应用型本科院校少学时材料力学教学方法探讨

彭英

[摘           要]  材料力学是理工科专业重要的基础课程之一，针对材料力学的课程特点及少学时等教学现状，结合培养应用型人才的需求，从优化教学内容，采用对比式和案例式教学方法，使用多媒体与板书相结合的教学手段，将有限元数值模拟技术引入课堂，有效利用实验教学等方面进行探讨，从而为提高教学效果、激发学生学习兴趣、培养学生工程实践能力的教学目标提供参考。

[关    键   词]  材料力学;少学时;教学方法

[中图分类号]  G642             [文献标志码]  A          [文章编号]  2096-0603（2019）16-0130-02

在我国高等教育大众化的进程中，应用型本科院校致力于培养具有一定理论基础、工程实践能力和创新精神的应用型人才。材料力学作为一门重要的专业基础课，是连接基础知识与专业知识的桥梁，学生若不能掌握其相关知识内容，对后续专业课程的学习将会造成很大的困扰。然而，为了扩大学生知识面和增加学生的自主学习时间，普遍存在材料力学学时少、内容多的矛盾，再加上应用型本科院校学生基础薄弱，这些都给教学带来了极大的挑战。因此，如何在有限的学时内更好地实现教学目标、提高教学质量，就必须对本课程的教学方法不断地进行反思和改进。

一、课程特点及教学现状

传统的材料力学教学首先依次讲解轴向拉压、扭转和弯曲，再延伸到应力状态和强度理论、组合变形和压杆稳定等。课程教学过程中涉及很多基本概念、简化假设和公式的推导，虽然这些都有利于构建学生的理论知识体系，但也要求学生具有一定的数学和物理基础，而应用型本科院校学生基础普遍薄弱，学习自主性也不强。同时，应用型高校更注重学生实践能力的培养，对课程理论学时不断压缩，如果在课堂上进行太多的理论推导，不仅会占用大量的教学时间，也容易让学生感觉枯燥乏味，继而失去学习兴趣，不能获得理想的教学效果。因此，为了克服材料力学教学中的困难，除了优化教学内容外，还要改进教学手段和教学方法，激发学生的学习兴趣，引导学生独立思考，开拓学生的创新思维能力，使其掌握并能将所学的理论知识灵活应用于工程实际问题。

二、教学内容的调整

材料力学主要研究构件在荷载作用下的强度、刚度和稳定性問题，内容多、课时少，因此必须对教学内容进行调整，这里的调整不是简单的删减，而是根据学生专业要求、后续专业课程及将来的工作需求进行调整。可以删除一些在后续课程中相重复的内容和工程实际中应用很少的内容，譬如对土木工程专业，超静定问题在后续的结构力学课程中会重点讲解，连接部分计算及压杆稳定在后续的钢结构课程中会涉及较多，这些内容在材料力学教学中就可以删除，以节省课时、减少学生负担。同时，可以适当补充一些拓宽学生知识面、提高学习兴趣的内容，譬如，可以穿插力学史知识来丰富课堂内容，还可以将一些现代力学及相关学科的研究成果引入材料力学教学中，不仅能激发学生的学习兴趣，还可以培养学生的创新思维能力。

三、教学手段和教学方法的改进

（一）多媒体与板书相结合

在教学手段上，采取多媒体与板书相结合的授课方式。在推导主要公式时采用板书，这样更利于学生跟着教师的思维，真正理解和掌握理论公式。在讲解工程案例时采用多媒体教学，这样不仅可以直观地向学生展示工程实际图片，帮助学生理解和强化工程概念，还可以节省大量的课堂时间。但是，一定要注意多媒体只是辅助教学，不能代替教学，多媒体课件制作要注意少字多图、主次分明、突出重点。

（二）有限元数值模拟技术辅助教学

对材料力学中一些基本假设和力学规律，学生普遍感觉抽象难懂，教师可以采用有限元数值模拟技术辅助教学。譬如，教师采用有限元软件ANSYS对纯弯曲梁进行模拟计算，并通过后处理画出应力云图，可以让学生清楚地看到应力沿截面高度的变化规律;教师根据力学等效原理，让学生计算不同载荷分布情况下梁的应力云图，可以让学生直观地认识圣维南原理;还可以通过后处理制作动画，形象地向学生展示构件的变形过程和应力分布的变化情况等。这样不仅可以加深学生对力学知识的理解，激发学习兴趣，还可以培养他们理论联系实际的能力，为将来的工程结构设计和分析打下坚实的理论基础。

（三）对比教学法

材料力学理论知识抽象，又紧密结合工程实际，学生往往理解不深，对众多公式难以记忆，也不能灵活应用于实际问题。实质上，各部分内容之间具有较强的关联性和相似性。在讲解各部分内容时，教师可以采取对比教学法，帮助学生系统地理解和掌握知识，这样学生不仅对公式容易记忆，也能将所学的理论知识准确地应用于实际问题。有了前期的知识体系做基础，教师后面的教学会更加得心应手，从而节省课堂时间。例如，等直圆杆扭转时的最大切应力τmax=T/Wp，其中Wp为扭转截面系数，且Wp=Ip/r，对圆形截面Wp=πd3/16;梁弯曲时横截面上的最大正应力σmax=M/Wz，其中Wz为弯曲截面系数，且Wz=Iz/ymax，对圆形截面Wp=πd3/32。在教学过程中，通过前后知识的对比，可以让学生清楚地知道扭转时最大切应力与弯曲时最大正应力的异同、扭转截面系数与弯曲截面系数的异同、极惯性矩与惯性矩的异同，这样学生思路清晰明了，对基本概念的理解也更加深入，不仅方便记忆公式，还可避免他们在今后的实际应用中张冠李戴，同时教师也无需在课堂上重复讲授相关知识点，极大地提高了课堂效率。

（四）案例教学法

教师除了在课堂上讲授课本知识外，还可以采取案例教学法，结合日常生活和工程实例向学生提出一系列与材料力学相关的问题，启发学生主动思考，激发学生学习兴趣，让学生真切感觉到材料力学是一门实用性很强的课程，从而更加积极主动地学习。譬如，在讲解弯曲合理截面时，教师可以结合所学的理论知识分析房屋结构中的阳台悬挑梁为什么根部粗，为什么钢筋要设置在梁的上部。还可以列举铁轨的截面形状、竹子的截面形状等实例，让学生从这些日常生活的实物中对等强度梁有直观的认识。再如，讲解平面桁架的强度验算时，可以列举实际工程中常见的桁架桥、吊车梁、木屋架、钢屋架等桁架结构，让学生首先对桁架结构有感性认识，然后采取截面法或节点法的理论解法求解杆件轴力，最后再按拉压杆的强度条件进行验算。除此以外，教师还可以通过对具体实例的有限元建模、分析、求解，拓展学生的知识面，培养他们对实际工程的分析和应用能力。以图1所示的桁架结构为例，图2为理论解法求得的内力图，图3至图5分别为有限元软件ANSYS计算得到的内力云图、应力云图和变形图。通过有限元计算，不仅可以向学生展示应力图，还可以让学生清楚地看到桁架结构受载后的变形图，对比图2和图3，可以看出有限元求解的结果与理论解十分吻合。

四、实验教学的改革

实验是材料力学教学的重要组成部分，应用型本科院校在有限的材料力学课时中加大实验课时比重，更加凸显了实验的重要性。除了轴向拉压、扭转和弯曲几个基本实验外，还开设了材料力学开放性实验，譬如弯扭组合梁实验、冲击实验等。这些实验可以使学生掌握测定材料力学性质实验的基本知识和验证材料力学理论的基本方法，熟悉常用仪器设备的性能和一般故障的排除，不仅加深了学生对理论的理解，还提高了学生的动手操作能力，为培养应用型人才奠定了良好的基础。

五、结语

材料力学课程内容多、理论性强，且与工程实际结合紧密，而应用型高校学生基础普遍薄弱，在材料力学教学过程中，结合少学时的教学现状和应用型人才的培养目标，通过优化教学内容，改进教学手段和教学方法，开放实验室，可以激发学生的学习兴趣，培养学生的动手能力和实际应用能力。

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编辑 陈鲜艳