)新思維培養(yǎng)，以實現(xiàn)“培養(yǎng)具有強烈創(chuàng)新意識和實踐能力的復合型人才”的目標。

　　1 調(diào)整課程體系，整合教學內(nèi)容

　　材料力學內(nèi)容復雜，知識點多，學生在短時間內(nèi)很難掌握，大多數(shù)學生學起來有一定的困難。

　　必須刪減教學內(nèi)容，調(diào)整教學結構，刪繁就簡，確保主干，理順關系，突出重點。

　　1.1 突出共性，提綱挈領

　　材料力學課程中“拉、壓、剪、扭、彎”各種基本變形都按內(nèi)力、應力、變形以及強度、剛度的同一次序進行分析討論，對每種基本變形問題，又都采用“平面假設――變形幾何關系――物理關系――靜力平衡條件――應力公式”這一相同的推導過程。

　　顯然，這種多重循環(huán)的知識體系內(nèi)容重復多，教學過程缺乏新意，花費學時量大，還不利于學生對知識的融會貫通，從而激發(fā)學生學習的積極性。

　　設想將課程內(nèi)容分為多個模塊，把各種基本變形的共性問題(如內(nèi)力、應力、變形等)集中起來討論并加以分析，實現(xiàn)各種基本變形以及組合變形下桿件的內(nèi)力分析、應力分析與強度計算方法的貫通。

　　這樣可突出共性，強化概念，有利于學生掌握事物的內(nèi)在聯(lián)系，提綱挈領，掌握課程的精華。

　　由淺到深，由粗到精，循序上升，能培養(yǎng)歸納綜合能力和知識滲透能力，也能避免重復循環(huán)，節(jié)約課時，取得事半功倍的效果。

　　1.2 通過異同對比分析實現(xiàn)認識的由此及彼擴展

　　依照學生學習知識的認知規(guī)律，在講述新的概念時，要把新知識與舊知識(已學過的)聯(lián)系起來，在對比中理解其實質(zhì)異同。

　　如：吃透了力矩概念后就很容易建立一個力偶的概念;學完了平面力系進入空間力系，就要剖析清楚平面和空間的根本區(qū)別與聯(lián)系;學完了“理論力學”再研究“材料力學”，突出的矛盾是剛體的概念將被否認，物體的變形成了事實。

　　這種聯(lián)系對比既可引起學生的興趣，也有利于突出新知識的難點。

　　1.3 分散難點，各個擊破，避免陷入復雜的公式推導

　　材料力學公式多，推導過程繁雜，如果詳盡地給學生推導公式必然耗費大量課時，板書滿黑板，教師自己疲憊不堪，不僅收效甚微，還加重了學生的懼怕心理。

　　熟練應用力學中的基本方法和公式，是學好材料力學這門課程的基本要求。

　　如何才能使學生達到上述要求呢?當然不是死記硬背某些概念或公式就行，而是要在對理論的基本思想、推導過程及適用范圍進行明確的理解和掌握的基礎上運用自如。

　　應該以讓學生理解和會應用公式計算為目標，把重點放在講清楚力學基本概念和結論以及公式適用范圍、使用注意事項。

　　公式本身講解盡量簡單，少講數(shù)學推導過程。

　　這樣既可以節(jié)約課時，又可以使問題簡單化，提高教學效率。

　　1.4 盡量不搞“滿堂灌”

　　在授課過程中每堂課都要安排一定的時間來進行答疑，鼓勵學生發(fā)表自己的想法和見解，鼓勵學生通過互相討論的方式解決問題。

　　同時通過在教學內(nèi)容中增加一些與本學科聯(lián)系緊密的實際例題來激發(fā)學生的學習積極性，增強教學效果。

　　教學應該始終注重理論聯(lián)系工程實際，以探討和啟發(fā)性思維的開放式教學為主，通過問題講義的方式，針對具體的工程問題進行講解和討論。

　　注重學生對知識原理的理解和應用，盡量通過工程實例，并結合知識內(nèi)容闡釋和理解在現(xiàn)實生活中所出現(xiàn)的現(xiàn)象，既加深對材料力學知識的理解，又著力培育學生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。

　　這種從“教學資源導向型”教學方法向“能力訓練導向型”教學方法轉變的實質(zhì)是要發(fā)揮學生的主觀能動性，提高學生的實踐能力和創(chuàng)新意識，還可以進一步豐富教師的教學內(nèi)容。

　　1.5 引導學生習慣于畫圖分析，培養(yǎng)形象思維

　　要引導學生習慣于依據(jù)所研究的問題畫出正確恰當?shù)氖疽鈭D，創(chuàng)設形象的物理情形，經(jīng)過表示圖來指導學生用籠統(tǒng)的概念和規(guī)律來解答詳細形象的實踐問題，養(yǎng)成畫圖剖析的習慣。

　　圖形能幫助學生準確了解題意，畫出正確的受力剖析圖是正確處理力學問題的關鍵。

　　不畫受力圖或圖畫得不正確，常常難以得出正確的結果。

　　即便一時能得出正確的答案，但養(yǎng)成了這種不良習慣，一旦遇到較為復雜的問題時，就不知道如何下手了。

　　在教學中要注重表示圖畫法的鍛煉，教會學生如何經(jīng)過審題，畫表示圖，從易到難，逐漸消除思想障礙。

　　同時要求學生把練習本的左側折出三分之一，特地用作畫圖區(qū)，把圖像作為樹立關系、列方程的根據(jù)。

　　畫圖習慣的培育需求一個過程，對應該畫圖而沒有畫圖的答題應扣去大局部的分數(shù)或可讓學生重做，從嚴請求，使之形成習慣。

　　這也是在培育學生的形象思維。

　　須知，形象思想并不僅僅屬于藝術家，它也是科學家進行科學發(fā)現(xiàn)和發(fā)明的重要思維方式。

　　1.6 開設討論課和習題課

　　讓學生運用所學知識解決各種問題，從而有效地掌握分析和解決問題的方法;建議學有余力的學生，利用工程界廣泛使用的MATLAB科學計算語言，對材料力學中的某些問題進行計算機模擬和分析，使學生在掌握MATLAB語言的同時，能夠運用計算機軟件來解決實際的力學問題。

　　2 教學信息化

　　2.1 使用現(xiàn)代信息技術將抽象的教學內(nèi)容形象化，盡可能由感性到理性

　　傳統(tǒng)的教學內(nèi)容都是經(jīng)過選擇、緊縮、改造而具典型化和簡約化，更具高度的籠統(tǒng)性。

　　若是照本宣科，學生很難理解，因此有必要應用圖形圖片、電視錄像、多媒體課件等手段再現(xiàn)研究內(nèi)容的變化過程。

　　合理創(chuàng)作應用電子教案、多媒體技術教學，充分調(diào)動學生學習的主觀能動性，激發(fā)學生學習的興趣。

　　制作多媒體教學課件、復習指導等教學輔助材料，實現(xiàn)傳統(tǒng)教學手段(如課堂講授、上習題課)和現(xiàn)代教學技術(多媒體教學等)的緊密結合。

　　通過課堂展示、提供交流和互動平臺，活躍課堂氣氛，增強學生學習興趣，取得較好的效果。

　　對于一些較為抽象、難以用語言描述清楚的教學內(nèi)容，還建議采用圖片、動畫視頻、聲音等多媒體技術，動靜結合，有聲有色，如材料破壞的動畫演示，從而增加學生的感性認識，

　　2.2 建立材料力學課程試題庫及自學自測系統(tǒng)(學習輔導系統(tǒng))

　　建立作業(yè)系統(tǒng)和基于網(wǎng)絡的實驗教學體系，可以利用現(xiàn)代網(wǎng)絡技術來提高教學質(zhì)量、教學效率，督促學生課前、課后的學習，全程跟蹤學生的學習狀況，這是一種比較有效可行的教學改革方法。

　　同時，教學信息化的技術是充分應用計算機和網(wǎng)絡來完成教學前和教學后的工作，大大減少教師的勞動強度，非常值得學習和借鑒。

　　3 加強實驗和實踐環(huán)節(jié)

　　加強實驗和實踐環(huán)節(jié)，如自制實驗裝置，使實驗小型化、多樣化，從而增加學生動手操作的機會和時間。

　　壓縮理論教學環(huán)節(jié)，增加力學相關軟件和上機操作實踐。

　　值得注意的是，隨著素質(zhì)教育要求的不斷提高，材料力學實驗已經(jīng)成為課程的重要組成部分。

　　實驗教學的基本任務是：幫助學生理解和掌握理論體系的基本概念，使學生掌握材料力學性能的測試方法，培養(yǎng)學生的動手能力，培養(yǎng)學生綜合運用理論與實驗手段解決工程問題的能力。

　　理論教學與實驗教學是相輔相成的，不能相互取代，因此除了理論教學外，在教學改革方面還必須兼顧實驗教學，實驗教學必須為理論教學服務。

　　當然，材料力學實驗并不應當停留在單純理論的驗證上，必須將培養(yǎng)學生能力作為重中之重，開設學生獨立實驗，使學生對實驗內(nèi)容的理解更為深入，對實驗操作也做到心中有數(shù)。

　　另外，針對當前實驗內(nèi)容較為簡單，缺乏思考性和啟發(fā)性的現(xiàn)狀，還應適時更新實驗內(nèi)容，使實驗更加豐富有趣，激發(fā)學生的學習興趣。

　　在實驗教學中應該借助現(xiàn)代力學手段，為學生提供更多的動手機會。

　　當前由于實驗設備數(shù)量有限，大部分實驗還是演示性實驗，這種情況帶來的直接后果就是教師演示、學生觀看，學生處于被動地位，不利于培養(yǎng)學生的動手能力。

　　為了培養(yǎng)學生的工程意識和科學作風，啟發(fā)學生的開創(chuàng)思維，應大力創(chuàng)造條件采用開放實驗室，給學生留有充足的時間，給他們親自動手的機會，以充分發(fā)揮設備資源的潛力，培養(yǎng)學生學習的興趣，切實把理論知識和實驗技能密切結合起來，使學生對所學課程有形象和深入的理解，這樣才有利于人才的培養(yǎng)，有利于教學質(zhì)量的進一步提高。

　　4 考核

　　隨著教學改革工作的深入發(fā)展，各個學科的課程評估工作已全面展開，而評估的核心是對考和學兩個方面的質(zhì)量評價和估計，其重要的手段之一是對學生進行考試。

　　傳統(tǒng)的考試制度是任課教師“一包到底”，即誰任課，誰出題，誰閱卷。

　　這種考試無疑存在很大的弊病，一方面不易檢查教師的教學水平和教學效果;另一方面，由于每位教師在長期的教學中形成的自己傳統(tǒng)的教學與考試的特點和側重點，對檢查學生的學習效果也有很大的不利影響。

　　因此，要提高教學質(zhì)量，改革這種“一包到底”的考試制度勢在必行。

　　建立試題庫、運用試題庫、實現(xiàn)教考分離則是有效的改革方法之一。

　　這樣不僅能考出學生的學習成績，更重要的是對教師的教學水平、教學效果也是一個很好的檢驗。

　　這樣必然促使教師對教學工作的重視，所以在一定程度上對教學工作起著積極的推動作用。

　　課程考核應按平時成績和期末考試加權計算，平時成績按實驗成績、出勤、課堂提問、作業(yè)等綜合評定。

　　5 結束語

　　在材料力學課程教學改革與實踐中，通過課程體系和內(nèi)容的創(chuàng)新、教學方法和模式的創(chuàng)新、考試與考核方法的改革，對材料力學課程教學大綱進行重新修訂。

　　在保留原有經(jīng)典教學內(nèi)容的基礎上，盡可能提高該課程的起點，引入復合材料力學、彈塑性力學等近代力學知識。

　　研究對象從各向同性材料拓展到各向異性材料(如復合材料)，介紹新的研究方法和設計思路(如可靠性設計、優(yōu)化設計等)，廣泛采用多媒體研究手段，使課程教學改革富時代氣息，與時俱進地推動材料力學課程教學改革持續(xù)、健康地向前發(fā)展。

　　參考文獻

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