机制专业《材料力学》教学改革与研究

宋瑞雪 刘 洋 杨欣怡 张晶晶

陕西服装工程学院，陕西 西安 712046

《材料力学》课程是研究分析杆件基于外力作用生成的应变、应力、强度、刚度、稳定性的学科，是固体力学的分支学科，也是机械制造专业的基础课程，同时是后续专业课程学习的重要前提，与学生岗位就业后的工程问题分析与解决能力息息相关。《材料力学》这一课程是公认的教师教学难度大，学生学习难度大，在传统教学模式下，课程知识讲授受限于教材，侧重于强调教材知识，却缺乏对于授课内容具体应用的重视，导致无法有效启迪并引导学生发散创造性思维。就学生而言，思维易发散，积极性与自主性大大降低，无法构建独立思考的力学思维与素养，更不能实现学以致用。

一、《材料力学》课程的学科特性分析

《材料力学》课程侧重于探究静载荷作用下构件强度、刚度、稳定性。《材料力学》课程的特性主要体现在概念较多、分析过于抽象、理论分析流程繁杂、技巧性比较强、公式太过复杂等，明确主张学生拥有扎实的数学基础，尤其是微积分思想。《材料力学》课程内容之间彼此关联、环环相扣，从浅至深，各章节内容均和后面章节内容存在密切联系，但是基础章节内容比较抽象，例如材料基本变形理论分析均是通过实验观察具体现象，提出假设，并以力学与数学知识推导分析从而得出结论。这些均进一步提高了对学生的实际要求。《材料力学》课程教学过程中通常会设置实验课时，应力实验、拉压扭转强度实验等明确指出学生必须具备较好的动手操作能力，以及理论应用于实践的能力。所以，机制专业多数学生认为《材料力学》课程是一门理论与实践相结合的课程，学习时难度较大，但是《材料力学》是理工科专业后续专业课程学习的重要基础，对于后续专业课程知识学习的影响不可小觑［1］。

二、机制专业《材料力学》教学现状及问题分析

《材料力学》课程在机制专业中从属于基础性课程，是后续专业课程学习的基础条件。当前国内《材料力学》课程教学主要以专业课程独特特性为载体实现相关课程划分，具体包含刚度校核、截面尺寸设计、变形衍生等，其在有关测量工作有序进行过程中充分占据着不可小觑的关键性地位。在工程教育逐渐走向国际化的趋势下，明确指出《材料力学》也应适度调整与改革。其中基本变形知识体系所涉猎的内容大体包含弯曲、拉伸压缩等等，这就要求学生必须充分熟练地掌握强度、刚度计算与校核等相关知识内容，并充分把握压杆稳定性计算分析。教学一般以教师板书和PPT结合的教学方式为载体。在理论知识教学完成的基础上，针对学生开展课程训练，强化师生交互。

教学过程一般以教师课堂黑板板书与PPT演示相结合的方式为载体开展教学工作。而在吸收内化理论知识内容的基础上，还需针对学生开展《材料力学》课程内容实践训练，强化师生交互，并切实以平时表现考核成绩和期末考试成绩按照既定比例的方式全方位评估与考核学生学习情况。然而由于《材料力学》课程自身知识结构太过复杂，且教学方式比较单一，学生教学过程中依旧存在很大局限性，且无法直观呈现抽象的力学模型。学生在复习时太过注重考前突击，日常学习程度严重不够，实践操作能力比较差，对于《材料力学》课程基础知识的掌握不到位，严重制约了学生高效学习与实践应用［2］。

（一）课程内容繁杂而课时相对有限

由于《材料力学》课程内容比较繁杂，但是课时安排相对有限，导致新材料呈现少之又少。课程内容大体包含拉压、扭转、弯曲等变形状态与多重变形的内容、应力、变形计算分析，以及压杆失温与强度测试等等。教材的设置单元太过于繁杂，其中理论知识课时安排少之又少，使得课堂知识点和公式相关内容安排比较频繁，导致学生难以理解与掌握。相同教学大纲面对不同模块层次学生开展教学所获得教学效果非常不理想。此外，当前教材对机制专业中出现的新型材料和工艺等一系列新颖内容的介绍简单且非常少。

（二）理论知识与实例相互脱节

《材料力学》课程教学内容与研究对象侧重于理想化杆件模型，需满足连续性、均质性、各向同性等设定。在教材中的例题多数是简化之后的模型，学生通过在简化处理之后的模型对具体受力情况进行计算，通常对于力学例题相关模型是怎样由实际案例中转换出来的并没有充分全面了解。在课程教学过程中如果不适当融合实际工程实际案例简化模型或者对受力进行计算分析，缺乏侧重于学生对实际工程力学模型的抽象化建设能力培养，将会导致学生无法实现理论与实践的有机联系，只能够一知半解。在后续机制专业课程学习与设计等实践过程中遇到实例时，将会无从着手。

（三）教学方式方法缺乏一定灵活性

在机制专业《材料力学》课程教学中采用灌输式教学方式的现象依旧十分普遍，教师和学生间缺少实时交互的讨论交流过程。教师讲述学生听取，较长时间内始终保持在被动吸收理论知识的位置上，会直接造成学生学习兴趣与热情随之下降，自然而然学习效果也会显著降低。此外《材料力学》课程中一些教师过于注重理论知识传输而忽视了实践训练教学，常规拉伸、压缩与扭转等实验也多数停留于理论验证性实验，实践应用性相对较差，对于学生实践动手操作能力培养会造成严重阻碍。虽然《材料力学》课程理论知识的具体讲述过程中，教师为激发学生学习积极性，已经在尝试引进翻转课程教学方式，但是由于重难点知识内容太过于抽象，致使学生难以深层理解，学生学习热情较差。而在相关实验教学过程中依旧是以教师阐释与学生跟随教师讲解动手的方式为主，教师在课程初步环节会阐述实验原理、操作步骤、有关注意事项，然后学生通过分组按照既有流程开展实验项目，只有少数的学生会跟随进度自主动手操作，所以总体实践能力培养效果根本没有达到理想状态。

（四）无法与后续机制专业课程有机融合

在教学创新改革逐渐深化调整的趋势下，社会发展需要学生实时扩展知识面，并持续交叉融合。但是在有限课时安排中，教师只能够讲述课程理论知识，并未形成课程密切对接且又相互独立的教学体系。《材料力学》课程作为机制专业基础课程，对于后续专业课程学习发挥着不可替代的关键作用。若是《材料力学》课程内容无法与后续专业课程内容相互交叉且融合，势必会致使学生难以合理利用所学《材料力学》课程知识有效解决专业课程问题［3-4］。

三、机制专业《材料力学》教学创新改革措施

（一）有机培养学生工程认知与力学建模能力

现阶段大部分《材料力学》课程教材内的实际案例均是一些过于抽象的力学模型，学生根本无法从中学会或者了解力学模型是怎样由工程问题中得以转变出来的，导致学生内化吸收的力学类基础知识和实践认知之间出现了严重的相互脱节现象，对此需积极采取措施加以解决。

首先，在教学过程中教师可适当添加一些和怎样对力学模型进行抽象简化处理的有关内容，与传统教学内容相较而言，教师在教学时可融入工程与生活实际有关视频资源，以描述并解释工程问题；力学模型的抽象和简化处理；以具体推导出来的理论公式计算分析抽象简化之后的力学模型。

其次，教学过程中可切实结合机械工程实例开展《材料力学》课程理论知识教学。在讲授基本变形时，可通过吊车吊钩等机械实例进一步分析轴向拉伸与压缩变形杆件的内应力、应变；可通过连接件等机械实例深入分析剪切与挤压强度的近似计算分析方式；可通过吊车大梁等机械实例深层探究解析发生弯曲变形的杆件强度刚度。在阐述组合变形时，可通过基于承受钻削力影响的钻床立柱等机械实例进行立柱强度分析；可通过数控铣床进行平面铣削时所用刀具主轴等机械实例进行主轴强度与刚度分析。在讲解稳定性问题时，可通过螺旋千斤顶等机械实例对临界力与临界应力计算、合理稳定设计方案进行分析，这样把机械工程实例始终贯穿于整个《材料力学》课程教学过程中，既可以帮助学生构建对于抽象不具体的课程知识和直观形象的工程实际应用之间的密切关联，又可以提升学生的机制专业知识与技能热情与积极性。

再次，把有限元软件引进《材料力学》课程教学与实验教学过程中去，在教学时动态化呈现一些具有代表性的零部件加载、变形直至破损全过程。在讲解基本变形和组合变形情况下杆件强度计算分析时，可通过有限元软件展示对应条件下应力应变分布图，对比分析理论和数值计算结果，以此深化学生对于理论推导中作出的假设的详细理解，并赋予学生对于工程问题解决的直观认知。具体讲解应力集中的过程中，基于有限元软件呈现应力集中位置的应力应变实际情况与具体值，促使学生深刻了解机械零部件设计中应力集中的重要意义，并学会怎样缓解应力集中。在实验教学过程中，通过有限元软件开展模拟仿真实验，可以反反复复对仿真实验过程中呈现出来的相关现象与应力应变状态进行仔细观察，全面渗透理解。

最后，鼓励学生参与课外竞赛活动，利用《材料力学》课程所学力学知识支持设计论证。教师可鼓励学生参与机械类或者综合类大型竞赛活动。而比赛过程中做项目任务的时候，学生可通过深度分析项目专题、建模所用《材料力学》知识、解决问题是各细节分析处理，在此过程中可切实锻炼训练学生的实践操作能力、自主学习能力等。

（二）有机培养学生实践动手操作能力

现阶段《材料力学》实验课程体系中的一系列常规实验项目，例如塑性材料低碳钢单轴拉伸、单轴压缩等，都属于理论验证性实验，学生只要根据指导书进行实验并处理分析数据便可以了，这样根本不能实现学生理论应用能力与工程分析能力培养目标，根本无法充分展现学生的实验设计能力与团结合作意识。就工程教育专业认证视角着手，教师可在《材料力学》课程实验环节，除常规理论验证性实验项目之外，还可就实验硬件与学科研究方向，增加以科学研究项目与工程实际应用为载体的创新型实验项目。

例如，目前许多新型材料在机械领域中的运用十分普遍，其力学性能不同于常见金属材料，且学科具备研究项目强力支持，所以制定了符合陶瓷材料与功能梯度材料等高低温度拉伸强度与压缩强度实验项目，其明确规定学生必须预先自主学习相关原理、了解设备性能与操作流程，就实际需要设计样品尺寸形状与实验夹具卡具，设计实验计划，独立自主完成项目，科学处理分析数据信息，并全方位解析最终结果。

这样不仅可以促使学生深层熟练掌握理论知识，还可以提高学生实践操作能力，培养学生创新创造意识。机制专业课程体系中的机械原理、制造基础、制造装备设计、机械用材料等均与课程理论知识息息相关，材料力学课程创新型实验项目的组织既要以科学研究项目与工程实际应用为基础，又要侧重于与机制专业后续课程内容相互对接。例如，变截面轴设计虽然是机械设计课程体系中的关键组成部分，但是其强度与刚度计算的相关理论条件均应基于《材料力学》课程充分熟练掌握，实验项目过程中可简单阐述或者融合一定的相关实验设计，切实实现《材料力学》与后续专业课程的有机联系，从而强化学生对于《材料力学》课程理论知识的实际应用。

（三）培养学生健康良好的人文科学素养

基于成果作为导向的课程体系主张促使学生形成健康且良好的人文素养，对此教师可由《材料力学》的具体发展历史视角，基于充分掌握基础理论知识，提升学生人文科学素养。在整个课程教学中指引学生自主浏览力学历史相关资料，汇总典型理论诞生的时代背景、工程背景以及科学发展水平，深切感受对相关理论诞生做出巨大贡献的专家科学研究精神，探寻其所使用的实际研究方法与所获取结论的缺陷部分，并详细分析存在不足的实际原因。在《材料力学》课程教学过程中帮助学生厘清基本理论知识的具体发展过程，根据学生阅读力学历史有关资料的深切感悟，调动学生求知欲。以适度增加力学科学家探究基本理论的工程背景、科学素养、造成理论不健全的因素等，实现对学生人文科学素养的培养，以及勇敢接受偶遇失败的创新意识、社会责任意识等。实际教学中注重理论探索与发展实际过程，可由方法论视角督促学生自主锻炼创新思维能力，同时也是基于成果为导向的课程要求［5-6］。