材料力学信息化教学改革的研究与实践

王凌英 赵芳 赵冉 赫万恒 曹洪娜

[摘 要]课程组以材料力学中的弯扭组合变形为例，借助网络教学平台，以课堂为载体，开展信息化教学。文章阐述了信息化教学的意义和背景，针对弯扭组合变形的受力和变形特点进行教学分析，提出教学策略，并详细描述了信息化教学的实施过程，借助力学建模、3D动画演示、ANSYS仿真、创新性实验等方法和手段，使信息化教学更富有特色，调动了学生学习的积极性，提升了学生的综合能力，取得了良好的教学效果。

[关键词]弯扭组合变形;力学建模;3D演示;ANSYS仿真;材料力学;信息化教学

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2022）01-0161-03

隨着信息化教学的发展、互联网技术的普及，在线学习、网络教学平台逐渐被高等院校应用于实际教学中。材料力学作为工科院校的一门专业技术基础课程，与工程实际结合紧密，它源于工程，又可以直接解决工程实际问题。如何将信息化很好地融入材料力学课程教学，建设好既适合学生学习与教师授课需求，又能体现自身专业课程特色的课程，成为广大力学教育工作者共同思考的话题。

一、信息化教学的意义和背景

与传统的教学模式相比，信息化教学在教学理念与教学手段方面有所不同，更能调动学生的主观能动性，发挥学生自主学习的本能。可见，在当前的信息环境下，以学生为信息化教学研究的主体是非常有意义的。

信息技术能够使教学内容层次分明，呈现出动态和可视化，方便学生在任何时间、任何地点学习[1]。教学组织离不开教学内容和教学目标的双重要求。信息化教学学习内容包括参加小组活动和讨论真实案例。信息化教学始终将教学目标放在能力目标的培养上。在日常的教学过程中，将信息技术引入到课堂中，一方面可以提升任课教师的专业知识和技术水平，另一方面可以激发学生主动获取知识的本能。

全国职业院校信息化教学大赛的举办，在促进高等教育战线运用信息技术改造传统教学、创新教学模式、改进教学方法、强化现代信息技术与现代教学理念的深度融合、提高教师教学水平方面做出了重要贡献。信息化教学已成为高等院校强化内涵建设、提升人才培养水平和质量的重要途径。本文以全国职业院校信息化教学大赛为契机，对所承担的教学班次尝试进行教学模式改革，以材料力学课程组合变形中的弯扭组合变形为例，展开信息化教学。

二、教学分析和教学策略

针对材料力学中的弯扭组合变形，教学设定为2个学时[2]，教学确定为从知识、能力到素质这样一个逐步提升的过程。其中，知识目标：要求掌握弯扭组合变形的变形特点和强度计算;能力目标：掌握弯扭组合变形的分析方法，并拓展到启发学生对所有组合变形进行分析和强度计算;素质目标：更高层次上培养学生的发散思维能力，通过理论与实际相结合，让学生掌握复杂问题的力学分析方法，提升学生的工程素养。

弯扭组合变形受力和变形都比较复杂，根据其变形特点，结合以上三个层次的教学目标，我们分析其整个教学过程中可能遇到的难点并提出解决难点的办法。

首先是“问题难”。弯扭组合变形比基本变形要复杂，它从平面问题上升为空间问题，在教学设计时要考虑将装备及生活实例融入教学，并进行力学建模，帮助学生分析问题，化难为易。

其次是“理解难”。分析过程中危险点的确定、危险点处的应力状态分析是学生学习的难点，学生理解掌握起来比较困难。教师在教学中可借助应力分布图和应力状态的3D演示以及ANSYS模拟仿真，通过叠加原理进行形象化分析，帮助学生逐一克服困难。

最后是“应用难”。理论学习的最终目的是实际应用，因此对发生弯扭组合变形的构件，可将实际问题抽象成力学模型，并用强度理论进行强度计算。我们解决难题的方法是依托丰富的实验室资源，引导学生课上分析问题，课下设计实验方案，并动手操作研究。另外，借助材料力学案例库这样的信息化教学资源和教学手段逐一克服教学中的困难。

三、教学组织实施过程

为了更好地实现信息化教学，我们在教学准备中先创建网络教学平台[3]，其中包括任务专区、信息资源、效果评价、拓展训练。为达到教学目标，我们在开课前一周下达任务，学生登录教学平台（任务专区），先自行搜集与弯扭组合变形相关的案例，并分析案例中弯扭组合的变形特点，应用平台中的参考知识点，通过叠加原理完成任务，最后提交任务书，教师从中选择一例在课上与学生一起讨论分析。

课中，通过力学建模、3D动画演示、ANSYS仿真等多种方法和手段化解难点，并借助材料力学案例库平台来强化重点，以此培养学生的力学建模和综合分析问题的能力。

（一）力学建模

筛选出任务专区中学生提交并比较熟悉的案例：公路上的交通标志牌（如图1所示），当标志牌上受风力作用时，分析钢柱的变形。学生给出了初步分析，对于发生弯曲和扭转的组合变形，教师需要引导他们抽象出力学模型（如图2所示），以此培养学生的建模能力，为以后工程应用打基础。

（二）化解难点

1.理论分析

在建模后的理论分析中，要始终贯穿叠加原理，带领学生一起找到危险截面;在应力分析环节，危险点的确定是学生学习的难点，应用应力分布图的3D演示，只受M和P作用时的情况，然后叠加以后危险点就显而易见了。如此形象化的分析能够让学生目睹叠加原理的应用过程。危险点处的应力状态分析更是难中之难，这时仍然要借助3D演示，帮助学生进行形象化分析，化解难题，这是理论分析的过程。

2.ANSYS仿真

同时，应用ANSYS仿真实验进行验证[4]。通过仿真，学生能直观感受加载时钢柱的受力变形特性，清晰地确定危险点，并对危险点处的最大应力按照强度理论进行数据计算，发现与理论分析结果吻合。

3.实验操作

通过课上理论分析，课下学生可进一步借助力学实验室创新性实验来加深理解。如图3所示，学生以小组为单位，通过自己动手贴片，连接电阻应变仪、加载，记录数据等操作，对危险点及其应力值进行验证。学生从中找到学习的乐趣：力学原来也没那么枯燥。这个过程深化了学生的认知，充分调动了学生学习的积极性。

（三）强化重点

分析弯扭组合变形的目的及重点是强度计算，前面仿真时已经用第三强度理论进行了计算，因此，要进一步强化计算，这可以通过材料力学案例库平台实现：教师登录，打开“选用案例”，这里有每个案例的背景、问题、分析、拓展资料。选择其中一个案例，打开“背景”，工程中涉及的传动轴很多，有的是一处齿轮啮合，有的是多处齿轮啮合。传动轴的受力较复杂，其变形属于组合变形，有弯扭组合、拉弯扭组合等。抽象两处直齿轮啮合的力学模型，基本分析思路同前面，但由于是两个方向的弯曲，危险截面及危险点的确定都较复杂，更需要逐个进行分析来确定危险点。教师先对弯扭组合变形进行分析、扩展强化，然后在课下，让学生登录材料力学案例库平台，打开“查看案例”，自行选择案例进行强度分析计算，学生在课下开展互动交流研讨。图4是学生选择的自己感兴趣的案例：骄傲自满的大力士[5]。

此案例选自“第六届全国周培源大学生力学竞赛试题”，其难易程度适合用来研讨，而且本题具有一定的趣味性。课下交流研讨不限定时间和地点，但要求学生提交案例研讨报告或PPT，最后的得分计入课终考核成绩。

四、教学效果

课后，学生组成兴趣小组，就教学平台上创新性实验展开交流研讨，并通过网上预约到实验室动手操作体验，由此拓展知识面，培养创新思维能力;学生还可以通过互动平台随时与教师进行沟通和交流。我们课下就教学效果对学生进行了问卷调查，通过对调查结果的分析总结，发现本次信息化教学得到了学生的认同。

首先，引入信息化教学培养了学生的自学能力，充分调动了学生学习的积极性。在开课前一周下达任务之后，学生积极查资料、搜集案例，遇到想不通的问题及时给教师打电话咨询，利用晚自习和周末时间准备资料准备、深入思考。信息化教学真正激发了学生求知的热情，调动了学生学习的积极性、主动性，培养了学生的自学能力，让学生真正做到了自主学习。

其次，通过信息化教学，还可以培养学生的工程意识，培养学生将实际问题抽象为力学模型的能力，即力学建模的能力。创新性实验培养了学生的实际动手能力，为学生以后走向工作岗位打下坚实的基础。同时，创新性实验还可以发现、培养尖子生，为以后大学生力学竞赛的选拔做准备。

另外，信息化教学还锻炼了学生的团队合作能力。学生选择案例进行交流研讨、兴趣小组进行创新性实验，均重视思考過程，尤其重视学生之间的默契配合。从实验前的准备到实验过程直至完成实验报告，各项工作都需要通过小组成员间的协作来完成。通过开展创新性实验，教师能了解学生的优缺点，培养学生包容的心态，让学生的弱点在团队合作中弱化，使合作更为顺畅，效率更高，同时使学生思维的广度和深度在这一过程中得到强化。

五、总结

信息化教学手段的使用、优质教学资源的引入，充分激发了学生的学习兴趣，有效突破了教学中的重点难点，在一定程度上使学生掌握了学习方法，培养了学生的发散思维，提高了学生的自主学习能力。但信息化教学手段在实际应用过程中也存在着一些不足。

首先，对于军队院校的学生来说，校园网是军队的局域网，没法连接互联网，加上部队系统对学生使用手机也有限制，导致学生上网受到一定的限制，信息资源有限会影响信息化教学的效果。加上目前国家对信息化教学资源没有建立统一的标准，各地的教育部门、各高校都推行自己的信息化建设，会造成资源浪费，而军队院校的管理特点也使信息资源建设缺乏协调机制。

另外，在平时的教学环节中，教师只是把与书本相关的理论知识利用多媒体教学手段呈现给学生，却往往忽略了企业或者是工程上实际的技术、知识和对人才的需求。只有将课堂中的知识与工程实际操作紧密结合，将工程实际中的资料案例在课堂中大量展示并让学生学习，才能让学生在毕业进入企业之后实现零对接，更好地适应工作岗位，为社会创造更大的效益。

总之，在高校进行信息化教学时，应抓住其主要矛盾，发挥其有利因素，将信息化与高等教育深度融合，促进教育教学可持续发展;应搭乘信息技术发展的快车，不断更新教师信息化教学理念，营造信息化教学环境，拓宽教师信息化教学能力的提升路径，让学生轻松地获取学习内容，在体验中获得专业技能，最终实现人才培养质量的提升。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 刘露，沈玉凤.基于信息化的材料力学混合式教学模式的实践[J].大学教育，2008（1）：63-66.

[2] 刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2010.

[3] 刘灿昌，刚宪约，云海，等.力学信息化网络教学平台建设思考[J].大学教育，2019（6）：81-84.

[4] 李艳洁，赵东，赵秀丽，等.ANSYS软件在“材料力学”教学中的应用[J].中国林业教育，2009（S1）：44-46.

[5] 高云峰，蒋桂平.全国周培源大学生力学竞赛赛题详解及点评[M].北京：机械工业出版社，2013.

[责任编辑：陈 明]