材料力學課程教學方法

　　材料力學課程教學方法【1】

　　[摘 要]材料力學主要研究由固體材料制成的構件承受各種荷載作用時的強度、剛度和穩(wěn)定性問題，是土木工程、機械工程、電力工程、水利工程、材料工程等專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎課程。

　　應激發(fā)學生學習興趣，提高自主學習的能動性;恰當使用各種教學手段;善于利用身邊的力學問題;注重運用類比法分析;重視習題訓練與復習總結和綜合能力培養(yǎng)。

　　[關鍵詞]能動性;類比法;抽象問題;教學手段;綜合能力

　　材料力學主要研究由固體材料制成的構件承受各種荷載作用時的強度、剛度和穩(wěn)定性問題，是土木工程、機械工程、電力工程、水利工程、材料工程等專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎課程，是學習專業(yè)課程及從事專業(yè)技術工作的必備知識。

　　學生在學習過程中普遍反映：該課程的概念、公式較多，不容易記憶;內容抽象，理解困難;對實際工程問題，不會簡化計算等。

　　本文針對材料力學課程的特點和學生反映的情況，嘗試在材料力學課程教學中進行以下幾個方面的探索和實踐。

　　一、激發(fā)學生學習興趣，提高自主學習的能動性

　　學生的好奇心和對力學的興趣是非常有限和脆弱的，如何激發(fā)他們的學習興趣，使他們主動去學習很重要。

　　在學習材料力學課程之前，先讓學生談談對該課程的理解和認識，然后向學生介紹該課程在工程中的應用、歷史與發(fā)展、與后續(xù)專業(yè)課程的關系等，最后介紹整個課程的知識體系、重點難點、時間安排及學習方法等。

　　上課時學生對老師講解理論公式的推導過程不太感興趣，喜歡回答老師提出的簡單問題，如果回答對了，會繼續(xù)跟著老師的講課進度聽下去，如果多次回答錯誤，就會產生畏難情緒和厭惡感。

　　所以，我們在表述問題或者提問時要由淺入深，循序漸進，以啟發(fā)式教學為主，鼓勵學生自己思考、分析、總結，使他們對材料力學課程逐漸產生興趣。

　　例如，我們在講解軸向拉壓桿的強度條件之前，可以先提問：兩根材料相同、長度相等、截面形狀也相同的桿件，若粗細不同，用同樣大小的力逐漸拉伸，哪一根桿會先斷裂?如果其他條件都相同，只有材料不同，木桿和鋼桿哪一根會先斷裂呢?

　　學生很容易就能回答出這些問題來，接著就可以問：為什么兩根桿軸力相同，卻不同時斷裂呢?由此我們可以很自然地引出正應力的計算公式和軸向拉壓桿的強度條件，然后讓學生討論拉壓桿的強度條件在生活中有哪些具體的應用，根據學生討論的結果，從中選幾個典型例子，引導學生分析斜拉橋中的拉索、教室里的柱子、鋼屋架結構中的桿件如何進行截面設計、確定許用荷載及強度校核。

　　讓學生課后用課堂上學過的分析方法分析自己身邊其他實例，進而深入思考怎樣設計出既經濟又安全的桿件，當遇到不符合強度條件的情況時提出具體的處理辦法來。

　　通過提問，對回答較好的同學給予加平時分的獎勵，只有這樣，學生才會一直緊跟著教師的教學過程進行積極配合與思考，才能逐漸體會到學習材料力學的興趣。

　　二、恰當使用各種教學手段

　　為了充分調動學生學習的主動性與積極性，我們在教學過程中可以恰當采用各種教學手段，使抽象問題具體化、復雜問題簡單化，把多媒體教學和網絡教學用到常規(guī)教學中。

　　一方面，我們利用多媒體演示動畫、各種圖表、視頻、工程實例、力學模型、教學總結等，利用黑板講解理論公式推導過程和例題求解過程。

　　這樣既有助于學生對主要知識點的理解又能增大課堂信息量。

　　另一方面，我們引導學生充分利用國家級、省級及校級的力學課程網絡教學資源，主動進入課程網站自主學習，還可利用師生共建的QQ群、微信、微博等進行溝通交流、答疑解惑等。

　　課堂上我們還可以隨機應變的拿起身邊的物體作為教具使用，例如：分析結構的幾何特征時可以把粉筆盒、黑板擦、粉筆作為教具使用;分析理想鉸的時候，可以拿指甲剪、小刀、剪刀或訂書機等作為教具使用;拿一塊橡皮演示組合變形情況;拿一根吸管演示壓桿失穩(wěn)現象;拿粉筆演示脆性材料的拉伸和扭轉破壞試驗等。

　　課后布置任務給學生，讓學生利用手機、相機、網絡等尋找身邊的力學問題，并對實際問題進行分析，簡化出力學模型。

　　這樣通過現代化教學手段與常規(guī)教學相結合、課堂教學與課外教學相結合，會使力學課程變得妙趣橫生而不再枯燥乏味。

　　三、善于利用身邊的力學問題

　　為了使學生更好地掌握知識點，提高學生分析問題的能力和興趣，我們在教學過程中要善于利用身邊的力學問題，列舉一些簡單易行又趣味橫生的例子，使學生感覺到力學無處不在。

　　[1]例如，在闡述材料的各向異性性質時，可以舉劈木柴的例子，順紋劈容易斷、橫紋劈不容易斷。

　　在講解提高彎曲梁的強度時，讓學生觀察教室里的梁為什么是豎放而不是平放的，觀察自然界生長的竹子為什么是空心的，而且從底向上逐漸變細，讓學生觀察粉筆在拉斷和扭斷時的破壞面，分析危險截面和危險點的應力狀態(tài)及破壞原因。

　　冬天室外水管常會被凍裂，讓學生討論并分析水管和冰各處于什么樣的應力狀態(tài)，用哪個強度理論分析破壞原因比較接近實際。

　　讓學生課后測量一下體育課上使用雙杠的水平桿相對豎直桿伸出來的長度是總長的多少，讓學生思考為什么這樣設計，然后逐漸引出利用梁的強度和剛度條件進行合理設計的方法。

　　以上例子都是學生比較熟悉的力學現象，先讓學生自己思考和分析，然后教師再進行點評和總結，學生會很容易掌握知識而且印象深刻。

　　四、注重運用類比法分析

　　類比教學法是將學生未知的知識點與已知的知識點進行對比，找出兩者之間相同和相似的地方，使學生既能加深對已有知識點的記憶和理解，又能使復雜未知的新知識點變得容易理解和掌握，達到事半功倍的效果。

　　[2]雖然材料力學課程概念公式多、計算量大，但它又具有分析問題方法的共性強、前后內容聯(lián)系非常密切等特點。

　　[3]幾種基本變形的主要分析思路和處理方法基本類似：利用截面法求解內力、繪制內力圖;根據平面假設和桿件的變形特征，分析應力分布特點，推導應力計算公式，找出危險截面或危險點，進行強度分析;根據桿件的內力和變形特點，進行剛度分析。

　　我們在分析桿件的基本變形時，可以根據相似性建立一個通用公式，即：最大應力=最大內力 / 截面幾何性質。

　　具體類比分析見表1所示。

　　引導學生用類比分析法分析以上幾種基本變形的應力與強度條件之后，可以讓學生自己類比分析他們的變形與剛度條件。

　　通過運用類比分析法，使學生能夠清晰掌握幾種基本變形的應力公式、強度與剛度分析方法，以便輕松學習組合變形的分析計算。

　　五、重視習題訓練與復習總結

　　教師普遍注重理論公式的推導，認為把基本概念和理論講透了，具體的應用學生自然能夠迎刃而解。

　　事實上，現在學生普遍較為懶惰，課前不預習，課堂上不記筆記，課后不及時復習總結，除了做要上交的習題外其余的基本不做，而且抄作業(yè)現象很普遍，學生的計算能力和準確性較差。

　　大家都清楚，對材料力學的學習必須通過做大量習題才能較為深刻的掌握基本理論與公式，否則對知識的掌握就很膚淺，就會出現能聽懂但不會做或做不對的情況。

　　提高計算能力的最佳途徑就是要做大量的習題，所以，建議教師在課堂上要給學生留出時間練習，課后也要布置一定數量的習題。

　　對于作業(yè)上學生普遍存在的錯誤要及時糾正和引導，讓學生的質疑盡可能在課堂上完全消化。

　　在課程復習總結的教學過程中，注意教材前后內容的連貫性和新舊知識的銜接，類比總結各知識點的特點、規(guī)律、聯(lián)系、解題思路與解題方法。

　　這樣既有利于學生消化吸收新知識又有利于增強學生掌握知識的系統(tǒng)性。

　　六、重視綜合能力培養(yǎng)

　　在教學過程中給出一些實際問題和趣味問題，引導學生自己建立力學模型，然后進行分析，從而加強學生力學建模能力和培養(yǎng)解決實際工程中力學問題的分析能力。

　　學生除了會建立力學模型外，還須要求學生會將材料力學里的許多知識點進行綜合，并利用熟知的解題方法來解決力學問題。

　　引導學生組建力學興趣小組，探討身邊的力學問題，撰寫與專業(yè)相關的力學小論文，制作力學模型，創(chuàng)造小發(fā)明，參加各級各類力學競賽，申報大學生力學方面的實踐創(chuàng)新項目等。

　　還要向學生推薦一些經典力學書籍、力學報紙雜志、力學課程學習網站等，供學生課外拓展學習使用。

　　總之，我們的力學教師需要與時俱進、深入思考，不斷探索與總結，使材料力學課程的學習變得輕松而有趣。

　　[ 注 釋 ]

　　[1] 陳云信.《材料力學》課程教學改革與實踐[J].江漢大學學報(自然科學版)，2014(8)：40-44.

　　[2] 張豫，胡枕戈.材料力學教學中的類比教學法[J].華東交通大學學報，2007(12)：88-90.

　　[3] 李軍強.材料力學課程課堂教學方法探討[J].高等函授學報(自然科學版)，2012(9)：54-57.

　　材料力學教學方法【2】

　　摘 要：材料力學是工科專業(yè)開設的一門專業(yè)技術基礎課。

　　結合多年的教學經驗，對材料力學課程教學方法進行了探討。

　　實踐表明，研究內容對提高學生學習材料力學的興趣，改善材料力學課堂教學效果有重要意義。

　　關鍵詞：材料力學 教學方法 工程實際 多媒體

　　材料力學是高等學校工科類專業(yè)一門重要的專業(yè)技術基礎課，在相關專業(yè)教學安排中具有承前啟后的重要作用。

　　其理論與計算公式在各工程部門的結構設計中被廣泛采用。

　　但材料力學的內容較繁雜，一般包括基本變形、應力狀態(tài)理論和強度理論、組合變形、能量法、超靜定結構解法、壓桿穩(wěn)定等[1]，且內容抽象，概念性強，公式較多，方法技巧性要求高，因此學生在學習過程中往往感覺壓力較大。

　　如何提高材料力學課程的課堂教學效果，激發(fā)學生的學習興趣，是進行力學課程教學方法研究的關鍵任務之一。

　　筆者結合多年的材料力學教學實踐，從如下4個方面對材料力學教學方法進行探討。

　　1 加強概念

　　筆者在教學過程中發(fā)現，有的學生十分清楚材料力學課程的重要性，開始時也能認真學習，但往往經過一段時間以后學習態(tài)度會慢慢松懈，有的學生甚至會徹底放棄努力。

　　問其原因，其中大部分學生反映：由于對某些概念的理解不透徹，導致在學習相關方法和做題時存在困難。

　　材料力學具有內容抽象、概念性強的特點，因而對概念的深刻理解是學生提高學習興趣和信心，進而熟練掌握所學內容的關鍵。

　　材料力學中如下幾個概念需重點分析：

　　1.1 內力

　　在材料力學學習中首先會接觸到內力的概念，且在后續(xù)各個章節(jié)中基本都會涉及內力。

　　學生如果不能清晰地掌握內力的概念，則對平面彎曲、組合變形和能量法等內容將很難掌握。

　　關于內力要重點理解兩點：(1)內力是隨外力的存在而存在的;(2)某一截面的內力與該截面兩側的外力都有關系。

　　理解了這兩點，學生才能正確地求解內力，作內力圖。

　　1.2 應力狀態(tài)

　　應力狀態(tài)理論是從一維問題分析過渡到二維、三維問題分析的橋梁和紐帶，對于應力狀態(tài)理論的透徹理解是熟練掌握復雜受力問題力學分析的關鍵。

　　因為學生對基本變形已經掌握，為了便于學生理解，教師可結合基本變形來講解應力狀態(tài)的概念。

　　例如，通過分析兩端加拉力的扭轉軸引出二向應力狀態(tài)的單元體模型;通過分析橫力彎曲梁橫截面上各點的應力情況講解應力狀態(tài)理論的作用。

　　1.3 強度理論

　　強度理論是材料力學的重點和難點之一。

　　它不像其他理論對應有嚴謹的推導過程，強度理論是基于假說而建立的，且各個強度理論都有一定的適用范圍。

　　因此在講解強度理論時應首先從其發(fā)展著手，闡明強度理論提出的意義，解釋強度理論只能基于假說建立的原因，解釋復雜受力問題強度分析必須應用強度理論的原因。

　　這樣，學生才能對強度理論有較全面的認識，從而正確地應用強度理論求解復雜受力狀態(tài)問題。

　　1.4 能量原理(能量法)

　　材料力學中講了莫爾定理、卡式定理、互等定理等用來計算結構位移的能量原理。

　　為了使學生能正確應用這些原理，首先要闡明幾個能量原理的物理本質―虛功原理。

　　另外，應對各原理分別適用于哪種載荷下的位移求解進行具體說明。

　　2 加強各知識點的融合

　　材料力學中公式雖多，但很多公式具有嚴整性和相似性。

　　例如，各基本變形的應力計算式為[1]

　　(1)由式(1)可以看出，各基本變形的應力都是由相應的內力除以相應的截面幾何性質得到的。

　　再如，各基本變形的變形公式都是由相應內力乘以桿長再除以相應剛度得到的。

　　因此，教師在授課過程中可適時對這類公式進行總結、類比，提醒學生注意它們的相似性、嚴整性。

　　通過類比，學生會感到掌握公式變簡單了，記憶時也會更有興趣。

　　教學實踐中學生反映這樣掌握材料力學公式輕松很多。

　　另外，材料力學在研究4個基本變形時，研究思路和方法是相似的，因此教師在課堂上可以只著重講授拉伸部分的理論分析和公式推導過程，對于其他基本變形，可以讓學生先仿照拉伸變形的分析思路預習，對相關的公式推導過程略講，而側重講授每個變形的特點和由此特點帶來分析和推導過程的變化。

　　這樣既節(jié)省了有限的課內學時，又鍛煉了學生的自學能力，同時也能讓學生更好地掌握材料力學的分析方法，加深學生對各基本變形之間聯(lián)系和區(qū)別的理解。

　　3 聯(lián)系工程實際

　　培養(yǎng)具有較強工程意識和創(chuàng)新精神的創(chuàng)新型工科畢業(yè)生是高等教育亟待解決的問題之一[2]。

　　材料力學作為一門來源于工程，又服務于工程的課程，具有應用范圍廣，密切聯(lián)系工程實際的特點，它在培養(yǎng)學生確立工程概念，解決實際問題能力方面發(fā)揮著關鍵的啟蒙作用。

　　教師在教學過程中要注意結合學生的專業(yè)背景適時聯(lián)系相應的實例，通過分析生動貼切的生活事例和工程實例可以培養(yǎng)學生的工程意識，激發(fā)學生對所學材料力學基本理論的學習興趣，提高課堂學習效果。

　　生活事例及工程實例宜采用多媒體形式講授，這樣可以借助圖片和視頻進行更直觀的分析。

　　從事材料力學教學的教師應注意搜集和積累古今中外與材料力學有關的生活事例和工程實例。

　　例如，學生非常熟悉建筑工地的腳手架，腳手架坍塌事故近幾年時有發(fā)生。

　　通過對腳手架坍塌事故具體事例進行力學分析，可以使學生明確壓桿穩(wěn)定性的實質和研究壓桿穩(wěn)定性的工程意義。

　　再如，通過對美國“泰坦尼克號”游輪的沉沒過程進行力學分析，可以使學生了解材料性能的溫度相關性，并明確研究構件剪切和擠壓變形的工程意義，進而能深刻體會到材料力學的重要性。

　　4 多媒體教學與板書教學有機結合

　　材料力學課程概念抽象，理論性強，學生不易理解，而多媒體教學具有直觀性、動態(tài)性和信息量豐富的特點。

　　在材料力學教學中適當運用多媒體技術，可以增加課堂教學的趣味性和信息量，吸引學生的注意力，并能有效化解教學難點。

　　但是，由于材料力學課程中存在較多理論分析和公式推導的內容，因而不宜完全采用多媒體教學。

　　筆者經過多年材料力學的教學實踐，認為理想的材料力學教學方式應是多媒體教學與傳統(tǒng)板書教學的有機結合。

　　在具體授課過程中，應根據講授內容特點選擇恰當的授課方式。

　　例如，緒論部分適宜采用多媒體教學，首先利用多媒體播放一些工程中因強度、剛度和穩(wěn)定性不足而引起的破壞案例圖片，使學生認識到材料力學的重要性和任務，然后采用幻燈片逐條引出緒論部分的相關內容。

　　基本變形、組合變形、動載荷和穩(wěn)定性等內容適宜采用板書教學和多媒體教學相結合的方式。

　　首先利用多媒體講授相應的工程實例，讓學生對要講授的問題先有感官上的認識，然后再進行相關理論和方法的分析。

　　分析時涉及圖片多、內容簡單的部分宜采用多媒體授課，圖片少、較難理解的內容宜采用板書授課。

　　而能量法計算變形部分易采用經典的板書教學，因為這部分主要講授三個原理的推導及其具體應用，板書的講授方式更能促進學生對原理的理解。

　　另外，可以通過多媒體技術將有限元仿真分析引入材料力學教學中，如可引入基本變形和組合變形的應力場、應變場有限元云圖，通過分析應力應變有限元仿真云圖可使學生對各種變形的應力應變分布規(guī)律有具體直觀的認識，并能促進學生對材料力學相關理論的理解。

　　5 結束語

　　材料力學作為工科專業(yè)開設的一門專業(yè)技術基礎課，對相關專業(yè)學生的學習及力學素養(yǎng)培養(yǎng)有重要的作用，因此研究材料力學課程教學方法有重要意義。

　　筆者從4個方面對提高材料力學教學效果的方法進行了探討。

　　通過多年的教學實踐，發(fā)現本文給出的教學方法對提高學生學習興趣，提高課程教學效果有較大作用。

　　當然，教學活動的改革與實踐是一個長期的過程，且需要實施者在實踐中根據客觀條件不斷地調整，在探索中不斷總結經驗，逐步完善。

　　因此材料力學教學方法的探討將是一個長期的任務。

　　參考文獻

　　[1] 劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2004.

　　[2] 杜春志.“大工程觀”背景下《材料力學》教學改革初探[J].中外教育研究，2012(5)：38-39.

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