基于工程应用的材料力学课程教学创新改革研究

宋瑞雪 张晓琴 吕超颖 郝 静

陕西服装工程学院，陕西 西安 712046

材料力学是高校工科类专业，例如机械等多项专业的核心基础课程，学生对于有关知识体系的理解、掌握、应用等能力直接决定了其后续专业课程的学习吸收程度。就教学内容而言，其侧重于研究典型构件基于外部荷载作用的内力、应变力、变形、稳定性、静力学设计等相关问题，以教师教学为主，以实验教学为辅。而从教学目标来讲，材料力学课程主要目的是培养学生的构件强度、刚度、稳定性等问题分析计算能力，且拥有根据实际工程问题构建力学模型以及解决工程应用问题的实际能力［1］。所以说材料力学课程是一门明确主张强化理论和实践有机结合的学科课程。

一、材料力学教学现状分析

材料力学就力学分类来讲从属于固体力学方面，内容特征体现为公式多、画图需求多、计算需求多，教学内容则主要划分为概念定义、抽象建模、公式推导、数学运算、结果分析等多个层面，相对来讲比较枯燥乏味，难以吸引学生注意力。尤其是先期有关课程学习不到位的学生落下任何环节，后续都可能无法紧跟教师教学节奏，导致学习积极性下降。另外理论教学内容划分课程知识为彼此间没有相互联系或者联系不够紧密的一些部分，导致学生无法切实将这些知识融会贯通，直接加大了学生对于知识的理解与应用难度。而在学生成绩评价层面，一直以来主要以期末考试为主，导致很多学生只能死记例题，而非真正深入理解其隐藏的知识内容，使得工程应用型人才培养目标难以有序实现。

（一）学习深度不够

当前很多专业一直在实时调整教学计划，以此在一定程度上压缩了材料力学课程的教学课时，导致学识不足而教学内容却较多、要求也较高，如此一来便形成了供需失衡的矛盾，而教学过程中的知识内容深度便难以得到有效保障。

（二）课程体系与培养目标脱节

在高校整个课程体系创新改革的视阈下，材料力学课程教学课时逐步缩减，相关实验课时也随之减少。就机械专业来讲，材料力学课程课时少之又少，而涉猎的教学内容却十分复杂，主要有低碳钢、铸铁的拉伸、压缩、轴类扭转等等，这些实验均是实际验证行的实验，根本无法激发学生兴趣与爱好。此侧重于理论知识传输，但缺乏课程实际应用性以及与实践相联系的培养，并不能切实激发学生主观能动性，也无法顺利实现创新能力有机培养，以此严重阻碍了学生实际应用能力的有效培养。

（三）教学方式方法缺乏科学性

材料力学课程沿用传统灌输式教学模式，以讲授为主，交互性较差。教学侧重点体现于概念讲解与公式应用方面，直接忽略了实际工程应用问题的分析与解决。再加上教学活动太过单一，以讲解、训练练习题作为主要方式。以记忆与理解知识等低阶目标为主，而实际应用、探究、批判、创新等高阶目标严重匮乏。理论与实际之间的联系不到位，导致学生只具备解题能力却缺少工程概念，不明白力学模型构建过程，做题与解决工程问题之间的联系等。同时，还在一定程度上忽视了对于学生工程思维、创新能力的积极培养。

（四）学习评价合理性相对匮乏

评价是学习的引导者，正确的评价需基于推动学习作为标准。而传统教学模式下，太过于侧重总结性评价却忽略过程性评价，即使存在过程性评价但是评价指标缺乏合理性且量化程度不足，缺乏有效监督，根本不能真实反馈学生实际学习状况，更加无法针对整个过程学习提供可借鉴建议［2-3］。

二、以面向工程应用为目标的材料力学教学改革措施

（一）构建完善的教学内容体系

材料力学教学内容选择与安排需最大程度上符合专业应用型人才培养目标要求，并直接面向工程，侧重于提升学生工程认知水平，以及培养学生工程有关问题分析与解决等综合能力。

1.添加针对具体专业的教学内容

材料力学基本教学内容大体为杆件变形——轴向拉伸与压缩、剪切、扭转、弯曲；应力状态与强度理论、压杆稳定性分析等等，均是各个专业教学体系中所明确提出的基本要求。材料力学课程不仅包含基本理论知识，且与工程实际问题息息相关，所以根据教学内容服务于培养目标的有关标准，针对各个专业特色需适度添加更多可以满足专业具体要求的新颖内容，促使材料力学课程和专业工程实践应用高度契合。其中机制类专业可适当添加一些构件疲劳，或者结构优化设计等相关知识内容，以促使学生在学习时可以深切体会材料力学与现代化设计方法之间的密切结合，从而强化学生以理论知识体系切实解决实际问题的专业能力；而材料专业，可添加复合材料的力学性能有关知识内容，促使学生可以更深层次的接触到整体材料力学的性能理论与实践知识。

2.模块化建设健全教学内容体系

基于面向工程实践应用安排课程具体教学内容，将其模块化处理，针对各个部分关键内容，即轴向拉伸、压缩、扭转、弯曲、组合变形等均划分成工程背景模块、基本理论与方法模块、工程应用模块、拓展模块。其一，负责阐述实际所需解决的以及和内容有关联的问题，据此牵引出工程应用对于材料力学课程理论发展的具体需要，侧重于对学生的工程认知水平进行切实有效提升。其二，均为针对理论进行相关推导的内容，也就是根据材料力学的有关研究方式，面向工程需求，以此推导获取理论与公式，可使得学习深层内化材料力学研究方式及其内容，并实现其自学与自主解决问题的综合能力。其三，具体阐述了如何以材料力学基本理论内容与方式有效解决工程问题的流程，以提升学生力学模型构建能力，以及以立本理论切实解决工程问题的实践能力。其四，主要是为了适当扩展基本理论和方式，由两个层面开展，首先是探究材料力学理论方式与其他内容之间存在的密切关系与差异性，从而深化学生的理论方式掌握程度；其次是探究在转变理论方式推导过程中的简洁化条件对于理论方式造成的实际影响作用等等，以此促使学生深入理解简化模型在工程问题求解过程的影响作用，以及理论和方法的应用范围［4］。

在详细讲解有关于拉伸或者压缩内容过程中，把基本内容根据以上模块加以阐述讲解。其一，对于工程背景模块而言，可以陈述分析工程实际案例的方式，提取出工程内具体出现的杆件拉伸或者压缩变形等问题，使得学生深入感知并了解工程有关实践问题。其二，基本理论与方法模块，根据材料力学研究方式方法与步骤，基于详细观察分析变形的规律规则，制定假设条件，构建几何与物理方程，据此推导得出拉伸与压缩时候的应力表达式。其三，工程应用模块，根据工程实例指导学生通过构建力学模型，并进行内力与应力变形分析的具体流程切实有效应对工程问题，以此流程强化对于学生力学思维及其能力的训练，培养其工程问题分析与解决能力。其四，拓展模块，在外力和杆件之间的轴线不重合的状态下，杆件出现拉伸弯曲组合变形，在杆件截面上出现尺寸突变的时候，此截面的应力分布不均匀，也就是存在应力集中的不良现象，而距离外力作用的相对位置比较近的截面上的应力分布不再均匀，据此延伸出有关原理，在截面为斜截面的时候，据此延伸出轴向拉杆件斜截面应力。以面向工程应用作为目标的材料力学模块化教学内容体系不仅可以强化学生工程认知水平，还可以实现对学生实践能力的有机培养。

（二）采取基于工程应用的教学方法

1.工程实例法

材料力学和工程实际之间的联系十分密切，甚至可以说材料力学研究便是为了解决工程实际问题所衍生的，所以在教学过程中对于每部分基本理论和方式方法均应侧重阐述其在工程中的实际应用，据此有效提升学生工程认知水平与实际应用能力。而工程实例既可以是工程问题也可以是力学问题。压杆稳定性概念讲解时，可以实例分析加以阐释，即在粗铁丝两端增加一定压力的时候，难以导致铁丝弯曲，但铁丝也可以保持直线形状处于足够稳定的状态，但是在细铁丝两端增加一定压力的时候，铁丝便记忆弯曲变形，但是铁丝并不会被折断只是无法急需保持直线形状。据此实例分析可引出实际两端受压杆件，偶尔杆件强度不存在问题，未出现强度损坏但发生了形状改变，也就是压杆已经处于失稳状态，承载能力已经遗失，这便是所谓的压杆失稳。再基于改变铁丝直接、长度、两端约束，促使学生感触不同情况下造成的铁丝失稳大小，以充分了解压杆临界力的影响要素。如此一来便可通过周围例子使得学生明白压杆稳定性概念与细长杆临界力的影响因素。以此力学实例问题进行教学可实现对学生学习兴趣与积极性的培养，再引导学生以自身吸收的理论知识进行问题分析，并构建问题力学模型，然后通过既有理论知识切实解决有关问题。工程实例问题的引进在学生问题分析与解决能力培养方面的作用是不可替代的［5］。

2.数值分析解法

材料力学课程相关研究方式方法不仅涉及到了理论内容与实验测试，还包括数值分析方法。在工程类问题切实分析和解决过程中，材料力学的理论通常也就是只能够有效解决杆件强度和变形等一类的问题，但是实际工程构件形状各式各样，很多根本不可简化成杆件构件，对此便可以利用数值分析法。以此在教学时在阐述主要内容的时候，同步数值分析法——有限元单元法引进教学中去，促使学生可充分深入全面了解软件的实际应用方式方法，并进一步比较分析材料力学基本理论所得到的解和有限元分析法所得到的解，使得学生切实理解材料力学基本理论实际应用范围与精确度有关问题，以有效提升学生综合能力。

（三）加强以培养应用型人才为目标的实践环节

1.实时更新开放式实验内容

实验教学内容不仅应为材料力学教学目标提供一定服务，还要验证材料力学基本理论准确性，此外还要紧紧跟随工程实践的相关具体要求，侧重于实现学生基于实验方法解决实际问题的实践能力培养。据此可适度改进优化实验内容，在保留验证性实验内容的基础上，积极开设综合创新性实验项目。更新之后的实验内容主要划分为基本验证性实验内容与综合创新性实验内容两部分，其中基本验证性实验内容包含基本力学性能实验、电测实验、综合设计性实验。力学性能实验和综合设计性实验均是以课程基本理论知识为基础，而基础理论知识和动手实践操作能力的锻炼培养则是作为侧重点，属于必备实验。而综合创新性实验则以培养问题解决和设计能力为主要侧重点，学生可自主选择感兴趣的实验。实验教学主要采取多元化教学模式，学生可在实验室开放时根据要求进行实验自主设计，并独立完成实验，以强化自身实践操作能力。教师在学生实验完成之后，汇总分析实验结果，指出其中的不足，并和其他同学讨论分析。如此可利于学生发现问题并熟练掌握问题处理能力，以充分激发并培养学生探索精神［6］。

2.布置面向工程应用的大作业

在实际教学时可根据所学材料力学课程内容布置面向工程应用的大作业，相关选题范围应和工程实践相关联，或者学生可以自主选题，明确要求学生积极构建相关力学模型，并根据分析思路选择最佳方法求得模型解。在讲解轴向拉伸和压缩时，面向学生可以布置拖拽电梯轿厢的钢丝绳强度等问题，明确指出各小组选择任意选题以调研工程实际的机械与运行状况，构建力学分析模型，并以材料力学理论获取解，然后根据科技论文模版书写成论文。学生选题除了教师规定之外，还有一些是在调研工程实例时所得，且在解决问题方法选择时除材料力学理论之外，很多学生还会采用数值分解法，通过有限元软件创建问题实体模型、划分网格以加载求解。通过安排大作业不仅可激发学生学习兴趣，还可培养学生自主创造力，同时可实现学生力学建模能力与工程问题解决能力提升。