基于工程應用的材料力學課程教學創(chuàng)新改革研究

宋瑞雪 張曉琴 呂超穎 郝 靜

陜西服裝工程學院，陜西 西安 712046

材料力學是高校工科類專業(yè)，例如機械等多項專業(yè)的核心基礎課程，學生對于有關知識體系的理解、掌握、應用等能力直接決定了其后續(xù)專業(yè)課程的學習吸收程度。就教學內(nèi)容而言，其側(cè)重于研究典型構(gòu)件基于外部荷載作用的內(nèi)力、應變力、變形、穩(wěn)定性、靜力學設計等相關問題，以教師教學為主，以實驗教學為輔。而從教學目標來講，材料力學課程主要目的是培養(yǎng)學生的構(gòu)件強度、剛度、穩(wěn)定性等問題分析計算能力，且擁有根據(jù)實際工程問題構(gòu)建力學模型以及解決工程應用問題的實際能力［1］。所以說材料力學課程是一門明確主張強化理論和實踐有機結(jié)合的學科課程。

一、材料力學教學現(xiàn)狀分析

材料力學就力學分類來講從屬于固體力學方面，內(nèi)容特征體現(xiàn)為公式多、畫圖需求多、計算需求多，教學內(nèi)容則主要劃分為概念定義、抽象建模、公式推導、數(shù)學運算、結(jié)果分析等多個層面，相對來講比較枯燥乏味，難以吸引學生注意力。尤其是先期有關課程學習不到位的學生落下任何環(huán)節(jié)，后續(xù)都可能無法緊跟教師教學節(jié)奏，導致學習積極性下降。另外理論教學內(nèi)容劃分課程知識為彼此間沒有相互聯(lián)系或者聯(lián)系不夠緊密的一些部分，導致學生無法切實將這些知識融會貫通，直接加大了學生對于知識的理解與應用難度。而在學生成績評價層面，一直以來主要以期末考試為主，導致很多學生只能死記例題，而非真正深入理解其隱藏的知識內(nèi)容，使得工程應用型人才培養(yǎng)目標難以有序?qū)崿F(xiàn)。

（一）學習深度不夠

當前很多專業(yè)一直在實時調(diào)整教學計劃，以此在一定程度上壓縮了材料力學課程的教學課時，導致學識不足而教學內(nèi)容卻較多、要求也較高，如此一來便形成了供需失衡的矛盾，而教學過程中的知識內(nèi)容深度便難以得到有效保障。

（二）課程體系與培養(yǎng)目標脫節(jié)

在高校整個課程體系創(chuàng)新改革的視閾下，材料力學課程教學課時逐步縮減，相關實驗課時也隨之減少。就機械專業(yè)來講，材料力學課程課時少之又少，而涉獵的教學內(nèi)容卻十分復雜，主要有低碳鋼、鑄鐵的拉伸、壓縮、軸類扭轉(zhuǎn)等等，這些實驗均是實際驗證行的實驗，根本無法激發(fā)學生興趣與愛好。此側(cè)重于理論知識傳輸，但缺乏課程實際應用性以及與實踐相聯(lián)系的培養(yǎng)，并不能切實激發(fā)學生主觀能動性，也無法順利實現(xiàn)創(chuàng)新能力有機培養(yǎng)，以此嚴重阻礙了學生實際應用能力的有效培養(yǎng)。

（三）教學方式方法缺乏科學性

材料力學課程沿用傳統(tǒng)灌輸式教學模式，以講授為主，交互性較差。教學側(cè)重點體現(xiàn)于概念講解與公式應用方面，直接忽略了實際工程應用問題的分析與解決。再加上教學活動太過單一，以講解、訓練練習題作為主要方式。以記憶與理解知識等低階目標為主，而實際應用、探究、批判、創(chuàng)新等高階目標嚴重匱乏。理論與實際之間的聯(lián)系不到位，導致學生只具備解題能力卻缺少工程概念，不明白力學模型構(gòu)建過程，做題與解決工程問題之間的聯(lián)系等。同時，還在一定程度上忽視了對于學生工程思維、創(chuàng)新能力的積極培養(yǎng)。

（四）學習評價合理性相對匱乏

評價是學習的引導者，正確的評價需基于推動學習作為標準。而傳統(tǒng)教學模式下，太過于側(cè)重總結(jié)性評價卻忽略過程性評價，即使存在過程性評價但是評價指標缺乏合理性且量化程度不足，缺乏有效監(jiān)督，根本不能真實反饋學生實際學習狀況，更加無法針對整個過程學習提供可借鑒建議［2-3］。

二、以面向工程應用為目標的材料力學教學改革措施

（一）構(gòu)建完善的教學內(nèi)容體系

材料力學教學內(nèi)容選擇與安排需最大程度上符合專業(yè)應用型人才培養(yǎng)目標要求，并直接面向工程，側(cè)重于提升學生工程認知水平，以及培養(yǎng)學生工程有關問題分析與解決等綜合能力。

1.添加針對具體專業(yè)的教學內(nèi)容

材料力學基本教學內(nèi)容大體為桿件變形——軸向拉伸與壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)、彎曲；應力狀態(tài)與強度理論、壓桿穩(wěn)定性分析等等，均是各個專業(yè)教學體系中所明確提出的基本要求。材料力學課程不僅包含基本理論知識，且與工程實際問題息息相關，所以根據(jù)教學內(nèi)容服務于培養(yǎng)目標的有關標準，針對各個專業(yè)特色需適度添加更多可以滿足專業(yè)具體要求的新穎內(nèi)容，促使材料力學課程和專業(yè)工程實踐應用高度契合。其中機制類專業(yè)可適當添加一些構(gòu)件疲勞，或者結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計等相關知識內(nèi)容，以促使學生在學習時可以深切體會材料力學與現(xiàn)代化設計方法之間的密切結(jié)合，從而強化學生以理論知識體系切實解決實際問題的專業(yè)能力；而材料專業(yè)，可添加復合材料的力學性能有關知識內(nèi)容，促使學生可以更深層次的接觸到整體材料力學的性能理論與實踐知識。

2.模塊化建設健全教學內(nèi)容體系

基于面向工程實踐應用安排課程具體教學內(nèi)容，將其模塊化處理，針對各個部分關鍵內(nèi)容，即軸向拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲、組合變形等均劃分成工程背景模塊、基本理論與方法模塊、工程應用模塊、拓展模塊。其一，負責闡述實際所需解決的以及和內(nèi)容有關聯(lián)的問題，據(jù)此牽引出工程應用對于材料力學課程理論發(fā)展的具體需要，側(cè)重于對學生的工程認知水平進行切實有效提升。其二，均為針對理論進行相關推導的內(nèi)容，也就是根據(jù)材料力學的有關研究方式，面向工程需求，以此推導獲取理論與公式，可使得學習深層內(nèi)化材料力學研究方式及其內(nèi)容，并實現(xiàn)其自學與自主解決問題的綜合能力。其三，具體闡述了如何以材料力學基本理論內(nèi)容與方式有效解決工程問題的流程，以提升學生力學模型構(gòu)建能力，以及以立本理論切實解決工程問題的實踐能力。其四，主要是為了適當擴展基本理論和方式，由兩個層面開展，首先是探究材料力學理論方式與其他內(nèi)容之間存在的密切關系與差異性，從而深化學生的理論方式掌握程度；其次是探究在轉(zhuǎn)變理論方式推導過程中的簡潔化條件對于理論方式造成的實際影響作用等等，以此促使學生深入理解簡化模型在工程問題求解過程的影響作用，以及理論和方法的應用范圍［4］。

在詳細講解有關于拉伸或者壓縮內(nèi)容過程中，把基本內(nèi)容根據(jù)以上模塊加以闡述講解。其一，對于工程背景模塊而言，可以陳述分析工程實際案例的方式，提取出工程內(nèi)具體出現(xiàn)的桿件拉伸或者壓縮變形等問題，使得學生深入感知并了解工程有關實踐問題。其二，基本理論與方法模塊，根據(jù)材料力學研究方式方法與步驟，基于詳細觀察分析變形的規(guī)律規(guī)則，制定假設條件，構(gòu)建幾何與物理方程，據(jù)此推導得出拉伸與壓縮時候的應力表達式。其三，工程應用模塊，根據(jù)工程實例指導學生通過構(gòu)建力學模型，并進行內(nèi)力與應力變形分析的具體流程切實有效應對工程問題，以此流程強化對于學生力學思維及其能力的訓練，培養(yǎng)其工程問題分析與解決能力。其四，拓展模塊，在外力和桿件之間的軸線不重合的狀態(tài)下，桿件出現(xiàn)拉伸彎曲組合變形，在桿件截面上出現(xiàn)尺寸突變的時候，此截面的應力分布不均勻，也就是存在應力集中的不良現(xiàn)象，而距離外力作用的相對位置比較近的截面上的應力分布不再均勻，據(jù)此延伸出有關原理，在截面為斜截面的時候，據(jù)此延伸出軸向拉桿件斜截面應力。以面向工程應用作為目標的材料力學模塊化教學內(nèi)容體系不僅可以強化學生工程認知水平，還可以實現(xiàn)對學生實踐能力的有機培養(yǎng)。

（二）采取基于工程應用的教學方法

1.工程實例法

材料力學和工程實際之間的聯(lián)系十分密切，甚至可以說材料力學研究便是為了解決工程實際問題所衍生的，所以在教學過程中對于每部分基本理論和方式方法均應側(cè)重闡述其在工程中的實際應用，據(jù)此有效提升學生工程認知水平與實際應用能力。而工程實例既可以是工程問題也可以是力學問題。壓桿穩(wěn)定性概念講解時，可以實例分析加以闡釋，即在粗鐵絲兩端增加一定壓力的時候，難以導致鐵絲彎曲，但鐵絲也可以保持直線形狀處于足夠穩(wěn)定的狀態(tài)，但是在細鐵絲兩端增加一定壓力的時候，鐵絲便記憶彎曲變形，但是鐵絲并不會被折斷只是無法急需保持直線形狀。據(jù)此實例分析可引出實際兩端受壓桿件，偶爾桿件強度不存在問題，未出現(xiàn)強度損壞但發(fā)生了形狀改變，也就是壓桿已經(jīng)處于失穩(wěn)狀態(tài)，承載能力已經(jīng)遺失，這便是所謂的壓桿失穩(wěn)。再基于改變鐵絲直接、長度、兩端約束，促使學生感觸不同情況下造成的鐵絲失穩(wěn)大小，以充分了解壓桿臨界力的影響要素。如此一來便可通過周圍例子使得學生明白壓桿穩(wěn)定性概念與細長桿臨界力的影響因素。以此力學實例問題進行教學可實現(xiàn)對學生學習興趣與積極性的培養(yǎng)，再引導學生以自身吸收的理論知識進行問題分析，并構(gòu)建問題力學模型，然后通過既有理論知識切實解決有關問題。工程實例問題的引進在學生問題分析與解決能力培養(yǎng)方面的作用是不可替代的［5］。

2.數(shù)值分析解法

材料力學課程相關研究方式方法不僅涉及到了理論內(nèi)容與實驗測試，還包括數(shù)值分析方法。在工程類問題切實分析和解決過程中，材料力學的理論通常也就是只能夠有效解決桿件強度和變形等一類的問題，但是實際工程構(gòu)件形狀各式各樣，很多根本不可簡化成桿件構(gòu)件，對此便可以利用數(shù)值分析法。以此在教學時在闡述主要內(nèi)容的時候，同步數(shù)值分析法——有限元單元法引進教學中去，促使學生可充分深入全面了解軟件的實際應用方式方法，并進一步比較分析材料力學基本理論所得到的解和有限元分析法所得到的解，使得學生切實理解材料力學基本理論實際應用范圍與精確度有關問題，以有效提升學生綜合能力。

（三）加強以培養(yǎng)應用型人才為目標的實踐環(huán)節(jié)

1.實時更新開放式實驗內(nèi)容

實驗教學內(nèi)容不僅應為材料力學教學目標提供一定服務，還要驗證材料力學基本理論準確性，此外還要緊緊跟隨工程實踐的相關具體要求，側(cè)重于實現(xiàn)學生基于實驗方法解決實際問題的實踐能力培養(yǎng)。據(jù)此可適度改進優(yōu)化實驗內(nèi)容，在保留驗證性實驗內(nèi)容的基礎上，積極開設綜合創(chuàng)新性實驗項目。更新之后的實驗內(nèi)容主要劃分為基本驗證性實驗內(nèi)容與綜合創(chuàng)新性實驗內(nèi)容兩部分，其中基本驗證性實驗內(nèi)容包含基本力學性能實驗、電測實驗、綜合設計性實驗。力學性能實驗和綜合設計性實驗均是以課程基本理論知識為基礎，而基礎理論知識和動手實踐操作能力的鍛煉培養(yǎng)則是作為側(cè)重點，屬于必備實驗。而綜合創(chuàng)新性實驗則以培養(yǎng)問題解決和設計能力為主要側(cè)重點，學生可自主選擇感興趣的實驗。實驗教學主要采取多元化教學模式，學生可在實驗室開放時根據(jù)要求進行實驗自主設計，并獨立完成實驗，以強化自身實踐操作能力。教師在學生實驗完成之后，匯總分析實驗結(jié)果，指出其中的不足，并和其他同學討論分析。如此可利于學生發(fā)現(xiàn)問題并熟練掌握問題處理能力，以充分激發(fā)并培養(yǎng)學生探索精神［6］。

2.布置面向工程應用的大作業(yè)

在實際教學時可根據(jù)所學材料力學課程內(nèi)容布置面向工程應用的大作業(yè)，相關選題范圍應和工程實踐相關聯(lián)，或者學生可以自主選題，明確要求學生積極構(gòu)建相關力學模型，并根據(jù)分析思路選擇最佳方法求得模型解。在講解軸向拉伸和壓縮時，面向?qū)W生可以布置拖拽電梯轎廂的鋼絲繩強度等問題，明確指出各小組選擇任意選題以調(diào)研工程實際的機械與運行狀況，構(gòu)建力學分析模型，并以材料力學理論獲取解，然后根據(jù)科技論文模版書寫成論文。學生選題除了教師規(guī)定之外，還有一些是在調(diào)研工程實例時所得，且在解決問題方法選擇時除材料力學理論之外，很多學生還會采用數(shù)值分解法，通過有限元軟件創(chuàng)建問題實體模型、劃分網(wǎng)格以加載求解。通過安排大作業(yè)不僅可激發(fā)學生學習興趣，還可培養(yǎng)學生自主創(chuàng)造力，同時可實現(xiàn)學生力學建模能力與工程問題解決能力提升。