材料力学课程教学方法的实践

肖新科+赵冰+吴帅涛

【摘要】本科阶段《材料力学》课程主要培养学生对简单杆件结构进行强度、刚度和稳定性进行分析的能力，是土木工程和道路桥梁与渡河工程等专业的一门重要专业基础课。针对实际课程教学中存在的问题，提出了一些改进措施。如适当引入前沿知识，激发学生求知欲和学习兴趣；恰当使用传统板书和多媒体授课方式；有效利用虚拟仿真技术；引入科技竞赛活动，培养学生的实践和创新能力等。实践证明上述措施有助于学生掌握相关知识。

【关键词】教学方法 教学手段 实践能力 创新能力

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）10-0218-01

一、概述

《材料力学》是许多工科专业的专业基础课，我校的土木工程、道路桥梁与渡河工程、机械设计与制造、材料成型等专业均开设这门课程。它主要培养学生具备对简单杆件在外载荷下的强度、刚度和稳定性问题进行分析和设计的能力。对于土木工程专业而言，它还是一门承上启下的课程：《高等数学》和《理论力学》是它的先修课，而它又是《结构力学》、《钢结构设计》、《混凝土结构设计》、《弹性力学》和《组合结构设计原理》等课程的先修课。因此掌握好该门课程的基本概念和知识十分重要。但是该课程内容多、概念多并且相对抽象，同时还缺少足够的实践动手机会，因此一些学生反映该课程理论抽象、内容乏味，甚至少部分学生产生畏学现象[1]。所以，需要进行多方面的教学改革，以期达到预定的学习效果。近年来，在实际教学中进行了一些教学方法的改革和实践，取得了一定效果。

二、激发学习兴趣

好奇心和兴趣对于学生学习效果有决定性的作用，培养学生的实际工程应用能力和创新能力需要培养学生对科学的兴趣[2]。因此在实际教学过程中需要不断激发学生的好奇心和兴趣。主要采取的措施是适当引入前沿知识和身边的力学知识和案例。如在绪论课中介绍近年来我国和其他国家的典型的建筑物和道路桥梁等。同时从其他专业相关的国际权威期刊上检索相关文献，通过多媒体介绍其他相关专业中材料力学知识的一些应用，如展示Journal of Biomechanics杂志上检索到的膝关节置换术中需要解决的生物材料力学性能测试的问题；展示Journal of Biomechanics和Journal of Mechanical Science and Technology中检索到的关于鞋子设计中的材料选择和鞋底外形设计的问题；展示International Journal of Mechanical Engineering检索到的齿轮齿形设计和优化的材料强度问题；展示Ocean Engineering中关于海洋石油钻井平台的强度和刚度设计问题；展示Engineering Failure Analysis中关于大型矿用自卸车车轴断裂的分析。同时，结合时事介绍材料力学所研究的一些问题，如天宫二号发射时，介绍卫星发射塔及周边建筑物在面临强动载和高温时所面临的强度和刚度问题，介绍空间站在太空中所面临的恶劣环境及遭受空间碎片超高速撞击时的强度问题。这些内容的适当增加一方面可极大激发同学的好奇心和学习兴趣；另一方面也能拓展同学的眼界，这些知识也将告诉学生将来读研究生时也可选择其他相关专业。

三、合理使用传统板书和多媒体授课

过去的课堂教学手段主要是板书，这种授课方式对《材料力学》这种概念多和理论公式推导多的课程比较有效。其优点是学生和教师共同思考同一个问题，学生能紧紧跟随教师的思路和节奏[3]，教师边板书、边讲解、边推导、边启发和边提问，而学生则眼、耳、口和脑并用，这样可形成多维印象和刺激，就有利于学生掌握相关知识。但传统的板书也面临一些挑战：（1）展示复杂的变形形式时耗时较多，如实心圆柱在扭转载荷作用下的变形以及任意位置切应变的计算和推导需要画出较复杂的图形。（2）该课程的工程实践性较强，板书时无法有效传递实际工程的相关信息。而这两个缺点恰恰可以通过多媒体教学进行弥补。这种教学方式的展现能力强，信息传递量大，可以创造生动和逼真的教学氛围，激发学习兴趣。因此，涉及复杂图形特别是变形图的绘制以及变形过程的展示时可以借助多媒体技术进行授课，同时需要结合工程背景时也可通过多媒体展示。

四、有效利用虚拟仿真技术

《材料力学》是一门与工程实践密切联系的学科，因此安排有试验课程。但为使学生达到预期的学习效果，试验课通常安排在理论课讲授相关内容之后进行。但这样带来的一个问题是理论课堂上部分学生对相关知识理解不到位。比如讲授低碳钢在单向拉伸载荷下的力学性能时需要讲解径缩并计算应变值，应变值通过引伸计测得的伸长量除以原始标距段长度得到。但这种单向拉伸试验应变值的计算是建立在均匀变形的基础上的，而径缩后材料的变形在标距段内已不再均匀，因此径缩后按原公式计算得到的值理论上已不能再叫作应变。仅凭讲课和图片展示有时不足以让学生理解透彻，这时可以利用有限元计算提前完成单向拉伸试验的仿真，并展示其变形过程及变形过程中应变的分布，这样就能直观地讲解径缩，并清晰地展示径缩前后应变的分布情况。

另外，部分变形形式较复杂和抽象，部分学生无法深刻理解和掌握。如扭转载荷作用下实心圆柱的切应变分布，部分同学不能理解切应变随半径的线性变化。这时可以建立实习圆柱扭转的三维有限元模型，施加扭角，然后在后处理时显示标距段内3/4横截面的应变分布，这样便可以清楚展示应变的分布情况，易于学生深刻理解和掌握该知识点。

五、引入科技竞赛活动

《材料力学》是一门理论课程，但它来源于工程又服务于工程，在培养学生逐步建立工程概念和逐渐形成解决实际工程问题能力方面有着十分重要的作用。但对于一般和新建本科院校而言，通常缺少充足的实践锻炼机会和试验设备。近年来，科技竞赛活动渐多，如省级结构建模大赛、中南地区结构建模大赛等。在这些竞赛活动中需要设计和制作出屋盖、塔式建筑、桥梁、输电塔、广告牌支撑结构等。通过这些竞赛，学生需要确定具体的分析对象，通过检索文献资料和力学分析确定初步结构形式，完成制作，进行加载和多轮优化等，这对于巩固理论知识，培养实践能力和创新意识具有重要意义。为让更多同学参与这种活动，在学校层面设计了“挑战杯”竞赛活动，并将这种竞赛活动纳入《材料力学》课堂教学，在成绩评定中计入该项成绩。

六、结语

《材料力学》是一门重要的专业基础课，又能直接服务工程实际，但内容相对多且枯燥。因此在教学过程中，要注重激发学生的学习兴趣；合理使用传统板书和多媒体技术进行授课；在相关知识的讲授时可以采用虚拟仿真技术增加直观性，以便于学生理解和掌握；同时，还要重视科技竞赛活动对于巩固理论知识、培养学生实践能力和创新意识方面的作用。

参考文献：

[1]刘静，汪中厚， 张丽芳. 材料力学教学中应用研讨课教学方法的探讨[J]. 科技视界， 2016（24）：76，149.

[2]权赫， 春方光. 材料力学课程中培养学生创新思维方法探讨[J].山西建筑， 2016，42（13）：235-236.

[3]黄超，刘德华，武建华，余茜.提高材料力学课堂教学质量体会[J].高等建筑教育，2011，20（5）：88-91.

作者简介：

肖新科（1982—），男，汉族，河南叶县人，工学博士，讲师，研究方向：冲击动力学和材料动力学行为。