论新形势下高校《材料力学》教学改革

论新形势下高校?材料力学?教学改革 ?材料力学?是高校机械、能源动力、土木、材料等工科类专业的一门重要的专业根底课，课程的特点是理论性较强，同时又与工程实际联络严密。它的任务是在保证构件既满足强度、刚度和稳定性要求又经济合理的前提下，研究构件在外力作用下的变形和破坏规律，为构件的合理设计提供根本理论和计算方法。?材料力学?对培养学生的力学思维才能和应用理论才能非常重要，同时也为学生学习许多后续课程如?机械设计?、?弹性力学?、?流体力学?等提供必要的根底。 随着高校专业改革的不断深化，一方面本课程的学时数逐渐减少，许多专业的教学时数缩减为48学时，而另一方面为了适应现代工程技术开展的需要，课程的教学要求却又有所进步。因此，为了在减少学时的情况下到达一样的教学效果，本课程的教学内容和教学形式也需要与时俱进。本文按照课程教学内容服从专业培养目的、课程教学方法效劳于课程教学内容、素质教育贯穿于整个教学过程的原那么，以培养学生的创新意识和分析解决工程实际问题的才能为目的，针对新形势下?材料力学?课程的教学内容和教学形式进展了一些研究与探究。 一、教学内容改革 ?材料力学?课程教学大纲规定的根本教学内容主要包括：杆件的四种根本变形(轴向拉伸及压缩、剪切、改变和弯曲)、应力状态与强度理论、组合变形及压杆的稳定性分析等内容，这些内容也是各专业教学大纲的根本要求。由于课程与工程实际问题联络严密，因此，按照课程教学内容服从专业培养目的的要求，对于不同的专业还应适当参加新的针对专业实际需求的内容，以使?材料力学?这一课程更好地与专业工程实际相适应。例如，对机械专业，应增加构件的疲劳与断裂等内容，同时可适当参加构造可靠性设计及优化设计等局部内容，使学生在学习过程中能体会到本课程与现代设计方法的有机结合，增强他们运用根本理论解决工程实际问题的才能;对能源与动力工程专业，应增加热应力和薄壁容器的设计与寿命预测等内容，以更好地分析解决工程实际问题;对材料专业，可增加复合材料力学性能知识，使学生接触到完好的材料学性能的知识。在根本教学内容的根底上增加符合各专业实际需求的内容，构成了合适于不同专业需求的教学内容体系，这些改革措施不仅可以激发学生对于本课程的学习兴趣，而且面向各专业实际工程应用的内容也可以进步他们运用根本理论解决工程实际问题的才能。 二、教学方法与手段的改革 (一)引导式教学法 引导式教学就是针对每一局部教学内容，先在黑板上列出本局部内容的研究思路和步骤，然后提示学生按此思路进展有针对性的自学，然后再由老师进展讲解。如根本变形问题的研究思路通常是：观察变形规律，提出变形假设;建立变形几何方程(协调方程);建立物理方程(本构方程);空间静力学平衡方程。在讲述改变变形时，通过改变变形平截面假设及改变变形动画，在黑板上列出改变变形问题的研究思路，并给出适当提示，然后让学生仿照轴向拉压杆件横截面上点的正应力的推导方法，从圆轴中沿轴线方向截取出一微段，根据改变变形的平截面假设，变形几何关系、物理关系和静力关系的顺序去推导改变变形时横截面上的切应力表达式，再由微段的相对改变角的表达式自己推导出两端受扭的圆轴左右端截面相对改变角的表达式，从而得出改变变形时横截面上的切应力分布规律，并让学生自己考虑受扭合理截面的设计规律，进而使学生深化理解工程上受扭圆轴通常做成空心截面轴的原因。类似地，在讲述纯弯曲梁横截面上点的正应力时，也引导学生按照根本变形问题的研究思路，仿照轴向拉压变形杆件横截面上点的正应力表达式及圆轴改变时横截面上点的切应力表达式的推导方法，自己去尝试推导纯弯曲梁横截面上点的正应力表达式。在讲述各种根本变形问题时采用引导式教学法，既可以让学生得到力学思维和推理才能的训练，克制对于理论学习的恐惧，体验到推导理论公式的成就感，从而进步其自学才能和分析解决工程实际问题的才能，同时又可以防止老师在课堂上花了大量时间去推导理论公式而学生却难以理解导致课堂教学效果较差的问题。 (二)工程实例教学法 ?材料力学?与工程实际联络严密，可以这样认为，?材料力学?的研究就是针对解决工程问题而展开的，因此在课堂教学中，针对每一局部理论都应讲清楚其工程应用，以进步学生的工程认知和应用理论才能。这些工程实例可以是详细的工程问题，也可以是身边的力学实例。在讲述梁的危险截面时，举了一个身边的实例让学生自己分析：拿一根细木棍，一边放在讲台上，另一端用手向下压，当用力较大时，此时细木棍会在与讲台的支承处断裂，此时向学生提问，为什么是细木棍在讲台的支承处发生折断，而不是在其他位置，然后让学生自己分析原因。他们通过自己分析，发现细木棍在讲台支承处截面上的弯矩最大，是危险截面，细木棍正应力的最大值就出如今讲台支承处的截面上，因此，细木棍破坏时必然在讲台支承处先发生破坏，从而明白了对于等截面梁如何确定梁的危险截面的问题。其实，在我们的身边，在日常生活中，随时都有大量的实际问题和工程问题可以结合研究。如针对车间里的吊车桥架，可以讨论如何利用现有吊车使其可以吊起重量更大的物体的问题;讲授圆轴的改变变形和梁的弯曲变形时横截面上的切应力和正应力分布特征时，可结合讨论人体、动物骨骼的构造特征，如都是空心管状构造，即既能满足生存需要，又减轻了自重，是大自然进化的一个杰作。还有向冷玻璃杯内倒进开水，杯子破裂的应力、应变分析;烟囱或电线杆倒地断裂后，断裂部位的力学分析;大自然赋予树木的美妙造型，如形成合理的圆形截面，上细下粗的树身，可以抵御不同方向的风力引起的弯曲内力和变形，等等。这些身边的力学问题实际的工程实例，首先培养了学生的学习兴趣，然后引导他们逐步利用所学知识去分析问题，建立问题的力学模型，进而利用现有知识尝试解决相关问题。这些工程实例的引入，对于培养学生分析和解决实际问题的才能的作用是显而易见的。 (三)类比法教学 在教学过程中经常采用类比法进展教学，可以引导学生分析前后所学内容的互相联络与区别，加深其对于所学知识的理解和掌握程度。如在讲述纯弯曲梁横载面上点的正应力公式时，让学生将纯弯曲梁的正应力公式与轴向拉压杆件横截面上点的正应力和圆轴改变时横截面上点的切应力公式进展比照，让学生理解和体会这些公式之间的联络与区别。在讲述平面应力状态任意斜截面上的应力及主应力和主平面的方位时，将其与平面图形的转轴公式及主惯性矩和主惯性轴的方位进展比照分析，使学生更好地理解两者之间的相似性。在讲述杆件的弹性应变能计算时，将轴向拉压杆、改变圆轴、弯曲梁的微段的变形能和整个杆件的变形能放在一起进展比照分析，使学生更好地理解这三种根本变形时杆件应变能的计算方法。类比是探究解决问题与发现新结果的一种有效的思维方法，教学中通过精心设计，因势利导，将问题进展横向的拓宽和纵向的深化，可以有效加强学生归纳分析才能的培养。 (四)适当将数值分析解法引入教学 ?材料力学?的研究方法除了理论分析和实验研究之外，还有一种重要的研究方法即数值分析方法。在解决工程实际问题时，本课程根本理论一般只能解决杆件的强度与变形问题，而实际的工程构件却是各种各样的，其中有大量的不能简化为杆件的构件，要解决此类构件的强度和变形问题，那么只能采用数值分析方法。为此，在教学过程中，在讲述主要内容时，适当将数值分析方法主要是有限元单元法引入教学，让学生理解有限元软件Ansys的应用方法，并将本课程根本理论所得的解与有限元法所得到的解进展比照分析，使学生理解本课程根本理论的应用范围和精度问题，更好地进步其分析和解决工程实际问题的才能。 (五)多媒体教学 多媒体教学在课堂教学中发挥了重要的作用，主要表达在以下两个方面。 1.多媒体课件里面包含了大量的动画，如杆件的轴向拉压变形、圆轴的改变变形、梁的弯曲变形及压杆的稳定性等都参加了大量的动画，使学生可以接触到大量的形象生动的内容，既激发了他们的学习兴趣，又使他们可以对于所学内容有更直观的感受，较大程度地进步了课堂教学效果。 2.多媒体教学有利于让学生在有限的时间内接触到更多的信息量。在教学过程中，有相当多的理论推导内容及例题包括了大量的受力分析图及内力图，这些内容假如仅靠传统的板书教学，虽然学生的印象会更深化一些，但无疑会花费大量的时间，在本课程学时被压缩的情况下，课堂所能传授的内容数量必定也会大大受限，而采用多媒体教学那么可以较好地解决这一问题。 (六)小论文式的大作业 在教学过程中，针对主要内容布置一些大作业，选题范围主要是一些相关的工程实际问题，也可以让学生自行选题，要求他们建立工程实际问题的力学模型，并按照?材料力学?的分析思路选用适宜的方法进展求解。如在讲授轴向拉伸及压缩这局部内容时，向学生布置了起重机钢丝绳的强度问题、拖拽电梯轿厢的钢丝绳的强度问题及液压缸活塞杆的强度问题等工程实际问题，要求学生以小组形式选择其中一个选题，通过调查工程实际中的机械和运行工况，建立其力学分析模型，并利用根本理论进展求解，最后按照一般科技论文的格式完成一篇简单的小论文。学生的选题除了老师规定的选题外，还有相当一局部是自己去调查的工程实例，而且他们解决问题的方法除了用本课程的根本理论外，还有少局部学生采用的是数值方法，采用Ansys有限元软件建立问题的分析模型、划分网格并加载求解。由此可见，在课程教学中鼓励、指导学生进展小论文式的大作业的训练，可以更好地发挥其学习的自觉性和创造性，也使得学生力学建模的才能和分析解决工程实际问题的才能得以进步，是一种非常有效的研究型教学方法。当然，在施行过程中应把握好大作业的数量，以每个学生参与或独立完成12篇大作业即可，否那么对学生而言工作量太大会影响其他课程的学习。 三、更新实验内容，施行开放式实验教学 实验教学内容既要效劳于课程教学目的，同时也要紧跟工程理论要求，着重培养学生分析和解决工程实际问题的才能。为此，我们对实验内容进展适当改良，在保存了一些传统实验内容同时，也积极开设了一些综合性、设计性和创新性的实验工程。更新后的实验内容分为三个局部：第一局部为根本实验，主要包括根本力学性能实验(拉伸、压缩、改变、冲击)和电测实验(纯弯曲状态下正应力、等强度梁实验等)，第二局部为综合设计性实验(弯扭组合实验、偏心拉伸实验)，第三局部为综合创新性实验(叠合钢板梁和桁架应力综合分析实验)。根本实验和综合设计性实验以课程根本知识为载体，以根本知识和动手才能训练为重点，为必开实验。综合创新性的实验，以培养学生的设计才能、分析和解决工程实际问题的才能为目的，学生可以选做自己感兴趣的实验工程。 实验教学施行开放式、自主式教学，学生可以在实验室开放期间任何时间来做实验，由学生根据实验的要求自行制订实验方案，并独立完成整个实验，从而使自己动手才能和理论才能得到加强。老师在实验完毕后，对实验结果进展总结，指出实验过程中存在的一些缺乏，同学生进展讨论。这样，可以帮助学生发现问题，使他们掌握处理问题的技巧，从而更好地激发和培养他们的探究精神和创新才能。 四、学习成绩评定方式改革 学习成绩评定方式应兼顾到学生的整个学习过程，应改变传统的只根据期末考试成绩的评定方法，建立贯穿于整个教学过程的新的评定方法，从整体上评价学生的学习情况，以保证素质教育贯穿于整个教学过程的落实。为此，将学期总评成绩分成三局部：一是学习过程性考核成绩，即平时成绩，包括上课出勤、平时作业、大作业成绩等，占总成绩的30%，其中上课出勤占10%，平时作业占10%，大作业占10%;二是实验考核成绩，占总成绩的1O%;三是闭卷考试成绩，考试以考核学生根本概念、根本计算才能为主，限时完成，占总成绩的60%，闭卷考试能反映学生理论知识的掌握与应用情况，具有较强的客观性。此评价体系能有效监控学生的整个学习过程，杜绝学生通过考前突击得高分的情况，确保素质教育贯穿于整个教学过程。 五、结论 ?材料力学?教学的主要目的就是让学生更好地掌握本课程的学习方法和建立力学模型的方法，并学会用力学思维去分析和解决工程实际问题。近几年的教学理论说明：本文在教学内容、教学方法与手段、实验教学及成绩评定方式等方面进展的研究与探究，在进步教学效果方面显示了较好的作用。针对不同专业增加的内容可以更好地适应专业需要，各种教学方法与手段的采用可以进步学生的学习兴趣、增强学生学习主动性和培养学生用力学思维去分析解决工程实际问题的才能，更新的实验教学内容和开放式实验教学可以加强学生动手才能和理论才能的培养，改良后的成绩评定方式可以有效监控学生的整个学习过程，保证了素质教育贯穿于整个教学过程。