少学时《材料力学》课程教学内容及方法探究

张小安,范开敏

(四川文理学院1.智能制造学院;2.达州智能制造产业技术研究院,四川达州635000)

少学时《材料力学》课程教学内容及方法探究

张小安1,2,范开敏1

(四川文理学院1.智能制造学院;2.达州智能制造产业技术研究院,四川达州635000)

针对当前高校普遍压缩该课程教学课时的情况,探讨《材料力学》课程的教学内容的取舍,并对如何提高学生的学习兴趣,降低学生学习本课程时的难度提出了一些思路.

材料力学;教学内容;教学方法;基本措施

《材料力学》是高校理工科专业一门承上启下的专业技术基础课,是和实践应用联系较为紧密的一门课程.《材料力学》是力学专业、水利工程专业、机械工程专业、建筑结构工程专业、道路桥梁工程专业、车辆工程专业等的必修课,是机械设计、结构力学、建筑结构等课的选修课程,更是解决工程实际的理论基础.《材料力学》系统的、理论化的发展至今已有300余年的历史,其中的经典理论从古到今的工程实践和科学技术中一直被广泛应用.[1－3]其在培养应用型人才中也发挥着重要作用.本文就材料力学课程的教学内容和教学方法进行一些初步探索.

1 教学内容

根据各个专业、各个不同教学层次对知识侧重点要求的不同,现在市场上材料力学教材版本较多,应根据各专业的专业特点要求选择合适的教材,一般机械类专业选择刘鸿文主编的教材较为合适.该教材内容涵盖了为后续机械专业课程的学习所必须掌握的全部内容.

1.1 教学内容的取舍

随着高校教育教学改革,各个学科专业都在压缩课时,材料力学由原来的120课时到现在的64课时,理论讲述只有48课时,教材为了系统性和完整性所编排的上下两册内容在现有课时情况下是不能全部讲述的.[1]且该门课程基本假设多、公式多、知识点繁杂、理论知识抽象,在学习过程中有一定难度.把材料力学知识点全面传授给学生对教师教学和学生学习都有较大的难度.刘鸿文主编教材上册有九章,[1]主要内容见表1.

表1 材料力学上册主要内容

在这些章节知识点中,重要的是杆件的四种基本变形,即拉压、剪切、扭转、弯曲.这四种变形在日常生活和工程实践中随处可见.通过材料力学的学习,要求学生深刻理解杆件强度、刚度、稳定性的概念,并能运用基本理论、基本运算对简单的工程实践中所涉及杆件的基本变形做必要的分析与设计.因此前六章为本书讲授重点部分,其中第七章的应力应变、强度理论是除了前边几章基本变形外的一个较为重要的知识点.在时间有限的情况下应保证学生对前七章知识理解、运用掌握的基础上再进行后续课程的学习.

1.2 教学内容的讲授

《材料力学》涉及的内容属于固体力学和材料科学,但是又不同于固体力学.材料力学所研究的对象,仅限于轴线为直线的等直杆件物体;同时也不同于材料科学,它只研究材料宏观的力学行为不涉及材料的微观机理.[4]在讲授的过程中既要联系前期已经学习过的知识,同时也要加以区分,即“联系、区别”.一般材料力学课程安排在理论力学课程之后,在讲授的时候要强调理论力学研究对象为刚体,而材料力学的研究对象为弹性体.研究对象的不同使得理论力学中很多理论在材料力学中不再适用.比如绪论一节里所介绍的材料力学中的内力和理论力学中内力的概念就应加以区分.在绪论部分介绍材料力学基本假设的时候还可以和先修的机械工程材料的一些知识加以联系和区别.

对于四种基本变形刘鸿文主编的《材料力学》一书中《主要介绍了拉压、扭转、弯曲三种基本变形.对该三种变形每种变形都进行了大篇幅理论的系统的介绍,其遵循了“轴力－应力－强度－刚度”这么一条线在讲解.同时又都遵循“平面假设－变形几何关系－物理关系－静力平衡条件－应力公式－计算变形量公式”这么一条线讲解.[5]比如“拉压变形”开篇所讲的“截面法”求轴力同样适用于“扭转变形”与“弯曲变形”求内力.拉压变形强度计算可以解决强度校核、确定截面尺寸、确定系统许可载荷这三类问题,后边的扭转变形和弯曲变形的强度计算同样是解决这几类问题.这种在三种变形中运用同一方法的例子较多,此处不再叙述.总之,在讲授材料力学这门课程的时候要突出共性,强化概念让学生深刻理解事物的内在共性,掌握课程的精华.

2 教学方法

材料力学课程学习过程中,普遍存在学生学习热情度不高,授课效果较差的现象.针对这种情况应采用各个不同的方法,提高同学们的学习热情,讲透基本概念,使学生了解本课程知识在日常生活中的应用,增强学生学习的成就感和使命感.2.1 讲好绪论,激发兴趣

材料力学是经典力学和生产实践相结合而发展的一门学科,现实生活中运用材料力学而成的例子比比皆是.讲好绪论,可以大大激发学生对材料力学这门课程的好奇心从而增加其学习的兴趣.同时,在讲授绪论中要将材料力学研究的对象、任务;研究方法;基本假设及杆件的基本变形等问题讲清楚.这就要求教师不仅对材料力学的内容要有深刻理解,同时对材料力学的产生、发展及现状全面了解.在开篇介绍材料力学的时候,可以从学生熟悉的力学课程的力学体系介绍引入材料力学的概念.在讲授材料力学起源及现状的时候,可用一些从古流传至今的伟大工程实例.如赵州桥,其长度为50.82米跨度为37.72米,用石料2800余吨,历经了10次水灾,8次战乱和多次地震,至今完好.山西应县木塔建于1056年,塔高67.31米,底层直径30.27米,全塔耗木料3000立方米,2600多吨,纯木结构、无钉无铆,900多年来历经数次地震不倒,是中国现存最高最古的一座木构塔式建筑.以此展示我们先辈对本门知识不管在生活实践还是工程技术中的理解之深刻、运用之成熟,即便当时他们没有做严格的逻辑推理及数学分析.

2.2 理论联系实际,加深知识的理解

与实践结合紧密是材料力学课程一个重要的特点,培养学生理论联系实践的能力显得尤为重要,在教学过程中可以精选一些工程实例进行分析、讲解.这样通过实际应用加深了学生对知识的理解,也培养了学生理论联系实际的能力.在讲授剪切变形的时候,首先对比生活中的事例,比如剪刀剪东西时上下两个刀刃是不是对齐的、夏天吃黄瓜时上门牙和下门牙的位置怎么布置的.这样学生在今后的学习中看见剪刀或者吃固体的需要上下牙剪断的东西就会想到剪切变形,对该概念的书面文字的理解转化为生活常识的理解.在扭转变形时让大家想想,如果手洗床单让床单快干就需要两个同学两边各站一人扭转,金工实习时给圆柱外表面加工螺纹时所做的动作,就可以很快地引入扭转变形的概念.弯曲变形较复杂,在讲解之前让学生思考教室屋顶混凝土大梁横截面面积的形状、放置方式.通过这些实例,让学生感受材料力学的神奇,同时也让学生知道了材料力学和生活密切相连,并没有书本上用那么多公式表现的那么难,增强学生学习的信心.

2.3 把握学科特点,培养科学思维

任何一门学科的授课,不仅要注重传授具体知识,同时也要培养学生科学思维,达到即授“鱼”又授“渔”,材料力学课程也不例外.材料力学课程假设多、概念多、公式多,但分析问题的方式方法却基本相同,前后章节内在联系紧密.为了让学生在后续课程的学习中不为那些新的公式所困扰,在拉压变形中就应将一些基本方法、原理讲透彻:即对待一个受力杆件首先是分析所受外力的特点,其次是轴力的求法、轴力图的绘制、截面上应力的求法、斜截面上应力的求法、强度条件及计算、拉压变形胡克定律成立的条件、杆件单位长度的变形量及刚度条件及计算.从一开始就给学生建立一个系统的、联系的分析问题的基本思路,在后续章节中以这样的程序再学习一边,最终,使得学生对材料力学中分析问题时可以遵循一定的科学思维.

2.4 前后类比,降低学习难度

在材料力学的授课过程中,教师要引导学生将前后知识、新旧知识之间进行比较,搞清它们之间的联系与区别.这样一则可以帮助学生将已经学习过的知识由“点”“线”“面”的形式串接起来,形成知识体系,是为“温故”,二则可以让学生对后续要学习的知识的概念、方法等有一个大致的了解,是为“知新”.比如在学习完拉压变形后要进行扭转变形学习时,在复习完拉压变形基本知识点后,可以简要介绍扭转变形的研究过程,前后类比而达到降低学习难度的目的.类比如表2.

表2 拉压变形和扭转变形参数对比

此外,材料力学中前后章节公式很多,但许多公式内在形式是一致的,通过类比帮助深刻理解公式,便于记忆.例如.两公式虽然描述的变形不同,表达的量不一样,但都可以写为其中,x表示ΔL或φ.通过这样的对比,整本书中很多的公式都可以这样记忆.

3 结论

材料力学课程作为工科院校许多工科专业的一门核心基础课程,对授课教师和学生而言提高其教学质量、学习质量是一个严肃的问题.随着社会的发展学生对知识应用于实践的要求越来越高,材料力学作为和实践联系紧密的一门课程,在锻炼学生形成科学思维、提高动手能力方面发挥着重要作用,在教学过程中提高学生的工程能力是现今教学的根本目的.

[1]刘鸿文.材料力学[M].北京:高等教育出版社,2010:1－4.

[2]孙训方,方孝淑,关来泰.材料力学[M].北京:高等教育出版社,2009:1－5.

[3]刘 露,沈玉凤.提高《材料力学》教学质量的研究[J].中国科技信息,2012(10):140.

[4]李军强.材料力学课程课堂教学方法探讨[J].高等函授学报:自然科学版,2012(5):54－57.

[5]谢 冰.改进材料力学课程教学的几点体会[J].中国教育技术装备,2012(4):70－72.

[责任编辑 范 藻]

Research on the Teaching Contents and Methods of Mechanics of Materials with Less Lessons

ZHANG Xiaoan1－2,FAN Kaimin1
(1.Intelligent Manufacturing School of Sichuan University of Arts and Sciences,Dazhou Sichuan 635000; 2.Dazhou Intelligent Manufacturing Industrial Technology Institute,Dazhou Sichuan 635000,China)

This paper is going to research on the teaching contents and methods of the course Mechanics of Materials.In view of the teaching arrangements compression in the current university,this paper discusses the teaching content selection of Mechanics of Materials,and puts forward some basicmeasures on how to improve students’interest in study,and reduce the difficulty in learning the course.

material Mechanics;teaching content;teaching method;basic measures

G427

A

1674－5248(2017)05－0132－03

2017－05－20

四川文理学院教育教学改革研究项目“理工科实验教学改革实践——以材料力学实验教改为例”(2013JY16)

张小安(1979—),男,陕西咸阳人.助教,硕士,主要从事材料力学教学及数字化装备与制面研究.