提高课堂教学效果的教学模式研究——以材料力学课程为例

李明（淮北师范大学 物理与电子信息学院，安徽 淮北 235000）

提高课堂教学效果的教学模式研究
——以材料力学课程为例

李明
（淮北师范大学 物理与电子信息学院，安徽 淮北 235000）

材料力学是高等院校工科本科生重要的专业基础课，具有内容多、杂、不易掌握的特点.根据材料力学课程的特点，结合近年来指导学生参加全国周培源大学生力学竞赛的经验，从教学内容、教学手段方面对提高材料力学课堂教学效果的教学模式进行实践.实践表明：新的教学模式不但能够激发学生的学习兴趣，有效地提高课堂教学质量，而且使学生具备解决复杂问题的能力.

材料力学；新教学模式；教学内容；教学手段

0 引言

材料力学作为一门工科大学生必修的专业基础课，在基础课和专业课之间起着承上启下的桥梁作用.该课程的特点是理论指导实际应用，既有很强的理论性，又可以为实际生产、设计提供合理有力的指导，它可以为工程设计提供有关强度、刚度和稳定性计算的理论和方法［1］.通过对材料力学的学习，使学生掌握分析材料力学性能的基本方法，通过实际应用中的构件来理解设计原则，最终具备应用所学知识解决实际工程问题的能力.随着现代科学技术的发展，对工程设计的安全性、经济性提出更高的要求，培养创新能力强、工程意识素质高的工程技术人员成为工科院校的首要任务.

随着高等院校教育改革的不断发展，高等院校对课程设置以及课时分配做了较大调整.由于部分新课程的引入，材料力学的课时数在逐渐减小，在这种情况下，传统的教学体系已经不适应现阶段的教学要求.比如材料力学的主要内容是探讨3种基本变形形式（拉、压、扭转、弯曲）的强度、刚度问题，在原来的教学计划安排中，对每一种变形形式单独进行讲解，但是每一种变形形式研究思路基本一致，这样造成同样的问题重复讲，增加额外课时，也缩减其他内容的课时量，导致其他内容课时分配不足，内容讲解不充分.同时每种变形形式分开来讲也打破课程本身的系统性，把系统有规律的知识点变成零散的知识点，从学生反馈结果来看，学生普遍反应公式多记不住、难理解不会用，这样的教学效果满足不了当前社会发展对工程技术人员的需求.同样，该课程的传统教学方法也相对落后、理论与实际脱节严重、学生实践机会少等问题已经远远不能满足现阶段的培养目标［2-3］.

因此，基于以上情况，为适应社会发展需要，根据材料力学课程的特点，并结合近年来指导学生参加全国周培源大学生力学竞赛的经验，从教学内容、教学手段方面对提高材料力学课堂教学效果的教学模式进行实践探索.

1 新教学模式的内容

新的教学模式围绕教学内容的调整与教学手段的改变进行实践.

在教学内容方面，通过优化教学内容，强化实验教学，使学生系统地掌握材料力学的研究方法，并在实验过程中通过学生的独立操作、设计，加深学生对基本概念的理解，使学生掌握材料力学性能的测试方法.

在教学手段改进方面，通过类比教学法、理论联系实际、加强师生互动以及适当运用多媒体相结合的形式展开，使学生提高学习兴趣，理解和掌握知识点的系统性，强化对细节以及关键问题的理解.

2 新教学模式的内容实践

2.1 教学内容

由于课时的调整以及社会对工程技术人员要求的提高，应对教学内容作出相应的调整来满足现阶段的培养需求.

2.1.1 优化教学内容

材料力学课程的主要内容是探讨3种基本变形形式（拉、压、扭转、弯曲）的强度、刚度问题，在原来的教学计划安排中，对每一种变形形式单独进行讲解，但是每一种变形形式研究思路基本一致，这样造成同样的问题重复讲，增加额外课时，也就缩减其他内容的课时量，导致其他内容课时分配不足，内容讲解不充分.同时每种变形形式分开来讲也打破课程本身的系统性，把系统有规律的知识点变成零散的知识点，导致学生公式多记不住、难理解不会用.对于这部分内容的学习，应分析内容的关联性，理清思路，保持其内容的系统性.所以在对这部分内容进行讲解的时候，首先要让学生明白不管是哪种变形形式，研究思路都是一样的，都是根据外力情况应用截面法来求内力，根据内力以及相应的假设来计算应力，从而进行强度校核，根据线弹性阶段应力-应变满足胡克定律来进行变形分析从而进行刚度校核，即：外力分析—内力分析—应力分析—强度校核—变形分析—刚度校核.因此，在讲解这部分内容的时候，应该将原来的单一讲解某一变形变为3种变形同时进行（内力-应力-变形），这样可以让学生在较少的课时内比较清楚地理解材料力学的研究思路，也可以集中强化各个环节的分析方法，从而达到系统地理解、掌握材料力学的内容.

2.1.2 强化实验教学

实验教学是材料力学教学内容的重要组成部分，是理论与实际相结合的重要手段.但是在实验教学时，不能把实验教学仅仅立足于对理论结果的验证，要培养学生的创新性［4］.因此在进行实验教学时，一方面要对实验课时进行调整，增加实验课时的比重，另一方面要提高实验教学的要求.实验前，要求学生对实验进行预习，并根据传统实验方案进行独立设计实验方案，培养学生独立思考以及创新能力；实验过程中，学生应按照操作规范独立操作并认真观察实验现象，记录实验结果，培养学生动手、观察能力；实验后，要对实验结果进行比较、分析，探讨个人设计的实验方案的优缺点.通过学生的独立操作、设计，加深学生对基本概念的理解，使学生掌握材料力学性能的测试方法.

2.2 教学手段

材料力学课程的特点是知识点多、系统性强、实用性强，相应教学手段应该适合该课程的特点.相应该课程的教学手段应采用类比教学法、理论联系实际、加强师生互动以及适当运用多媒体相结合的形式展开.

2.2.1 类比教学法

类比教学法是将不同知识点进行比较，找出其相同或者相似的地方，并总结出相应的规律.在教学过程中采用类比教学法，在较少的课时内可以使学生找到类似知识点的规律，更加体现相似知识点的系统性，便于对知识点的理解和掌握［5］.同时，教师在采用类比教学法的同时，也可以引导学生形成较好的思维习惯，对学生的创新思维的发展有很大的好处.例如不同变形的应力表达式：轴向拉伸或压缩时的内力是轴力FN，应力是正应力，其表达式是扭转变形时的内力是扭矩T，应力是切应力，其表达式是弯曲变形时的内力为弯矩M以及剪力FS，而对于细长梁，弯曲时的主要应力是弯矩M产生的正应力，其表达式为以上应力公式看似各自独立，没有任何规律，但实际上可以对公式规律进行总结，可以反映材料力学的一个核心问题，也就应力与内力以及截面的几何性质之间的关系，并同时也反映应力沿截面的变化规律.例如：轴向拉伸或压缩时正应力表达式可以改写成其中A是横截面的面积，反映截面的几何性质，1表示正应力均匀分布；扭转变形时切应力其表达式可以改写成其中IP截面对坐标原点的极惯性矩，反映截面的几何性质，ρ表示切应力沿截面呈线性分布；弯曲时正应力表达式可以改写成同样IZ是截面对Z轴的惯性矩，也是反映截面的几何性质，y表示正应力沿横截面呈线性分布.因此，3种变形形式的应力表达式可以改写成：

这样可以使学生很轻松地理解、掌握应力的表达式.同样，也可以用相同的类比教学法总结最大正应力、变形量的表达式.以上分析表明，在教学过程中采用类比教学法，可以使学生很容易在短时间内理解、掌握看似杂乱的知识点，起到事半功倍的效果.

2.2.2 理论联系实际

理论教学毕竟是重理论，学习起来比较枯燥，所以为提高学生的学习兴趣，增强学生的理解力，培养学生解决实际问题的能力，必须联系生活以及生产中的实例进行讲解.虽然教材中也有些实例，但是这些实例都是实际应用中简化成力学模型然后对其进行理论计算，没有对如何简化进行讲解［5］.因此可以引入一些生活中常见的例子来吸引学生的兴趣并强化理解.例如讲解应力集中的时候可以引入食品包装袋的小豁口、啤酒饮料易拉罐的压痕，这样学生就比较容易理解应力集中所带来的影响；讲解切应力互等定理的时候，可以拿根竹竿一拧，断裂方向是平行于轴线方向，这样就很好理解互垂截面上且应力的分布；在讲解力学性能的时候，可以将粉笔拉断以及扭断，通过观察断口情况，分析脆性材料的破坏原因.在讲解梁的强度设计的时候，可以通过码头吊车的例子，吊车的设计从材料力学角度简化就是个外伸梁，为什么不用简支梁的形式，可以让学生算一下在相同载荷作用下的最大正应力的数值，就可以比较出设计的好坏.这些例子在现实生活中随处可见，生活中的例子便于学生理解，也可以让学生感觉到力学无处不在，在现实生活中有很大的作用，提高学生的学习兴趣和积极性，也能更好地掌握知识.

2.2.3 加强学生互动

在教学过程中，学生是学习的主体，但是传统的教学模式以教师讲授为主，忽略学生参与的重要性.因此应该改变传统的教学模式，树立以学生为主体的观念，教师在授课过程中的主要作用是激发学生的学习兴趣，让学生参与到课堂当中，引导学生去自主学习.在教学过程中，要多增加课堂讨论部分，例如：一章内容讲完，可以让学生课下自己整理整章内容思路，课上分享自己总结的思路，每一个学生的思路可能不完全一样，但是都可以涵盖主要内容，这样一方面可以激发学生的主动学习的兴趣，另一方面可以让学生体会别的同学的思维习惯，促进个人思维习惯的完善；在讲解完涉及到工程实例的理论时，可以让学生课下查一下与理论相对应的生活中的其他工程实例，在课堂上跟大家分享，大伙共同讨论设计的优劣，起到强化知识点以及提高解决实际问题的能力.同样，对于作业题目，教师可以把易做错的题目叫学生到黑板上做一下，然后跟学生共同来分析做错的地方、易错的地方、题目所涉及的知识点以及这些知识点可能会有什么样的应用.让学生参与到课堂教学活动当中有以下3点好处：（1）提高学生的学习兴趣；（2）培养学生的表达能力；（3）培养学生查阅资料，思考、分析和总结的能力.此外，课上、课下也需要跟学生进行多种形式的互动，了解并解决学生的困惑，了解学生所能接受的讲解方式，并在教学活动中不断改进，寻找更加适合学生的教学手段.

2.2.4 适当运用多媒体

现阶段教师主要是借助多媒体教学作为主要教学手段，通过多媒体教学，可以将抽象的理论知识或者复杂的构件形象化、可视化，因此，在教学活动中需要借助媒体.所以收集和制作工程实例的图片，可以形象地展现语言无法表达清楚的教学信息，增加课堂的信息量和趣味性，便于学生理解，缩短学生的认知过程.大多数学生缺乏工程实践经历，在讲铰支座的约束形式的时候，可以通过多媒体动画展现不同铰支座在的受力情况，让学生比较清楚地了解构件的约束形式.例如讲解梁的合理强度设计的时候，可以收集一些现实生活中的设计实例，让学生直观、形象地理解设计的原则.运用多媒体有形象、可视的好处，但是不能完全借助多媒体，理论分析阶段还是要通过板书的形式，在分析的过程运用板书，是一种即时的分析，教师在上面一步步分析，能把大学生带入分析的情境，加强细节以及关键问题的理解，如果这个过程运用多媒体，此时的效果只是将学生带入直观的结果，影响学生的理解.

3 结论

材料力学课程教学模式应该以学生为主体，以培养学生分析问题解决问题的能力为中心思想.为提高教学效果，在教学内容方面，可以优化教学内容、强化实验教学；在教学手段方面，可以通过类比教学法、理论联系实际、加强学生互动以及适当运用多媒体.通过教学实践，激发学生的学习兴趣，有效地提高课堂教学质量，且使学生具备了解决复杂问题的能力，为社会培养出更多创新能力强、工程意识素质高的工程技术人员.

［1］陈云信.《材料力学》课程教学改革与实践［J］.江汉大学学报，2014，42（4）：40-44.

［2］刘安中，张速.基于CDIO工程教育理念的材料力学课程教学实践［J］.淮北师范大学学报（自然科学版），2016，37 （4）：86-88.

［3］张速.基于全国周培源大学生力学竞赛材料力学新教学模式的实践［J］.淮北师范大学学报（自然科学版），2015，36 （2）：89-91.

［4］汪晓红.《工程力学》教学改革探索［J］.教育与职业，2006，526（30）：117-119.

［5］段洁利，卢玉华，严慕荣，等.工程力学教学方法的创新探索与实践［J］.中国现代教育装备，2011，119（7）：56-60.

A New Teaching Model to Improve the Effectiveness of Classroom Teaching：A case study of Mechanics of Materials Course

LI Ming
（School of Physics and Electronic Information，Huaibei Normal University，235000，Huaibei，Anhui，China）

Mechanics of materials is an important vocational basis classes for engineering undergraduates. The course has the characteristics of miscellaneous content and it is difficult to master.According to the fea⁃ture of mechanics of materials course and the experience of guiding the students to participate in the Nation⁃al Zhou Peiyuan Mechanics Competition for College Students during recent years，a new teaching model is practiced to improve the effectiveness of classroom teaching of mechanics of materials course from the as⁃pects of teaching contents and teaching methods.It was proved that the new teaching model can not only stimulate students′interest in learning and improve the effectiveness of classroom teaching effectively，but al⁃so enable students to have the ability to solve complex problems.

mechanics of materials；the new teaching model；teaching contents；teaching methods

O 341

C

2095-0691（2017）02-0073-04

2017-03-28

国家自然科学基金项目（51301073）；安徽高校省级自然科学研究重点项目计划（KJ2016A629）；高等学校省级质量工程项目（2015jyxm161，2015zy026）

李 明（1979— ），男，山东烟台人，博士，副教授，研究方向为纳米材料热力学.