新形势下高校《材料力学》教学改革的研究与实践

王化更+吴懋亮

摘要：针对当前《材料力学》教学时数减少而教学要求反而提高的教学现状，以培养学生的创新意识和分析与解决工程实际问题的能力为主要目标，在课程教学改革方面进行了一些初步研究。采取的主要措施有：更新教学内容体系，加入较多与专业需要相关的内容；采用引导式教学法、工程实例教学法、类比教学法、在教学中引入数值分析方法、多媒体教学及小论文式大作业等教学方法与手段；更新实验内容、加入综合创新性实验及采用开放式实验教学；建立新的能够监控学生整个学习过程的成绩评定方式等。实践表明：以上措施能够切实有效地提高教学效果与质量，更好地适应高素质创新人才培养的需要。

关键词：教学内容改革；引导式教学；工程实例教学法；小论文式大作业；开放式实验教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）16-0142-03

《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基础课，课程的特点是理论性较强，同时又与工程实际联系紧密。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基本理论和计算方法。《材料力学》对培养学生的力学思维能力和应用实践能力非常重要，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》等提供必要的基础。

随着高校专业改革的不断深入，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发展的需要，课程的教学要求却又有所提高。因此，为了在减少学时的情况下达到相同的教学效果，本课程的教学内容和教学模式也需要与时俱进。本文依照课程教学内容服从专业培养目标、课程教学方法服务于课程教学内容、素质教育贯穿于整个教学过程的原则，以培养学生的创新意识和分析解决工程实际问题的能力为目的，针对新形势下《材料力学》课程的教学内容和教学模式进行了一些研究与探索。

一、教学内容改革

《材料力学》课程教学大纲规定的基本教学内容主要包括：杆件的四种基本变形（轴向拉伸及压缩、剪切、扭转和弯曲）、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基本要求。由于课程与工程实际问题联系紧密，因此，按照课程教学内容服从专业培养目标的要求，对于不同的专业还应适当加入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，同时可适当加入结构可靠性设计及优化设计等部分内容，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，增强他们运用基本理论解决工程实际问题的能力；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，使学生接触到完整的材料学性能的知识。在基本教学内容的基础上增加符合各专业实际需求的内容，构成了适合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能够提高他们运用基本理论解决工程实际问题的能力。

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部分教学内容，先在黑板上列出本部分内容的研究思路和步骤，然后提示学生按此思路进行有针对性的自学，然后再由教师进行讲解。如基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。在讲述扭转变形时，通过扭转变形平截面假设及扭转变形动画，在黑板上列出扭转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，根据扭转变形的平截面假设，变形几何关系、物理关系和静力关系的顺序去推导扭转变形时横截面上的切应力表达式，再由微段的相对扭转角的表达式自己推导出两端受扭的圆轴左右端截面相对扭转角的表达式，从而得出扭转变形时横截面上的切应力分布规律，并让学生自己思考受扭合理截面的设计规律，进而使学生深入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，也引导学生按照基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扭转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。在讲述各种基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能力的训练，克服对于理论学习的恐惧，体验到推导理论公式的成就感，从而提高其自学能力和分析解决工程实际问题的能力，同时又可以避免教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》与工程实际联系紧密，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，针对每一部分理论都应讲清楚其工程应用，以提高学生的工程认知和应用实践能力。这些工程实例可以是具体的工程问题，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现在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能够吊起重量更大的物体的问题；讲授圆轴的扭转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、动物骨骼的结构特征，如都是空心管状结构，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好造型，如形成合理的圆形截面，上细下粗的树身，能够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能力的作用是显而易见的。endprint

（三）类比法教学

在教学过程中经常采用“类比法”进行教学，可以引导学生分析前后所学内容的相互联系与区别，加深其对于所学知识的理解和掌握水平。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扭转时横截面上点的切应力公式进行对比，让学生理解和体会这些公式之间的联系与区别。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行对比分析，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、扭转圆轴、弯曲梁的微段的变形能和整个杆件的变形能放在一起进行对比分析，使学生更好地理解这三种基本变形时杆件应变能的计算方法。类比是探索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，将问题进行横向的拓宽和纵向的深入，可以有效加强学生归纳分析能力的培养。

（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，本课程基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，则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，让学生了解有限元软件Ansys的应用方法，并将本课程基本理论所得的解与有限元法所得到的解进行对比分析，使学生理解本课程基本理论的应用范围和精度问题，更好地提高其分析和解决工程实际问题的能力。

（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，主要体现在以下两个方面。

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、圆轴的扭转变形、梁的弯曲变形及压杆的稳定性等都加入了大量的动画，使学生能够接触到大量的形象生动的内容，既激发了他们的学习兴趣，又使他们能够对于所学内容有更直观的感受，较大程度地提高了课堂教学效果。

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，这些内容如果仅靠传统的板书教学，虽然学生的印象会更深刻一些，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，而采用多媒体教学则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》的分析思路选用合适的方法进行求解。如在讲授轴向拉伸及压缩这部分内容时，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，并利用基本理论进行求解，最后按照一般科技论文的格式完成一篇简单的小论文。学生的选题除了教师规定的选题外，还有相当一部分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基本理论外，还有少部分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、指导学生进行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能力和分析解决工程实际问题的能力得以提高，是一种非常有效的研究型教学方法。当然，在实施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1～2篇大作业即可，否则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，实施开放式实验教学

实验教学内容既要服务于课程教学目标，同时也要紧跟工程实践要求，着重培养学生分析和解决工程实际问题的能力。为此，我们对实验内容进行适当改进，在保留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项目。更新后的实验内容分为三个部分：第一部分为基本实验，主要包括基本力学性能实验（拉伸、压缩、扭转、冲击）和电测实验（纯弯曲状态下正应力、等强度梁实验等），第二部分为综合设计性实验（弯扭组合实验、偏心拉伸实验），第三部分为综合创新性实验（叠合钢板梁和桁架应力综合分析实验）。基本实验和综合设计性实验以课程基本知识为载体，以基本知识和动手能力训练为重点，为必开实验。综合创新性的实验，以培养学生的设计能力、分析和解决工程实际问题的能力为目的，学生可以选做自己感兴趣的实验项目。

实验教学实施开放式、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，从而使自己动手能力和实践能力得到加强。教师在实验结束后，对实验结果进行总结，指出实验过程中存在的一些不足，同学生进行讨论。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索精神和创新能力。

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，应改变传统的只依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部分：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，考试以考核学生基本概念、基本计算能力为主，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。近几年的教学实践表明：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行的研究与探索，在提高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能够更好地适应专业需要，各种教学方法与手段的采用能够提高学生的学习兴趣、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能力，更新的实验教学内容和开放式实验教学能够加强学生动手能力和实践能力的培养，改进后的成绩评定方式能够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。

参考文献：

[1]张豫，胡枕戈.《材料力学》教学中的类比教学法[J].华东交通大学学报，2004，（24）：12.

[2]季顺迎，武金瑛，金立强.《材料力学》课程中创新意识和实践能力的培养[J].高等理科教育，2008，（5）.

[3]乔雅敏.《材料力学》精品课的建设与实践[J].变通科技与经济，2008，（10）.

[4]刘雅君，闰竹玲，杨红霞，崔保龙.结合工程实例组织《材料力学》教学的探索与实践[J].延安教育学院学报，2008，（22）.

[5]孙立红，吴云鹏，刘宝良.深化《材料力学》教学改革提升学生专业素养[J].高等教育研究，2008，（25）.endprint