材料力学案例教学的实践与研究

赵春香　于月民　盖芳芳

[摘 要]材料力学是一门专业技术基础课。针对土木工程专业学生开设的材料力学课程的教学特点和教学环境，充分利用教室中的投影仪吊杆、桌椅与地面的连接件及梁柱等，在教学中进行了就地取材式案例教学的实践与研究，改变了传统教学中教师单一的主体地位和教材多年的固定化模式，为培养学生树立工程意识和解决工程实际问题的能力进行了有益的尝试。

[关键词]材料力学 就地取材 案例教学

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2015）10-0148-02

材料力学是一门专业技术基础课，它是在人们运用材料进行建筑、机械等工业生产过程中，对材料的实际承受能力和内部变化进行研究而形成的，是研究材料在各种外力作用下产生的强度、刚度、稳定性及各种材料破坏的极限，是所有工科学生必修的学科，从而实现满足构件承载能力的同时，可以减少材料用量，优化结构设计，以达到降低成本、减轻重量等目的。[1]然而由于目前教学中多数都是直接就力学计算模型进行讲解，这对缺少工程实践背景的学生来说，还是较难理解力学基本概念的。而案例教学通过提供一个真实的或模拟的具体情景，有选择地把问题呈现出来，让学生置身于该情景之中，在教师的组织下，通过对案例的阅读、思考、分析、讨论和交流，开发学生发现、分析和解决实际问题的能力。[2]然而，成功案例教学的前提是案例的选择要满足适用性与合理性的要求。从学生的角度看，案例必须与学生有较高的相关度，即案例所描述的情景应该是学生可以根据自己的知识背景、经验乃至想象力而置身其中的。从教师的角度看，案例能否达成特定教学目标，案例难度能否控制在教学能力所及范围之内，案例是否与案例讨论的时间安排以及物质方面的设施相适应，是教师选择案例时必须要考虑的因素。因此，我们在材料力学课程教学中进行了就地取材式案例教学的实践与研究，旨在改变传统教学中教师单一的主体地位和教材多年一贯的固定化模式，适应学习者建构知识、接受知识的内在认识秩序，增强和发挥学生自身主体性的客观规律，从而达到提高学生科学思维能力和创新实践能力以及培养学生树立工程意识和解决工程实际问题的能力的教学目的。

下面以土木工程专业学生开设的材料力学课程的基本变形为例，介绍材料力学就地取材式案例教学的具体教学情况。

一、材料力学案例教学的实施

（一）以“轴向拉伸和压缩变形”教学内容开展案例教学

改变传统的对力学计算模型进行受力和变形分析的方法，而是以教室中的投影仪设备安装为例，让学生代表校方安装负责人的身份进入角色。如：学校要在原有建筑的教室中安装投影仪设备需要考虑哪些问题？若在新增投影仪设备自重作用时，原有教室承重结构仍能保障安全的前提下，该考虑什么问题？在投影仪设备型号、自重等已知条件下如何选择投影仪吊杆？选择投影仪吊杆要考虑哪些因素，选择什么材料？吊杆截面形式和截面尺寸如何确定？

带着这些让学生感觉无从下手又必须解决的现实问题，开始进行吊杆的受力分析和变形分析，然后在学生已学的图学基础上，再进行立面投影，从而抽象出教材上的力学模型；然后借助多媒体现代化教学手段，引申出工程实际中的吊车绳索、斜拉桥的斜拉杆、千斤顶、活塞杆等工程实际问题中具有同样受力特点和变形特点的这一类变形，统称为轴向拉伸和压缩变形。这样不仅让学生理解了轴向拉伸和压缩变形的基本概念，而且还培养了学生对具体工程问题如何进行受力分析和变形分析的力学思维，树立了学生工程意识和解决工程问题的能力。

在受力分析和变形分析基础上，再就如何选择吊杆材料属性等引出轴向拉伸和压缩试验的必要性和具体试验方法等。在确定了吊杆选材后，再就如何确定截面形状和截面尺寸及横截面面积大小和杆长短的影响引出研究内力、应力和应变等概念及其强度、刚度条件公式推导等。然后在学生自己应用强度、刚度条件选取材料和确定截面形状和截面尺寸后，由学生总结发生轴向拉伸和压缩变形这类工程问题的研究方法和考虑的影响因素等。这不仅理论联系实际，增加了学生学习材料力学的兴趣，也使学生的学习能力和解决工程问题的能力得到了显著的提升，而且这种从学生到工程负责人角色的转变，使其责任感和使命感得到了升华，真正实现了材料力学教学的目的。

（二）以“剪切和挤压变形”教学内容开展案例教学

提前预留作业，请学生分组讨论课桌与地面之间连接件螺栓主要的受力特点和变形特点，并讨论：螺栓必须满足什么条件，才能保障课桌的正常使用？举例说明具有这类受力特点和变形特点的连接件还有哪些？这些连接件通常用在哪些地方？

课堂上先由各组学生选出代表发表自己组的观点和考虑的因素等，然后由老师来总结并分析课桌与地面之间连接件螺栓受力特点和变形特点，及为什么考虑主要变形是剪切挤压因素而忽略了弯曲变形等次要因素；再借助多媒体现代化教学手段举出小到生活上用的剪刀，大到工程上用的截筋机、剪板机、汽车轮轴的链接以及土木施工脚手架、机械零件的连接，“泰坦尼克号”等船舶、车辆，航空航天的飞机、宇宙飞船等都离不开小小的螺栓、铆钉和键等连接件。

在明确了连接件螺栓主要的受力特点和变形特点基础上，用类比法建立与轴向拉伸和压缩强度条件相似的剪切挤压强度条件，再由每个学生自己假设自己推桌子的用力大小具体来选取课桌地脚螺栓的直径，最后由学生一起来确定工程上选择的螺栓直径应该取所有同学计算螺栓直径中的最大值。

这样的就地取材的案例式教学不仅仅是学习了剪切挤压的实用计算强度条件，更让学生逐步感觉自己俨然是参与到设计团队中，增强了学生学习和未来工作的信心，开拓了学生的思路和见识，对以后分析问题时如何抓住主要因素和如何设计等起到了促进作用。

同理，以学生拧瓶装矿泉水瓶盖、洗衣服时拧衣服等体验和教室内的梁，学生的书、本、笔，讲台的粉笔盒、黑板擦等为案例素材，对扭转变形和弯曲变形进行案例教学，对学生们理解基本概念，掌握其实质内容及熟练应用所学解决具体工程问题，都奠定了坚实的基础。

二、案例教学实施的策略与评价

案例教学这种教学模式在激发学生学习兴趣，增强学生自主学习，促进学生沟通交流合作，树立学生工程意识和分析解决问题能力等方面的作用不言而喻。但在案例教学过程中还应注重以下几方面。

（一）案例选择遵循的原则

在课堂教学过程中，案例的选择要适应教学目标的需要，适应学生现有的发展水平。因此，选择案例时应遵循案例选材的真实典型性、科学完整性、积极教育性、信息适量性等基本原则，这也是成功案例教学的前提要求。[3]

（二）案例教学实施步骤

在案例教学实施过程中，应事先做好充分的课前准备工作，加强案例教学实施过程的课堂管理，注重案例讲评与总结。其具体实施开展案例教学主要包括：1.教师课前选取合理适用的案例，设计分组讨论方案，预留预习教材相关内容和案例分析的课前作业；2.学生课前预习教材相关内容和分组讨论分析案例，在认真阅读案例，充分理解案例所描述的事实和细节及反复思考讨论的基础上，以报告的形式形成自己的见解和解决问题的方案；3.课上，在精心设计基础上，教师紧紧围绕教学内容和教学目标展开具有启发性和目的性的案例讨论分析，使学生在积极参与讨论和思考过程中，都能成为自主学习的主体；4.通过引导学生进行归纳概括，使学生分析问题的思维得到进一步升华的同时，增强自己解决问题的信心；5.为了充分调动学生参与的积极性和提高案例教学的教学效果，还应注重过程管理，在引导学生积极参与的状况下，还应对具有独到新颖见解的学生给予平时成绩加分等奖励。

三、结语

针对材料力学课程传统的教学特点和目前学生缺乏工程实践背景的状况，将案例教学特点与土木工程专业特点相结合，在材料力学课程教学中进行了就地取材式案例教学的实践与研究，改变了传统的教学方式和教学方法，增强和发挥了学生的主体作用，激发了学生的学习兴趣，提高了学生的科学思维能力，培养了学生工程分析和解决工程实际问题的能力，使学生对今后专业课程的学习及未来工作岗位上解决工程实际问题充满了信心，为土木工程专业开设的材料力学课程的课堂教学改革进行了有益的探索。

[ 注 释 ]

[1] 孙立红，刘宝良.培养工程能力，深化材料力学教学改革[J].东北农业大学学报（社会科学版），2011（5）.

[2] 陈福松.案例教学与创新型人才培养[J].扬州大学学报（高教研究版），2009（5）.

[3] 经柏龙，罗岩.论案例教学及其运用[J].沈阳师范大学学报（社会科学版），2006（1）.

[责任编辑：钟 岚]