材料力学教学方法探究

    

    

    

    摘? 要 针对材料力学教学过程中存在的问题，对材料力学教学方法进行研究和探讨。通过采用举例教学法、现場演示法、有限元分析拓展实验教学法、单元测试练习法、混合式教学法等，有效提高课堂教学效率，提升学生的成绩，增强学生对材料力学知识的掌握和理解，促进材料力学课程教学改革。

    关键词 材料力学;工科类专业;混合式教学;有限元分析

    中图分类号：G642.0? ? 文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2019）23-0123-02

    1 前言

    材料力学是工科类专业的专业基础课程，先修课程包括高等数学、大学物理和理论力学，后修课程包括机械设计、流体力学、有限元分析、毕业设计等。材料力学主要研究材料的强度、刚度和稳定性的问题，运用材料力学知识，还可以在相同强度条件下优化结构设计、减少材料用量，达到降低成本、减轻重量等目的[1-5]。材料力学的任务是在满足强度、刚度、稳定性的要求下，以最经济的代价，为构件确定合理的形状和尺寸，选择适宜的材料，而提供必要的理论基础和计算方法。材料力学课程内容繁多、公式多、抽象概念结论多，而高校不断扩招，学生进入高校的门槛降低，部分学生基础较差。为保证材料力学课程的完整性，满足后续专业课的要求，必须在教学方法和手段上进行改革。笔者根据所在高校学生的特点，对材料力学教学方法及手段进行初步探讨。

    2 学情分析

    目前，滨州学院材料力学开设在第四学期，学生具有高等数学、大学物理和理论力学的基础知识，但是有所遗忘。学生来自全国各地，基础知识的掌握程度不同，接受能力也参差不齐，部分学生理解力较差。多数学生对公式推导不感兴趣，厌烦填鸭式教学。还存在一部分学生平时不学、考前突击的现象。

    3 教学方法和手段

    目前，多数高校材料力学教学采用讲授法，是教师运用口头语言进行教学的一种方法。针对滨州学院材料力学教学过程中存在的问题，笔者主要采用举例教学法、现场演示法、有限元分析拓展实验教学法、练习法等。

    举例教学法? 对于抽象的知识，翻来覆去讲不明白，既耽误了学时，又会挫伤学生的学习兴趣。课堂教学过程中举例子，能使抽象的概念具体化，复杂问题简单化。如果能在教学过程中积极有效地运用举例教学法，能够调动学生的主观能动性，让学生轻松掌握所学知识。好的例子胜过千言万语，所以举例子要贴近学生的实际生活，符合学生的认知水平和心理特点，以引起学生的共鸣。如在讲各向同性材料和各向异性材料时，可以把劈木材作为例子进行讲解，该例子贴近现实生活，学生更容易理解。

    现场演示法? 笔者在教学过程中，经常把各种实物带入课堂，让学生通过观察获得感性认识。如被拉断的低碳钢试件，让学生观察断口的形状，可以更进一步地认识缩颈现象，如图1所示。被压缩破坏的铸铁试件，如图2所示，让学生观察破坏断面与轴线的倾角。把实物带入课堂，提高了学生学习材料力学课程的兴趣，学生更容易理解和掌握所学知识。

    另外，笔者在实际教学过程中也会充分利用教室里与材料力学有关的实物。以材料力学的基本变形为例，为了引导学生善于思考，课堂设计以一支粉笔的破坏为例，向学生进行提问：你如何对粉笔进行破坏？学生的答案是多种多样的，最后引出四种基本变形，即拉伸（压缩）、剪切、扭转和弯曲，并让学生在课堂上进行破坏粉笔的演示实验。此方法不仅活跃了课堂气氛，而且使学生对四种基本变形印象更加深刻。

    有限元分析拓展实验教学法? 将有限元分析引入材料力学教学是一种创新的教学方法[6]。材料力学抽象的概念和结论多，多数学生对公式推导不感兴趣，在学习过程中容易形成生搬硬套、死记硬背的习惯[7-8]。利用有限元法将材料力学中的抽象概念和结论以图形的形式展示给学生，方便学生理解。教师在上课过程中，可以利用有限元分析软件ANSYS现场演示构件的约束情况、建模过程及受力情况，并获得最终的变形、应变和应力图等，生动且形象地展示给学生。图3为笔者利用ANSYS对发生弯曲变形矩形截面梁进行有限元分析，获得的梁的等效应力图。从等效应力图上可以看出，梁的最大应力发生在梁的最上面和最下面，即离中性轴最远的位置[9-10]，符合弯曲变形时横截面的应力分布规律。

    单元测试练习法? 目前，高等院校存在一个普遍问题，即多数学生平时不学，考前突击。笔者在实际教学过程中，增加章节单元测试和课前练习。为了获得更好的教学效果，笔者鼓励学生提前半小时进入教室，完成布置的课前练习和单元测试，并把相关成绩计入期末考试成绩中。

    混合式教学? 材料力学是一门探索工程构件承载能力和设计方法的课程，定量研究构件内部在各类变形形式下的力学规律，以便于选择适当的材料，确定恰当的形状尺寸。材料力学课程内容多、公式多，且公式推导过程烦琐，但课时是有限的，教师不可能花太多的时间用于讲解公式推导和基础知识，又要保证学生掌握一定的基础知识，培养学生的科学思维和工程素养。混合式教学很好地解决了这一矛盾。混合式教学打破了传统的教学手段，开展互动教学、问题教学、讨论教学和网络教学等多种教学手段和方法的实践，教学过程由学生被动接受知识转变为学生主动获取知识。

    4 教学应用

    每学期期末考试这段时间，学校没有安排任何课程，但对于有些大学生来说，没课的时候却远比上课的时候繁忙，他们纷纷开启“学霸模式”，突击复习应付考试。虽然学生有选择学习方式的自由，但考前“突击”的学习模式已成为导致大学生竞争力不足的重要原因。要减少考前突击现象，从教师和学校层面来说，需要重视学生的过程性评价、过程质量管理，不能平时不加以考查，只是一次期末考试定终身。

    笔者为了减少考前突击现象，对材料力学的重点章节增加单元测试。单元测试尽量安排在课前30分钟，若课前时间不允许，则安排其他时间进行。学生获得的单元测试成绩计入学期末的总评成绩，占期末总评成绩的20%。

    经过几年的摸索实践，笔者发现学生学习材料力学課程的积极性有很大提高，而且可以根据学生单元测试的反馈情况随时调整教学计划，改进教学方法。

    5 教学效果

    经过近几年对教学的不断探索，笔者所授班级材料力学卷面成绩有了明显提高。笔者统计了近五年材料力学卷面成绩的平均分和及格率，如图4所示。

    6 结语

    材料力学是一门重要的技术基础课，与机械、土建、航空、交通水利等工程密切相关，在基础课和专业课之间起着桥梁作用。笔者在教学过程中通过采用多种教学方法和手段，使学生的卷面平均成绩和及格率有了明显提高;同时提高了课堂教学效率，增强了学生对材料力学知识的理解和掌握，促进了材料力学课程教学改革。

    参考文献

    [1]李玉兰，张永祥，樊小龙.材料力学课程教学改革与实践[J].高等建筑教育，2010，19（5）：78-80.

    [2]李纪周，王庆峰.材料力学教学中学生创新能力培养探索[J].天中学刊，2007，22（5）：93-94.

    [3]龙志勤.材料力学课程教学改革与创新的思考[J].轻工科技，2014（9）：158，163.

    [4]周红明.材料力学课程教学方式改革探索[J].山东工业技术，2019（11）：221，193.

    [5]李云，孙华东.材料力学内力图分析教学方法研究[J].甘肃联合大学学报：自然科学版，2009，23（6）：93-95，102.

    [6]马崇武，车京兰.对材料力学教学改革的研究[J].高等理科教育，2004（6）：76-78.

    [7]徐兵，尹冠生，佘斌，等.基于有限元方法的材料力学教学方法改革研究[J].大学物理实验，2016，29（5）：133-136.

    [8]叶勇.谈ANSYS与《材料力学》课程教学的有机结合[J].科技情报开发与经济，2005，15（20）：216-218.

    [9]秦世伦，李晋川.材料力学[M].北京：高等教育出版社，

    2016.

    [10]邱棣华.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2015.

    基金项目：滨州学院校级重点课程群“机械设计类主干专业基础课程群”（项目编号：BYZDKCQ201305）;滨州学院实验技术项目

    “虚拟仿真技术在机械类实验教学中的应用研究”（项目编号：BZXYSYXM201717）。

    作者：王国明，滨州学院机电工程学院，讲师，主讲课程材料力学（256600）。