材料力学课程教学内容与教学方法改革研究

王玲玲 邓建华 孔德文

摘  要：该文分析贵州大学材料力学课程教学现状，结合土木工程专业本科生培养特点，从优化课程教学内容知识体系与内容结构、梳理教学中存在的问题以及提出解决方法实施方案、创新教学模式与教学方法三个方面进行研究。提出阶梯式教学内容结构，增加扩展部分内容，给出具体解决措施与实施方案用以解决教学中存在的实际问题，借助“量化课程内容、阶梯式内容结构、理论结果可视化及力学竞赛为导向”的课程教学模式、方法创新与改革，提升材料力学课程教学质量，并指出教学改革中的难点问题。

关键词：材料力学；阶梯式教学内容；理论结果可视化；力學竞赛；教学改革

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）20-0108-05

Abstract： The course teaching situations of Mechanics of Materials were analyzed. Combining the culture characterizations of civil engineering undergraduate， the course reform was conducted from optimizing of teaching content knowledge system and structure， teasing out the current problems and providing the corresponding solution methods， as well as innovating the teaching mode and approaches. The stepwise teaching content structure was presented， and the extended teaching content was added. Moreover， the specific solution approaches were provided to solve the actual problems in the teaching process. The innovation and reform of course teaching mode and approach were carried out by quantifying course content， stepwise teaching content structure， visualization of theoretical results and mechanics competition-oriented teaching， in order to improve the course teaching quality of mechanics of materials. Additionally， the difficult problems in the teaching process were presented.

Keywords： Mechanics of Materials; stepwise teaching content; visualization of theoretical results; mechanics competition; teaching reform

基金项目：贵州省本科教学内容和课程体系改革项目“基于育人育才双目标的《材料力学》课程教学改革研究与实践”（2021030）；贵州大学一流课程培育项目“材料力学”（XJG2021030）；贵州大学校级教改项目“理论力学”（XJG2021028）

第一作者简介：王玲玲（1985-），女，汉族，吉林四平人，博士，教授。研究方向为复合材料力学行为分析与表征。

材料力学课程在工科本科生培养中起着承上启下的过渡作用，在整个本科阶段人才培养体系中具有重要的基础支撑作用[1-2]。材料力学课程是贵州大学土木工程专业学生培养方案中的核心课程，是结构力学、弹性力学、混凝土结构设计原理等专业课程的基础。由于材料力学课程概念抽象、内容繁多、公式复杂、需要较强的逻辑思维能力，学生反映出的问题是课堂能听懂课程内容，但独立做题时思路不清晰。学生没有形成力学思维，在解题思路上很难突破原有的定式，或容易混淆概念和方法[3]。材料力学课程教学总体上存在学生理解程度不够、教授难度较大、教学效果不理想的问题。针对存在的问题，现已开展了课程教学模式、教学方法和考核方式等方面的改革研究，一方面是激发学生的学习兴趣，用兴趣引导学生，激发学生的学习动力，变被动为主动[4]；另一方面是从教学内容、教学方法与考核方式方面进行改革，如改变原有的课程内容顺序、教学方法或设计考核评价结构等[5-7]。如何针对贵州大学土木工程专业材料力学课程进行教学改革研究，提出具有推广价值的力学课程教学改革模式与方法，是夯实学生力学基础、提升培养质量，助力贵州省应用型、复合型、创新型人才培养的根本保障。

一  贵州大学材料力学课程教学现状分析

贵州大学材料力学课程分为高学时（课堂教学80学时）和中学时（课堂教学64学时），土木工程学院开设课程为80学时，机械工程学院、材料与冶金学院、化学与化工学院部分班级开设课程为64学时；两种课程教学内容与内容掌握程度要求不同。材料力学课程的教学以课堂讲授为主，主要利用演示软件、幻灯、投影仪、音像、计算机辅助教学等形象化，以提高教学效果、课容量，增强学生的听课兴趣和热情，引导学生积极思考、提出问题，并给出自己的想法和思路。课程教学中反映出的问题概括为以下方面。

1）材料力学课程定理较多、公式繁多，给本科生的学习带来了一定困难，部分学生的学习兴趣在课程教学中期逐渐减弱，部分学生仅是为了平时成绩和应付考试来课堂听课，缺乏兴趣、重视程度不够。

2）学生的基本知识掌握不牢固，部分同学对概念及定理没有清晰的认识，考试时常见混用概念、误用定理的现象，基础知识掌握不扎实。

3）期末采用闭卷考试形式，学生解题思路不清晰、计算不认真，按照卷面成绩统计，每年的材料力学课程授课一半以上班级不及格率均超过30%，反映出学生理论知识与解题应用的结合能力不足。

二  材料力学课程教学内容与教学方法改革

土木工程专业具有很强的实践性，对学生的实践能力要求较高，材料力学课程教学要结合专业特点，重视知识储备的同时更要加强能力培养。材料力学是贵州大学土木工程专业本科生培养的核心课程，开设在基础课（高等数学、理论力学等）之后、专业课（结构力学、混凝土结构设计原理、土木建筑材料等）之前，是一门承上启下的基础课，是专业课程学习的奠基石。材料力学课程为学生储备力学基本知识和科学方法，建立力学思维模式，实现科学思想的传递，培养严谨的科学态度与创新意识。因此，从优化课程教学内容知识体系与内容结构、梳理教学中存在的问题以及提出解决方法实施方案、创新教学模式与教学方法三个方面开展课程教学改革研究。

（一）  优化课程教学内容知识体系与内容结构，提出阶梯式教学内容结构

材料力学课程教学内容包括理论内容与实验教学两部分，第1章至第5章是材料力学整体理论体系的基本理论部分，分别针对轴向拉压、扭转与弯曲构件的内力、应力、变形进行分析，开展强度与刚度问题的计算。第6章至第9章是在基本理论的基础上，分别提出超静定问题、应力状态与材料破坏规律问题、组合变形与连接部分问题和压杆稳定的问题，第10章和第11章，分别提出了能量法求解刚度问题以及动荷载下应力计算。在材料力学课程教学过程中，优化教学内容知识体系与内容结构，将教学内容形成阶梯式的内容结构，如图1所示。阶梯式教学内容结构包括基本理论部分（第1—5章、实验部分）、提升部分（第6—9章）与扩展部分（第10、11章、力学竞赛）。结合土木类本科生的后续课程需求及相关知识的需求程度，对课程内容的学时比例进行调整，采用模块式教学内容授课，基本理论模块占用44学时，提升部分模块占用22学时，扩展部分模块占用14学时。

扩展部分教学环节安排8个学时，强化提升部分与扩展部分的内容，着重培养学生力学思维及强化训练学生解题能力，加强综合应用类问题求解的练习，针对全国大学生周培源力学竞赛试题，总结应用知识点，并结合历年考试真题进行讲解与训练，培养学生求解复杂强度、刚度、稳定性问题及综合应用问题的能力，为提升参与国际或国内力学竞赛学生的水平、助力土木工程专业学生考研奠定基础。

（二）  梳理教学中存在的问题，提出解决措施与实施方案

材料力学课程的教学理念是夯实基础知识，坚持理论联系实践，培养学生的力学思维，以教学模式与教学方法创新，激发学生学习兴趣，加强学生对课程的重视程度，强化能力，达到“学有所用”的教学效果。因此，针对贵州大学材料力学课程中学生基础知识掌握不扎实、缺乏重视程度、力学思维不清晰与解题能力弱、理论与实践结合能力不足等问题，提出解决措施与教学过程中的实施方法，提出整体的教学实施方案，如图2所示。

（三）  创新教学模式与教学方法，提升材料力学课程教学质量

材料力学课程教学过程中，学生反映概念多、部分理论推导复杂、教学内容的理论体系与内在逻辑难以把握，难学易忘，出现了基础知识掌握不扎实、解题逻辑思维不清晰、理论应用于实践分析的能力较弱的现象，因此，有必要开展课程教学模式与教学方法的改革与创新，提高教学效果。教学模式与方法改革主要包括以下四点。

1  用定量化数字体现基本理论内容的重要程度

材料力学课程内容主要包括基本变形的强度刚度计算、复杂变形的强度刚度计算和刚度问题的求解方法。基本理论部分内容是后续内容的基础，需要连贯学习。主讲教师可以把握课程整体知识体系，了解基础知识点在本门课程中的应用和重要程度，例如第2章轴向拉伸和压缩中求解横截面内力的方法——截面法，该方法在第2—5章、第7—9章中都有应用，是构件求解横截面内力的基本方法，因此主讲教师会反复强调截面法重要，但对于很多知识点授课老师都会作重要强调，学生就会不以为然，认识不到知识点的重要性。因此，本项目提出用定量化的数字来体现基本理论内容的重要程度，让学生直观意识到课程内容的重要性。以截面法为例，将截面法在课程内容中的应用量化，材料课程内容包括11章，该方法在7章（第2—5章、第7—9章）内容中都有应用，因此应用比例占64%，如果不掌握截面法，课程至少一半内容的学习都会受到影响，用具体的定量化数字来体现学习内容的重要程度与应用范围，让学生自身意识到知识点的重要性，而不是授课教师灌输给学生，以此来提高学生的自主学习意识以及对课程内容的重视程度。

2  阶梯式课程内容结构教学模式与教学方法改革

在材料力学课程教学过程中，将课程内容形成阶梯式的内容结构，包括基本理论部分（第1—5章、实验部分）、提升部分（第6—9章）与扩展部分（第10、11章、力学竞赛）。在基本理论部分教学过程中，重点解决学生基础知识不扎实、基本理论与概念易混淆的问题，基本理论部分重点内容是基本变形形式下构件的强度刚度问题，每种基本变形都是按“外力→内力→应力→变形→强度→刚度问题”的步骤进行研究，推导过程基本按照“平面假设→变形几何关系→物理关系→静力平衡条件→应力公式”，因此，在基本理论教学部分，可以采取总结式教学方法，使学生形成规范的分析问题的步骤与方法，形成基本变形的思维主线，反复练习分析过程，强化学生的基本概念、理论与求解能力，使学生对基本变形之间的内在联系具有清晰的认识，为应力应变分析与组合变形问题打下基础；在提升部分的教学中，主要解决复杂问题的强度与刚度问题，考察学生对基本理论部分知识的掌握情况与综合运用能力，可以采用对比式教学模式，与对应的基本变形情况进行对比，在基本变形问题求解的基础上，增加新知识、新方法，使学生顺利过渡到提升部分的内容；在扩展部分的教学过程中，主要目的是强化基本理论部分和提升部分的教学内容，着重培养学生力学思维及强化训练学生解题能力，加强综合应用类问题求解的练习，提升问題难度，培养学生求解复杂强度、刚度、稳定性问题及综合应用问题的能力，该部分是为提升参与国际或国内力学竞赛学生的水平、助力土木工程专业学生考研奠定基础的，不占用过多课时，只为学生提供能力提升的平台，因此采用引导式教学模式，使学生从“学会”走向“会学”，利用课后时间总结问题、分析问题、解决问题，培养学生针对性的自主学习能力。

3  结合实验或数值模拟，将理论结果可视化，提升理论联系实践能力

材料力学课程研究结构中构件的承载力问题，揭示构件的强度、刚度和稳定性问题的基本概念及必要的基础知识，培养学生解决问题的能力，在理论分析的基础上，锻炼学生的实践能力，但具有理论多、概念抽象的特点，给学生的学习带来了一定困难。学生对于部分理论只会计算，不了解实际应用，没有达到理论联系实际的教学效果。若将抽象化的概念或理论应用形象化、可视化，便能加深学生的理解，便于相关知识的掌握[8-9]。因此，课程教学可以结合实验或数值模拟方法，将理论结果可视化，加深对教学内容的理解程度，培养学生理论联系实践的逻辑思维和能力。以应力状态分析为例，基于危险点的单元体应力状态，可以求任意截面上的正应力和切应力、求应力极值，确定主应力及主平面位置。这部分内容公式多、概念多、计算多，需要掌握画出单元体应力状态的方法，学生针对这部分理论多数停留在会计算阶段，但不能把理论与实际应用相关联。因此，在教学过程中，可以结合基本变形实验现象讲授该部分内容。材料力学中开设了低碳钢和铸铁材料的轴向拉伸、压缩及扭转实验，但实验教学要求是观察低碳钢和铸铁材料在拉伸、压缩和扭转情况下的破坏现象，并没有要求从理论上进行分析。而应力状态分析理论最典型的应用就是用来解释不同受力状态下构件的破坏模式，若将实验现象和理论分析相对应，用应力状态理论解释材料破坏的本质原因，既锻炼学生理论方法解决实际问题的能力，又加深了学生对教学内容及其应用的理解程度。对于复杂应力状态下构件的强度及刚度问题，没有对应的实验教学内容，可以借助数值模拟方法，将构件的内力、应力分布可视化，直观展现给学生，让学生能将理论结果与模拟结果对应，加深教学内容理解。课程教学过程中，教学内容可视化的教学模式能够加深学生理解程度，培养学生理论联系实践的思维和能力，提升材料力学课程教学效果。

4  力学竞赛为导向的力学思维训练与能力强化

力学竞赛试题重点测试参赛学生对基本概念、基本理论和方法的深入掌握程度及应用所学知识解决综合问题的能力。总体特点是综合性强，强调多个知识点在复杂问题中的综合应用。全国大学生周培源力学竞赛是一项大学生科技赛事，也是展示高校力学教学水平的窗口。贵州大学在校本科生参与力学竞赛的人数逐年增多，但拿不到好的名次，优秀奖居多。国际大学生工程力学竞赛由俄联邦多所高校在2005年共同发起，经国际大学生工程力学竞赛主办方授权，考试内容为理论力学。2019年，由土木工程学院力学教研室教师带队，组织贵州大学5名学生参加了河海大学承办的2019年国际大学生工程力学竞赛（亚洲赛区），并获得个人赛二等奖与团队赛二等奖的成绩。为体现竞赛对学生学习效果的影响，对参加竞赛同学的理论力学期末成绩进行分析，参加竞赛的同学成绩均超过80分，可见，经过训练的同学，能力提升效果明显。总结比赛经验发现，我校的优秀学生具备扎实的力学基础，但在求解过程与技巧方面欠缺经验，这与力学课程的教学方法有一定关系，以往的材料力学教学过程中，对复杂问题与综合应用问题训练不足。所以，增加扩展部分教学内容，加强复杂的综合应用类问题求解的练习，着重培养学生力学思维及强化训练学生解题能力。针对全国大学生周培源力学竞赛试题，总结应用知识点，并结合历年考试真题进行训练与讲解，培养学生求解复杂强度、刚度、稳定性问题及综合应用问题的能力，为提升参与国际或国内力学竞赛的学生水平、助力土木工程专业学生考研奠定坚实基础。

三  材料力学课程教学改革的重点难点

材料力学课程教学改革旨在采取有效的教学方法，提升教学效果，但学生基础水平参差不齐、教学过程存在问题的多样性给课程的教学改革带来了难度，总结如下。

（一）  综合解决材料力学课程教学中存在问题的有效教学方法改革与创新

材料力学课程教学过程中，学生反映概念多、部分理论推导复杂、教学内容的理论体系与内在逻辑难以把握，难学易忘，出现了基础知识掌握不扎实、解题逻辑思维不清晰、理论应用于实践分析的能力较弱等现象，因此，有必要开展课程教学模式与教学方法的改革与创新，提高教学效果，而有效的教学模式与教学方法改革与创新更要注重综合解决教学中存在的多个问题。

（二）  因材施教的学生力学思维能力与解题能力强化与提升

材料力学是贵州大学土木工程专业本科生培养的核心课程，开设在高等数学、理论力学等基础课之后，学生的基础知识掌握情况与学习能力、学习目标各有不同，如何针对学生因材施教，实现力学思维能力与解题能力提升效果全覆盖的目标是项目的重点难点之一。

材料力学课程是专业知识学习的奠基石，教学借助“量化课程内容、阶梯式内容结构、理论结果可视化及力学竞赛为导向”的课程教学模式、方法创新与改革，解决教学中存在的重视程度不足、基础知识掌握不扎实、解题逻辑思维不清晰和理论应用于实践分析的能力较弱等问题，强化学生力学思维训练与综合解题能力，可有效提升材料力学课程教学质量，在此基础上探索具有推广价值的力学类课程教学改革途径，助力贵州省工科专业本科生培养质量提升。

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