[材料力学,教学改革,形势]论新形势下高校《材料力学》教学改革

论新形势下高校《材料力学》教学改革

《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。

(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，