《材料力学》课堂教学模式改革探索

《材料力学》课堂教学模式改革探索

李云芳 徐淑琼

临沂大学 机械与车辆 工程学院 山东临沂 276000

摘要：《材料力学》是机械类专业的一门重要技术基础课程，与工程实践紧密结合。根据课堂的实际教学情况及多年的一线教学经验，对该课程的教学方法、教学思路进行了思考及探索，主要通过加强与工程实例的结合强度、将课程内容织成网、例题讲解重分析、重思路、轻求解、关注最新科研成果，及时渗入教学内容等四个方面进行，旨在传授学生基本理论的同时，培养学生的创新和实践能力及科学研究思维。

关键词：材料力学；课堂教学改革；工程实例；解题思路；科学研究思维

《材料力学》是研究结构构件和机械零件承载能力的专业技术基础学科，是机械类专业必修的一门专业基础课程，与工程实践结合紧密，在整个课程体系中起到承上启下的关键作用，为《机械原理》、《机械零件》等后继课程提供必须的基础知识。《材料力学》的知识及理论可直接应用于工程实践，是连接理论和工程实践的桥梁，对学生的科学创新及工程应用能力的培养起到非常重要的作用[1]。笔者具有多年的《材料力学》课程一线教学经验，根据课堂实际的教学情况，对该课程的教学方法、教学思路进行了一些探索，并作了尝试性的课堂教学改革，在传授学生基本理论的同时，培养学生的创新和实践能力[2]及科学研究思维。

1.加强与工程实例的结合强度

在教学过程中，结合教学内容，将工程中不同结构的图片展示给学生，结合实际讲解力学模型的简化，提高学生解决实际问题的能力。同时，尽量多的结合工程实际，例如混凝土柱受压时沿大约45°斜面剪断的原因，飞机、高铁窗户角为弧形的奥秘，高层建筑及大型水利工程中的力学原理，自然界中的竹子为何具有“嘴尖皮厚腹中空”的生长特点。同时结合一些工程事故，比如泰坦尼克号的失事原因，发生的江西丰城发电厂冷却塔施工平台坍塌造成74人死亡的重大安全事故，江苏无锡跨桥出现桥面侧翻等事故，引导学生采用材料力学的知识去进行分析事故原因，由于这些事故是学生较为关注的时间，能够产生共鸣，激起发学生浓厚的学习兴趣，帮助学生理解和强化工程概念，更好地将所学理论知识与工程实践连接起来，更重要的是帮助学生培养严谨的科学态度[3]。

让学生感受“生活处处是力学”的惊喜，引导学生善于观察生活中当中的力学现象、思考力学原理并分析强度、刚度及稳定性等承载能力。例如课堂中，可以风扇吊杆、横梁、粉笔的破坏形式等为例，引导学生思考，并将所学理论知识用于工程实际相联系。同时活跃课堂气氛，增强学生学习兴趣，印象深刻。

同时还可以布置课外工程案例，由学生以课题小组形式在课外完成，主要目的主要是让学生利用课堂所学知识，分析解决具体工程问题，做到学以致用。工程案例的选取必须与课堂讲授知识点紧密结合，例如团结就是力量——筷子的力量（组合截面问题），双杠竖杆支架的最合理位置（提高梁强度的措施），齿轮传动轴的合理设计（组合变形）等一系列案例分析，课题小组撰写案例分析研究报告[4]，锻炼学生的工程分析能力和工程表达能力。

2.将《材料力学》内容织成网

材料力学的特点就是内容多、概念多、公式多，每一种基本变形的研究思路都是，先内力，后应力，最后变形，但各基本变形分析的思路，在纵向上有很强的关联性和相似性。在讲授课程的过程中，要及时对知识的内在联系做总结，使学生明确并掌握该课程的整体架构和内在联系。例如构件受力与变形之间的关系，不同的受力方式产生不同的变形，通过熟练正确对比，可以确定构件对应的基本变形和组合变形；同时通过对比所学四种基本变形下的应力公式、变形公式，可帮助学生在短时间内熟记公式，并能更好地理解变形的本质。特别是在讲到每种基本变形的实用计算时，强度条件的建立、形式及应用都是相通的，只不过是计算应力的公式发生了变化。

这样根据关联性引导学生以对比的方法将各部分知识有效联系，帮助学生系统地理解和掌握知识，还有助于学生理解整个课程的理论体系，将各知识点织成相互交错的网，实现举一反三、做到学以致用。

3.例题讲解重分析、重思路、轻求解

在讲解例题时，强调“对问题的分析、解题思路”才是关键，培养学生独立思考的能力，引导学生进行启发式思维。求解过程只要求学生一步公式、二步代数、三步结果的标准格式。因此，对大部分例题的讲解，分析所占时间要一半以上，以此培养学生思维能力及分析和解决问题的能力。

例题的讲解思路需进行几种变形的纵向比较，比如几种变形的实用计算，每一种变形的实用计算都包含强度校核、设计截面尺寸、确定许可载荷这三种类型的题目。利用的都是强度条件，而强度条件的内容都是最大的应力应小于等于许用应力。甚至是刚度计算，刚度条件与变形有关，也就是最大的变形量不能超过许用的的变形量，也有刚度校核、设计截面尺寸、确定许可载荷这三种类型的题目。初次涉及实用计算，是第一种基本变形拉伸压缩的实用计算。在本次课堂讲解时，原理、计算方法及解题思路的讲解要非常详细，讲解大量习题，同时布置课后作业进行巩固。学生解题思路形成之后，到后面讲解剪切、扭转和弯曲等变形的实用计算时，通过纵向类比，就可以知道这几种基本变形，只是强度条件和刚度条件中应力和变形的公式因变形形式不同而发生了变化，其他解题思路都是一致的，就可以使学生通过纵向的类比很好的掌握知识点和解题思路。

再比如超静定问题。超静定问题是因为所要求的未知量的个数超过所能列的静力学平衡方程的个数。为求解未知量，就需要做补充方程。做补充方程，首先是在变形协调条件之下，找出变形量的几何关系方程，然后列出变形的物理方程带入几何方程，就可以得到补充方程。在讲解拉压超静定问题时，变形量为伸长量或缩短量∆Ɩ之间的几何关系。此时做好铺垫，到讲解扭转超静定问题时，就引导学生思考如何在扭转时列补充方程。比如拉压时变形特征用伸长量或缩短量来度量变形程度，而扭转时，用的是扭转角来度量变形程度，因此扭转超静定在列几何方程时，就是寻找扭转角之间的几何关系。

4.关注最新科研成果，及时渗入教学内容

关注研究前沿材料力学性能的最新科研成果，通过分析与提炼，及时与《材料力学》相关内容相结合，渗透到到课堂教学中。比如根据《材料力学》课程内容，将纳米材料，如碳纳米管，碳纳米线，填充金属原子碳纳米管复合材料，石墨烯及其复合材料的拉伸、扭转、弯曲等力学性能，注入到日常教学中去，引导学生分析不同材料的应力应变曲线，了解各类材料的力学性能，并分析纳米材料和宏观材料力学性能的区别。同时相关的最新发表的科研成果，也可以与同学分享，比如豆荚自卷曲、蜘蛛丝的威力等，引导学生的思维从自主学习到自主研究的转变。科学研究思维方法需能够贯穿于基础课教学中，无法独立出来，只能蕴含在课堂教学中。

同时尽可能吸收感兴趣的学生加入相关课题研究组，促使学生带着课题进行学习或参与调查研究，调动学习的积极性，拓展识野，及时了解学科领域的最新研究成果，更重要的是培养学生的科学研究思维和严谨的求学态度，提高学生自主的学习能力和创新能力。

《材料力学》的课堂教学改革在是教学工作中需不断探讨，本文仅就该课程课堂教学中几个具体的教学方法进行思考，探讨改革方式，此外，还有教材、实验、教学体系等方面需要教师和学生不断摸索和完善，以提高教师“教”和学生“学”的水平，达到更好的教学效果，真正培养出素质高、基础厚、能力强、口径宽的应用型人才。

参考文献 (References)：

［1］赵荣飞，何俊仕，杨国范.材料力学在工科专业课程体系中的基础性地位［J］.菏泽学院学报，2009，31（5）:128-130.

［2］ 陈茹仪，孙洪军. “材料力学”课程教学方法教学手段的研究与改革［J］.辽宁工学院学报，20079（3）:133-134.

[3] 李 娜，祝晓燕.基于“教”“学”统一的材料力学课堂改革, Advances in Social Sciences 社会科学前沿, 2017, 6(7), 855-859

[4] 张淑琴, 马英忱, 闫石, 等. 材料力学课程案例教学的研究[J]. 大学教育, 2015(12): 159-160.

作者简介：

李云芳，女，工学博士，副教授，主讲《材料力学》、《工程力学》等本科课程，在《材料力学》课程一线教学9年，主持国家级、省级项目各1项，主持与力学相关的校级教学项目2项。

徐淑琼，女，工学硕士，教授，在《材料力学》课程一线教学20多年，在国内外学术期刊发表学术论文30余篇，主持或参与了国家级、省级、市级等课题10余项。主讲《材料力学》、《工程力学》、《机械工程材料》等本科课程。获得省、市级教学与科研成果多项，撰写与力学课程相关的教改论文多篇。

基金项目 ：《材料力学》课堂教学模式改革课程，临沂大学教学质量工程项目，项目编号：50618171。