材料力學(xué)課堂教學(xué)方法的研究與探索

1、    “材料力學(xué)”課堂教學(xué)方法的研究與探索    龐秋摘 要 本文結(jié)合“材料力學(xué)”的學(xué)科特點(diǎn)及課程教學(xué)的實(shí)際情況，根據(jù)多年來(lái)教學(xué)的體會(huì)，對(duì)“材料力學(xué)”課堂教學(xué)方法進(jìn)行了研究與探索。提出在教學(xué)課堂中利用多種教學(xué)方法（直觀圖形和類比法），激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。并采用多媒體教學(xué)手段，堅(jiān)持理論與工程實(shí)例相融合的方法，提高課堂教學(xué)效果；堅(jiān)持理論與實(shí)驗(yàn)相融合的上課理念，增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力；采用計(jì)算機(jī)軟件與理論實(shí)驗(yàn)相融合的思想，提高學(xué)生力學(xué)建模和數(shù)學(xué)分析能力。關(guān)鍵詞 材料力學(xué) 教學(xué)方法 研究：g642.0 ：a為了全面提升教育教學(xué)水平和人才實(shí)踐能力的培養(yǎng)，各高校都開展了

2、“精品課程”、“特色專業(yè)”和“教學(xué)團(tuán)隊(duì)”等質(zhì)量工程建設(shè)，這對(duì)高等學(xué)校教學(xué)質(zhì)量的提高和人才培養(yǎng)的促進(jìn)起到了決定性作用。加強(qiáng)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)成為當(dāng)今高等教育的主要任務(wù)。課堂教學(xué)的好壞直接關(guān)系到質(zhì)量工程的建設(shè)，只有抓好課堂教學(xué)建設(shè)。才能真正抓好質(zhì)量工程，建設(shè)高水平特色的大學(xué)?！安牧狭W(xué)”是高等本科院校機(jī)械工程專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，相對(duì)于其它專業(yè)課來(lái)說(shuō)知識(shí)比較抽象，其理論性較強(qiáng)。它擔(dān)負(fù)著將“理論力學(xué)”和“結(jié)構(gòu)力學(xué)”兩門重要課程有機(jī)銜接起來(lái)，起著承上啟下的關(guān)鍵作用，具有很強(qiáng)的工程實(shí)踐性。課程內(nèi)容緊緊圍繞工程中常見的桿件拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲以及組合變形等應(yīng)力應(yīng)變問(wèn)題展開研究。因此，在“材料力學(xué)”的學(xué)習(xí)過(guò)程中

3、，學(xué)生要脫離剛體概念的束縛，引入構(gòu)件變形的思想。課程涉及的公式推導(dǎo)較多，其理論性較強(qiáng)。并且，課程中很多抽象概念難以用語(yǔ)言或文字簡(jiǎn)單表達(dá)，學(xué)生對(duì)概念認(rèn)識(shí)模糊。為了適應(yīng)新形勢(shì)培養(yǎng)創(chuàng)造型人才的需要，這就對(duì)材料力學(xué)課堂教學(xué)方法提出了更高的要求。本文對(duì)“材料力學(xué)”的課堂教學(xué)方法進(jìn)行了研究與探討，構(gòu)建了材料力學(xué)教學(xué)改革的新框架，期望達(dá)到理想的教學(xué)效果。1多種教學(xué)方法在課堂教學(xué)中的應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣1.1利用直觀圖形化“無(wú)形”為可見教師授課時(shí)僅僅依靠文字講授課堂內(nèi)容，容易給學(xué)生帶來(lái)枯燥乏味感。上課時(shí)，教師應(yīng)根據(jù)課堂的教學(xué)內(nèi)容結(jié)合較直觀形象的圖形表達(dá)出來(lái)，增加學(xué)生對(duì)繁瑣的教學(xué)內(nèi)容的感知程度。例如，在講述“

4、荷載集度、剪力和彎矩間的微分關(guān)系”一節(jié)時(shí)，教材中給出文字性的表述關(guān)于繪制剪力圖和彎矩圖的結(jié)論。這些總結(jié)性的結(jié)論比較枯燥，學(xué)生往往難以理解和記憶。如果在課堂教學(xué)中采用圖像化的方式就可以形象地表現(xiàn)剪力圖和彎矩圖的特點(diǎn)，如表1所示。因此，學(xué)生對(duì)教材中的結(jié)論加深了理解，從而強(qiáng)化了記憶。1.2利用類比法增強(qiáng)教學(xué)生動(dòng)、形象性在材料力學(xué)的理論體系中，材料力學(xué)中的公式推導(dǎo)過(guò)程較復(fù)雜。例如：討論橫截面為圓形的直桿受扭時(shí)的應(yīng)力，需要綜合研究變形幾何、物理和靜力三方面的關(guān)系。研究純彎曲時(shí)正應(yīng)力，也是從綜合考慮變形幾何、物理和靜力三方面的關(guān)系。學(xué)生理解起來(lái)感到困難，往往采用填鴨式教學(xué)，一味的灌輸，嚴(yán)重阻礙學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)

5、能力的發(fā)展。學(xué)會(huì)運(yùn)用類比方法分析事物，對(duì)于我們的思維和研究將會(huì)有重大的突破。將橫截面為圓形的直桿受扭時(shí)的應(yīng)力與扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力類比，首先得到橫截面上的截面內(nèi)力（扭矩和彎矩），然后利用物理關(guān)系（推出應(yīng)力的分布規(guī)律）和變形幾何關(guān)系（得到應(yīng)變的分布規(guī)律）與靜力平衡方程聯(lián)立，求解圓軸扭轉(zhuǎn)時(shí)截面的切應(yīng)力或純彎曲時(shí)正應(yīng)力。2采用多媒體教學(xué)手段，堅(jiān)持理論與工程實(shí)例相融合的方法，提高課堂教學(xué)效果隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，以計(jì)算機(jī)為主的多媒體技術(shù)正在各大高校教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用。多媒體教學(xué)對(duì)于改革傳統(tǒng)的教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，都起到了很大的推動(dòng)作用。使課堂教學(xué)變得生動(dòng)、形象、新穎，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性

6、。材料力學(xué)課程是一門技術(shù)基礎(chǔ)課，它有很強(qiáng)的工程背景。建議課堂教學(xué)可以利用計(jì)算機(jī)多媒體課件，從工程實(shí)例出發(fā)，引出要講的知識(shí)點(diǎn)，然后再將理論應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，使整個(gè)講解都圍繞實(shí)際工程進(jìn)行。不僅增加了課堂內(nèi)容，提供了更多的知識(shí)信息，也有效增強(qiáng)學(xué)生對(duì)材料力學(xué)的感性認(rèn)識(shí)，最大程度地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。如：在介紹等截面直桿受軸向拉伸和壓縮時(shí)橫截面上的應(yīng)力計(jì)算公式時(shí)，可結(jié)合工程實(shí)際情況，介紹一些有切口、切槽、油孔、螺紋和軸肩等的拉壓零件。讓學(xué)生了解這些零件的應(yīng)力分布特征，加深由于截面尺寸變化引起應(yīng)力集中問(wèn)題的認(rèn)識(shí)，舉例說(shuō)明工程實(shí)際中曾多次出現(xiàn)由于應(yīng)力集中及壓桿失穩(wěn)而造成的重大事故。

7、筆者引入了2000年8月臺(tái)灣南部高屏大橋由于失穩(wěn)倒塌的工程實(shí)例。由于采沙過(guò)度大橋弦桿受壓失穩(wěn)，大橋中間下陷長(zhǎng)達(dá)100米，造成17輛車墜河，22人受傷的慘劇。在講扭轉(zhuǎn)這一章時(shí)，可以將汽車傳動(dòng)軸引入進(jìn)來(lái)，利用多媒體課件演示汽車傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)，說(shuō)明空心軸的合理性，讓學(xué)生了解傳動(dòng)軸是傳遞扭矩的，它同時(shí)解決了各連接部件不同心的問(wèn)題以及它們之間距離不斷變化的問(wèn)題。要求學(xué)生掌握外力偶矩及橫截面上內(nèi)力的計(jì)算，并學(xué)會(huì)扭矩圖的繪制。使學(xué)生加深化對(duì)扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力分布規(guī)律、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)剛度的理解。3堅(jiān)持理論與實(shí)驗(yàn)相融合的上課理念，增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力材料力學(xué)中的理論和實(shí)驗(yàn)一直是相輔相成、互相融合的，實(shí)驗(yàn)是理論的來(lái)源，而理論又

8、需要實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證。因此，材料力學(xué)的學(xué)習(xí)應(yīng)該更加突出實(shí)驗(yàn)的重要性，重點(diǎn)理論知識(shí)應(yīng)該與相關(guān)的實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。但是，長(zhǎng)期以來(lái)，材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)被束縛在一種固定的模式中，教師講解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生根據(jù)教師的講解按步驟做實(shí)驗(yàn)、測(cè)量數(shù)據(jù)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最后提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。在這種教學(xué)模式下，容易忽略學(xué)生對(duì)工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)。為此，筆者根據(jù)多年的實(shí)踐與體會(huì)，將材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革，提出材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容分為4個(gè)層面。3.1基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)根據(jù)材料力學(xué)中桿件變形的4種基本形式：拉伸或壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)和彎曲，基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容應(yīng)包括金屬材料的拉伸實(shí)驗(yàn)、壓縮實(shí)驗(yàn)、低碳鋼剪切彈性模量測(cè)定實(shí)驗(yàn)及扭轉(zhuǎn)破壞實(shí)驗(yàn)。此類實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生能

9、獨(dú)立操作完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，并掌握儀器設(shè)備的使用性能，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中鞏固深化理論知識(shí)。 3.2綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)綜合性、 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的主要目的是培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。為此，我們以現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)際情況為背景設(shè)計(jì)了兩個(gè)綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。（1）偏心拉伸實(shí)驗(yàn)、彎扭組合變形主應(yīng)力的測(cè)定實(shí)驗(yàn)。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生掌握如何利用電測(cè)技術(shù)解決結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題，學(xué)會(huì)應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)力的原理和方法，進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和應(yīng)用。（2）鋼桁架結(jié)構(gòu)桿件受力及變形研究。學(xué)生可以根據(jù)實(shí)際的桁架橋，縮小比例，作出相應(yīng)的桁架模型。并對(duì)鋼桁架撓度、桿件內(nèi)力等進(jìn)行測(cè)試，把理論數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析數(shù)據(jù)。使學(xué)生初步掌握電測(cè)技術(shù)在

10、工程測(cè)試中的應(yīng)用。3.3創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)圍繞全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽，讓學(xué)生展開探索與研究。例如：拱形橋梁的設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)穩(wěn)定性的分析，計(jì)算靜載加載砝碼對(duì)橋梁產(chǎn)生的彎矩，采用多層梁組合作為抗拉系統(tǒng)，確定受力構(gòu)件核心部分為支架梁的類型。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程由學(xué)生親自動(dòng)手完成，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生們的創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)合作能力。4采用計(jì)算機(jī)軟件與理論-實(shí)驗(yàn)相融合的思想，提高學(xué)生力學(xué)建模和數(shù)學(xué)分析能力材料力學(xué)作為一門經(jīng)典的基礎(chǔ)力學(xué)課程，是一個(gè)實(shí)踐性較強(qiáng)的學(xué)科，解決問(wèn)題靠的是實(shí)驗(yàn)分析和理論研究相結(jié)合。但是由于受實(shí)驗(yàn)條件及學(xué)時(shí)壓縮等因素的制約，大多數(shù)學(xué)校所開的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目較少。因此，為了適應(yīng)形勢(shì)，在原有的課程體系中融合新的計(jì)

11、算技術(shù)和引進(jìn)新的計(jì)算軟件，從而提高教學(xué)質(zhì)量，加強(qiáng)學(xué)生的建模和計(jì)算能力，拓寬學(xué)生的知識(shí)面，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。如材料力學(xué)的教學(xué)課堂中引入matlab軟件中的simulink仿真工具箱，利用工具箱模擬各種力學(xué)對(duì)象的力學(xué)變形形為。也可選用matlab軟件作為輔助教學(xué)軟件繪圖。首先，分別計(jì)算出各簡(jiǎn)單載荷作用下梁的內(nèi)力，然后應(yīng)用疊加法得到任意載荷下梁的內(nèi)力。然后，利用跳躍函數(shù)列出一個(gè)適用于全梁的剪力方程和彎矩方程。最后，數(shù)據(jù)的處理及數(shù)據(jù)的可視化輸出。例如：一外伸梁ab，如圖1所示，q=2kn/m，m=4 kn·m，p=40kn，利用matlab軟件繪制剪力圖和彎矩圖，如圖2所示。同樣，將ans

12、ys軟件也可以應(yīng)用到“材料力學(xué)”的教學(xué)環(huán)境中，活躍課堂氣氛，拓寬學(xué)生知識(shí)面，使“材料力學(xué)”課程中一些難點(diǎn)變得形象生動(dòng)。例如：材料拉伸時(shí)的力學(xué)性能，攪拌摩擦焊拼焊板拉伸試樣，彈性模量為206mpa，泊松比為0.3，當(dāng)試樣的左右兩邊受到均布力（集度為l0kn/m）作用時(shí)，便會(huì)觀察到x向、y向正應(yīng)力分布圖（如圖3和圖4所示）。5結(jié)語(yǔ)目前，為了適應(yīng)時(shí)代的需要，材料力學(xué)課堂教學(xué)方法的改革，需要打破傳統(tǒng)“黑板式”和“填鴨式”的教學(xué)方法，要求力學(xué)教師在實(shí)際工作中就要做到與時(shí)俱進(jìn)，不斷的提高創(chuàng)新工作的能力。利用多媒體教學(xué)工具結(jié)合現(xiàn)代化教學(xué)模式，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考，誘發(fā)興趣使學(xué)生愛學(xué)，啟發(fā)思維使學(xué)生會(huì)學(xué)。這樣才能真正激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)趣，提高教學(xué)效果?；痦?xiàng)目：武漢東湖學(xué)院2015 年度教學(xué)研究項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào) 2015dh-25。參考文獻(xiàn)1 劉鴻文.材料力學(xué)m.北京：高等教育出版社，2004.2 李軍強(qiáng).材料力學(xué)課程課堂教學(xué)方法探討j.高等函授學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2012.25（5）：54-57.3 趙麗霞.材料力學(xué)課堂教學(xué)方法的研究j.大學(xué)教育，2013（12）：