材料力學(xué)教學(xué)中加強力學(xué)建模能力的探索與實踐

趙軍 趙青

摘要：隨著相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的調(diào)整，材料力學(xué)課程的教學(xué)時數(shù)有所減少，但對材料力學(xué)后續(xù)課程的要求沒有降低。此外，社會對應(yīng)用型人才和復(fù)合型工程創(chuàng)新人才的需求也對材料力學(xué)教學(xué)提出了新的更高的要求。在培養(yǎng)目標(biāo)調(diào)整的環(huán)境下，如數(shù)值計算的有限元模擬商業(yè)軟件和應(yīng)用程序的不斷改進，材料力學(xué)教學(xué)也應(yīng)該不再強調(diào)復(fù)雜的計算過程和計算方法，培養(yǎng)學(xué)生的基本概念、方法和問題的強有力的工程實踐，根據(jù)力學(xué)建模功能，是當(dāng)前材料力學(xué)教學(xué)應(yīng)重點關(guān)注的問題。

關(guān)鍵詞：材料力學(xué);力學(xué)建模;教學(xué)效果

調(diào)整培養(yǎng)目標(biāo)和時間減少的現(xiàn)實，從材料力學(xué)課程的特點，在課堂教學(xué)訓(xùn)練，在整個生產(chǎn)過程中力學(xué)建模和分析機械建模能力培養(yǎng)的綜合評價等幾個方面，加強學(xué)生力學(xué)建模材料力學(xué)教學(xué)能力訓(xùn)練進行了有益的探索和實踐。結(jié)果表明，這些方法提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)效果，對提高教學(xué)質(zhì)量具有較高的參考價值。

一、注重課堂教學(xué)環(huán)節(jié)的全程訓(xùn)練

當(dāng)前的大學(xué)生實踐認知環(huán)節(jié)缺乏，對所計算問題的工程背景普遍不了解，而相對歐美材料力學(xué)教材中大量使用工程實際圖片和制作精美的三維圖片，國內(nèi)教材在內(nèi)容描述、例題和習(xí)題中只對工程問題進行語言描述和繪出平面線圖，學(xué)生在理解內(nèi)容和做作業(yè)時無法和工程問題相聯(lián)系，嚴重的最終會影響學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，降低教學(xué)效果，針對材料力學(xué)教學(xué)中缺乏力學(xué)建模能力訓(xùn)練這種現(xiàn)實情況，在課堂教學(xué)過程中從以下幾點上加強對學(xué)生力學(xué)建模能力的培養(yǎng)。第1，充分利用多媒體教學(xué)手段的優(yōu)點，在課程開始時做到因材施教，針對相關(guān)專業(yè)播放“材料力學(xué)在XXXX中的應(yīng)用”視頻材料，使學(xué)生感受到強烈的視覺沖擊效果，對材料力學(xué)在相關(guān)專業(yè)中的應(yīng)用有了全局的了解。第2，在基本變形、組合變形的受力與變形特點學(xué)習(xí)時，給出大量工程圖片，并且針對典型問題進行如何從工程實際提煉力學(xué)模型的訓(xùn)練，包括支座約束的簡化、幾何尺寸和截面形狀的大致確定、材料選擇、許用應(yīng)力確定、載荷分析。另外對典型例題也給出合適的工程圖片，使學(xué)生了解教材中平面線圖的由來。第3，在相關(guān)章節(jié)布置力學(xué)建模的作業(yè)，要求學(xué)生對工程問題畫出受力簡圖，以培養(yǎng)學(xué)生的自主力學(xué)建模和定性分析的能力。第4，在工程問題選擇上，教師要盡量結(jié)合當(dāng)時的重大事件：例如冰雪災(zāi)害的結(jié)構(gòu)強度的影響、奧運會場館結(jié)構(gòu)分析、動車追尾事故的動載荷初步分析、神舟系列發(fā)射中的強度剛度問題等。

二、力學(xué)建模與分析報告的綜合訓(xùn)練

為了培養(yǎng)學(xué)生的團隊合作精神，在課程開始時就把學(xué)生分成若干個學(xué)習(xí)小組，每個小組需要合作完成多項學(xué)習(xí)任務(wù)，其中力學(xué)建模與分析報告是重點內(nèi)容，在課程開始時就以《力學(xué)建模與分析報告指導(dǎo)建議書》的形式布置下去，它包括以下內(nèi)容：工程問題描述和解釋（包括工程和生活實際的照片或圖片）;簡化得到力學(xué)計算簡圖，建立力學(xué)模型;具體分析計算;本組的創(chuàng)新點說明;對本組在建模過程中表現(xiàn)的自我評價;小組成員在報告形成過程中的貢獻等，力學(xué)建模與分析報告有點類似于以前材料力學(xué)教學(xué)改革中的“大作業(yè)”，但這里有兩點不同之處：更強調(diào)從工程和生活實際中自主選擇并提煉力學(xué)模型;需要以小組的形式合作完成，最后提交PPT報告。分析以往幾屆學(xué)生提交的報告，內(nèi)容覆蓋的知識面較全面，涉及的工程領(lǐng)域較多，例如管子臺虎鉗強度分析、街道信號燈桿的強度剛度分析、樓房雨棚的強度設(shè)計、指甲刀的強度校核、提水絞車軸的彎扭組合分析、艦載戰(zhàn)斗機彈射起落架強度和穩(wěn)定性分析等。報告的陳述和評價由學(xué)生來完成，目前采用以下方式。每個組推選本組最善于表達的一個同學(xué)上講臺使用多媒體PPT講解匯報，時間為8min，另外每個組安排一位同學(xué)作為評委，主要從下面幾個方面進行評價：選題的綜合性和難易程度（20分）、力學(xué)模型建立是否準確（30分）、分析計算是否正確（30分）、PPT制作和講解（20分）。同時安排學(xué)生使用DV對每個組的匯報進行全程攝像和拍照，影像資料可提供給每個組學(xué)生留作紀念，最后把各組的評分表交回教師作為最終成績的一部分。

三、力學(xué)建模能力的考核評價

教學(xué)改革與創(chuàng)新活動必須具有一個約束機制或者較為公平的考核評價方法，這樣才能保證絕大多數(shù)學(xué)生參與其中并且受益.力學(xué)建模能力的考核評價主要從兩個方面入手。第1，在期末考試試題中設(shè)計一個力學(xué)建模分析的考題，通常給出工程圖片，要求學(xué)生對工程結(jié)構(gòu)建立力學(xué)建模，并寫出強度、剛度分析的主要思路，在強調(diào)定量計算的同時，注重定性分析能力的培養(yǎng)。第2，把力學(xué)建模與分析報告每個組的平均分值作為本組每一個學(xué)生的平均得分，占平時成績的1/3。

四、教學(xué)效果

培養(yǎng)學(xué)生力學(xué)建模能力的出發(fā)點和落腳點是提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性，通過學(xué)生的全過程參與提高材料力學(xué)教學(xué)效果.經(jīng)過近幾年的教學(xué)實踐和調(diào)查反饋，可以認為較好地達到了預(yù)期效果。第1：到課率比較令人滿意.到課率可以在一定程度上反映學(xué)生對課程的興趣.利用學(xué)生在課上做隨堂小測驗的機會，進行過兩次到課人數(shù)統(tǒng)計，分別為92%和95%。第2：期末成績相比較其他班級比較突出教改班的卷面成績優(yōu)秀率、良好率明顯高于非教改班，卷面不及格率教改班明顯低于非教改班。這也從一個側(cè)面很好地反映出，力學(xué)建模能力培養(yǎng)對學(xué)生學(xué)習(xí)興趣提高起到積極正面的作用。第3，學(xué)生反映較好.每一學(xué)期期末復(fù)習(xí)階段都要求各組提交“材料力學(xué)問題與建議反饋”，從中可知學(xué)生對加強力學(xué)建模能力是非常認可的，有的意見如下：“老師的教學(xué)方法，方式很好，能讓學(xué)生投入到其中，也是我們做人的榜樣”、“這種方法很好，讓我感覺材料力學(xué)不是很吃力，效果很好?！绷硗庠谕瑢W(xué)走上講臺進行力學(xué)建模匯報時，學(xué)生都給以熱烈的掌聲，這也反映學(xué)生對力學(xué)建?；顒拥恼J可程度，如果嚴格地評價這些力學(xué)建模分析報告，有的還不完善，甚至個別還有理論方法方面的錯誤，但是在這里不能苛求這些剛結(jié)束材料力學(xué)課程學(xué)習(xí)的學(xué)生，而是強調(diào)應(yīng)用材料力學(xué)知識分析工程實際問題的意識和能力，以及學(xué)生們在團結(jié)完成報告過程中的心靈碰撞所產(chǎn)生的火花。

總之，教師作為實施教學(xué)創(chuàng)新的主導(dǎo)，要不斷更新教學(xué)理念，不僅要有豐富的知識結(jié)構(gòu)和較高的學(xué)術(shù)水平，還要具有較高的力學(xué)建模的能力和敏銳性，不斷為材料力學(xué)教學(xué)提供更多力學(xué)建模案例，這樣才能在力學(xué)建模分析時深入淺出，做到潤物細無聲，真正形成學(xué)生力學(xué)建模能力培養(yǎng)的源頭活水。

參考文獻：

[1]張秀英，淺談材料力學(xué)教學(xué)中加強力學(xué)建模能力的探索與實踐.2017.

[2]劉青云，探討材料力學(xué)教學(xué)中加強力學(xué)建模能力的探索與實踐.2018.