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淺談高等院校材料力學(xué)分專(zhuān)業(yè)針對性教學(xué)改革實(shí)踐論文
一、引言
21世紀是以知識的創(chuàng )新和應用為重要特征的知識經(jīng)濟時(shí)代。在新的時(shí)代背景下，單純的以認知為目的傳統教學(xué)模式已然過(guò)時(shí)，教育改革必須更加注重學(xué)習者的綜合素質(zhì)提高，進(jìn)而培養其對知識的創(chuàng )新和應用能力。這就必然要求學(xué)習者具備良好的基礎知識結構。在工科各專(zhuān)業(yè)的課程系統中,學(xué)科技術(shù)基礎課是專(zhuān)業(yè)教學(xué)中的基礎環(huán)節。它是聯(lián)系基礎課和專(zhuān)業(yè)課課程的橋梁紐帶，面向新的培養目標要求,增強學(xué)科技術(shù)基礎課程的專(zhuān)業(yè)針對性教學(xué)改革是極其重要的。
《材料力學(xué)》是高等工科院校開(kāi)設的一門(mén)基礎力學(xué)課程，是機械類(lèi)、土木建筑類(lèi)、采礦安全類(lèi)、材料類(lèi)等工程專(zhuān)業(yè)不可或缺的專(zhuān)業(yè)基礎課程。它不僅將《大學(xué)物理》、《高等數學(xué)》、《理論力學(xué)》所學(xué)知識進(jìn)一步與實(shí)際工程問(wèn)題相結合，能夠直接解決一系列簡(jiǎn)單的工程問(wèn)題而且它還是后續《機械原理》、《機械設計》、《結構力學(xué)》、《彈性力學(xué)》等專(zhuān)業(yè)課程的基礎，在學(xué)生整個(gè)高等教育培養體系中具有承上啟下的重要作用。后續專(zhuān)業(yè)課程中，力學(xué)模型的建立、強度計算、剛度計算和穩定性計算等理論知識的應用尤其重要。鑒于《材料力學(xué)》的重要性，很多院校將其作為工科專(zhuān)業(yè)研究生招生考試的專(zhuān)業(yè)課。
《材料力學(xué)》傳統的教學(xué)模式是不分專(zhuān)業(yè)沒(méi)有針對性的統一教學(xué)模式，雖然具有一定的優(yōu)勢，但是已經(jīng)不能適應新時(shí)期對培養創(chuàng )新人才的教育要求，對不同專(zhuān)業(yè)采用不同的具有針對性的教學(xué)內容和教學(xué)方法以及教學(xué)手段具有充分的必要性和緊迫性。筆者根據近幾年分專(zhuān)業(yè)針對性教學(xué)的實(shí)踐，對這一教學(xué)模式進(jìn)行了初步的探討。
二、不分專(zhuān)業(yè)統一教學(xué)的優(yōu)缺點(diǎn)
全校統一教學(xué)一般是將教學(xué)任務(wù)下達到力學(xué)教學(xué)部，然后再分配給任課老師。一般每個(gè)老師不同學(xué)期承擔不同專(zhuān)業(yè)的教學(xué)任務(wù)。這種教學(xué)模式下經(jīng)常出現的一種現象是：這個(gè)學(xué)期教采礦工程，下個(gè)學(xué)期教機械工程，再下個(gè)學(xué)期教地質(zhì)工程。這種傳統的沒(méi)有針對性的統一教學(xué)模式有一定的優(yōu)勢，但也存在著(zhù)一定的不足。
1、統一教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)
力學(xué)系或者力學(xué)部的老師多為力學(xué)專(zhuān)業(yè)科班出身，系統學(xué)習了除基礎力學(xué)外的《彈性力學(xué)》、《塑性力學(xué)》、《斷裂力學(xué)》等高等力學(xué)，同時(shí)，他們也將大部分的科研時(shí)間用于工程實(shí)際中的力學(xué)問(wèn)題的分析和研究，因此具有深厚的力學(xué)功底和較高的力學(xué)素養。在講授材料力學(xué)時(shí)，他們對知識理論體系的理解和把握更加深刻、系統，在材料力學(xué)的理論教學(xué)過(guò)程中深入簡(jiǎn)出，將所涉及到的知識點(diǎn)更加形象的講授給學(xué)生，使得材料力學(xué)的理論教學(xué)工作達到一個(gè)較高的水平。
隨著(zhù)現階段多媒體教學(xué)手段的普及，老師在課堂上可以采用各種電子教學(xué)資源，如圖表、動(dòng)畫(huà)等。統一教學(xué)模式可以使任課教師之間能夠經(jīng)常交流，取長(cháng)補短、改進(jìn)教學(xué)方法、教學(xué)手段、交流教學(xué)經(jīng)驗，共享教學(xué)資源、提高教學(xué)水平，避免了教學(xué)資源的極大浪費。
2、統一教學(xué)的缺點(diǎn)
由于教授力學(xué)課程的老師，研究方向是有所側重的，總是要與一個(gè)工科專(zhuān)業(yè)相結合。因此，他們熟悉的工程專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域也是非常明確的，而開(kāi)設力學(xué)課程的工科專(zhuān)業(yè)非常多，他們不可能熟悉每一個(gè)專(zhuān)業(yè)方向的專(zhuān)業(yè)知識。如果任課老師在講授材料力學(xué)課程時(shí)，針對所有專(zhuān)業(yè)的學(xué)生使用同一套教案，那教學(xué)內容是非常固定的。實(shí)際上不同的專(zhuān)業(yè)對于材料力學(xué)課程所要求的知識重點(diǎn)是不一樣的，如機械工程領(lǐng)域，對于扭轉的要求就比較高，因為工程機械中有很多傳動(dòng)軸，而土木工程則對壓桿穩定、偏心壓縮的要求比較高，因為建筑中有很多受壓桿件。因此熟悉機械工程的老師授課中就會(huì )忽略了土木工程的特點(diǎn)，造成土木專(zhuān)業(yè)的學(xué)生在學(xué)習后續《結構力學(xué)》等課程時(shí)的困擾。
而且材料力學(xué)應該能夠應用于工程實(shí)際并解決一定的工程問(wèn)題。教師在授課過(guò)程中如果不能很好地將材料力學(xué)知識點(diǎn)與學(xué)生所對應的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域結合起來(lái)，培養出來(lái)的學(xué)生可能具備很強的計算題解題能力，但是會(huì )欠缺針對自己專(zhuān)業(yè)的工程問(wèn)題分析建模的能力。更為嚴重的是，如果任課老師不管學(xué)生什么專(zhuān)業(yè)背景，不考慮學(xué)生的需求，只顧自己講授，甚至還舉一些跟他們不相關(guān)的例子，那這樣的教學(xué)難以激發(fā)學(xué)習者對該門(mén)課的喜好和學(xué)習熱情，從而大大影響教學(xué)效果。
因此，不分專(zhuān)業(yè)沒(méi)有針對性的教學(xué)，不能使學(xué)習者對力學(xué)知識能熟練的應用，更理解不了后續畢業(yè)設計中的力學(xué)理論，從而不能很好解決各專(zhuān)業(yè)以后面對的力學(xué)問(wèn)題。所以《材料力學(xué)》教學(xué)應該多結合各專(zhuān)業(yè)進(jìn)行針對性教學(xué)，必須進(jìn)行教學(xué)內容與教學(xué)方法的改革。
三、分專(zhuān)業(yè)針對性教學(xué)改革實(shí)踐
分專(zhuān)業(yè)針對性教學(xué)需要任課老師有高度的責任心和使命感，在備課時(shí)付出更多的努力，去學(xué)習、了解學(xué)生的專(zhuān)業(yè)課程內容和需要。但實(shí)際上，力學(xué)教研室的老師除了教學(xué)任務(wù)之外，還有科研任務(wù)。他們沒(méi)有足夠的時(shí)間去一一了解眾多的專(zhuān)業(yè)課程。這時(shí)可以發(fā)揮傳統的統一教學(xué)模式的優(yōu)勢，那就是力學(xué)教學(xué)部的老師，可以互相交流，將自己所熟悉領(lǐng)域的工程實(shí)例與其他老師共享。所有老師的教學(xué)資源可以編制一個(gè)針對不同專(zhuān)業(yè)的工程實(shí)例庫，需要用到的老師，可以到該工程實(shí)例庫中選取合適的教學(xué)素材。而且材料力學(xué)老師應該創(chuàng )造機會(huì )與各專(zhuān)業(yè)后續的專(zhuān)業(yè)課老師進(jìn)行交流，了解學(xué)生對材料力學(xué)課程的需求，講授的重點(diǎn)。這樣才能夠真正發(fā)揮材料力學(xué)課程的作用，達到較好的教學(xué)效果。
通過(guò)以上措施，筆者在近幾年的《材料力學(xué)》課程教學(xué)過(guò)程中適當和專(zhuān)業(yè)結合，根據各專(zhuān)業(yè)的不同，有針對性的對《材料力學(xué)》課程進(jìn)行了教學(xué)方法和教學(xué)內容的改革，具體做法是：
1、針對機械工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)
機械工程專(zhuān)業(yè)的后續《機械設計》課程里很多理論是以《材料力學(xué)》理論為基礎的。例如，對于軸類(lèi)的強度和剛度校核要求較高，在組合變形的教學(xué)中必須引入傳動(dòng)軸這一工程實(shí)例，從理論分析到設計步驟，都要深入剖析;對于交變應力的授課過(guò)程中，還因該闡述疲勞校核的基本思想和設計理念，為后續課程打好基礎。在講授金屬材料的拉伸、壓縮力學(xué)性能時(shí)，根據專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗的設備構造、工作原理，并將老式的液壓式萬(wàn)能材料試驗機與新型微機控制萬(wàn)能材料試驗機的構造、工作原理進(jìn)行對比講解，使學(xué)生對試驗的機械有深刻的了解。特別是，對于過(guò)程控制與裝備工程專(zhuān)業(yè)，應該引入該專(zhuān)業(yè)的工程實(shí)例作為教學(xué)案例，以此作為教學(xué)改革的突破口。在教學(xué)過(guò)程中，壓力容器方面的實(shí)例教學(xué)應該貫穿課程的始終。增加如塔、儲罐，球罐、反應釜、換熱器等實(shí)例，這樣有助于學(xué)生在學(xué)習《材料力學(xué)》的同時(shí)，認識這些化工容器及容器中的材料力學(xué)問(wèn)題，了解即將學(xué)習的力學(xué)內容將來(lái)能夠用到壓力容器設計的哪些問(wèn)題中。這樣學(xué)生學(xué)習的目的性更強了，有助于增強學(xué)生的學(xué)習興趣。
2、針對土木建筑類(lèi)專(zhuān)業(yè)
對于土木建筑類(lèi)專(zhuān)業(yè)，《材料力學(xué)》是后續的諸如《結構力學(xué)》《混凝土結構原理》以及《鋼結構原理》、《巖體力學(xué)》等課程的基礎，因此，在《材料力學(xué)》教學(xué)需要做好與后續幾門(mén)課程的銜接。
《結構力學(xué)》研究桿件結構的強度、剛度、穩定性和動(dòng)力反應等問(wèn)題，是《材料力學(xué)》的深化和延伸。在軸向拉伸和壓縮中講到的求解桿件內力的方法—截面法，是求解其它變形桿件的內力及《結構力學(xué)》中求解桿件結構內力的通用方法。而且在彎曲內力中講到的彎矩、剪力與分布荷載間的微分關(guān)系，可簡(jiǎn)化梁內力圖的繪制。這種方法在《結構力學(xué)》里會(huì )繼續用到，并將擴展為軸力、彎矩、剪力與分布荷載間的微分關(guān)系，可簡(jiǎn)化剛架內力圖的繪制。這些在《材料力學(xué)》教學(xué)中需要跟學(xué)生特別說(shuō)明，引起學(xué)生重視，做到有針對性的學(xué)習。
《混凝土結構原理》主要講述混凝土受彎構件、受壓構件、受拉構件和受扭構件的受力性能和截面設計計算方法。因此在在彎曲應力中，推導純彎曲正應力公式時(shí)所作的平面假設，在混凝土受彎和受壓構件的正截面承載力計算中被稱(chēng)為平截面假定，所以在講純彎曲的平面假設時(shí)，可以統一講述。又如，在混凝土結構中，根據混凝土梁中的主拉應力跡線(xiàn)和主壓應力跡線(xiàn)，可分析梁會(huì )產(chǎn)生什么樣的裂縫以及如何合理配置鋼筋，這些可以引入主應力教學(xué)過(guò)程中。
《鋼結構原理》中的鋼材的內部組織比較均勻、連續，接近各向同性，且在一定的應力范圍內處于理想彈性工作階段，符合材料力學(xué)所采用的假定，所以在《材料力學(xué)》教學(xué)中適當引入鋼結構的工程實(shí)例，可以為后續課程“搭橋鋪路”。另外彎曲中心在鋼結構中有非常重要的應用，不能略講，需要重點(diǎn)講述。
《巖體力學(xué)》是研究巖體在各種力場(chǎng)作用下變形與破壞規律的理論及其實(shí)際應用的科學(xué)，其中庫倫-莫爾強度理論是應用較廣的強度理論，該理論是以莫爾應力圓為基礎，所以在《材料力學(xué)》莫爾應力圓講授中，教學(xué)要求要比其他專(zhuān)業(yè)高，講清概念、講透理論、多做練習，還可以結合《巖體力學(xué)》的分析實(shí)例進(jìn)行進(jìn)一步延伸拓展。
3、針對材料類(lèi)專(zhuān)業(yè)
新材料的研制對未來(lái)社會(huì )發(fā)展起著(zhù)重要的作用，隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種新型材料層出不窮。根據專(zhuān)業(yè)特色，該類(lèi)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生在畢業(yè)設計階段會(huì )設計各種新型材料，設計出的新型材料需要進(jìn)行力學(xué)性能的測試，所以在講授材料在拉伸壓縮的力學(xué)性能時(shí)，授課教師既要講解低碳鋼、鑄鐵力學(xué)性能測定，更應重點(diǎn)介紹按國家標準規定的標準試樣及非標準試樣的加工制作要求，使學(xué)生通過(guò)掌握金屬材料力學(xué)性能的測試而達到舉一反三的目的。而且還應該提出常溫靜載實(shí)驗的這些性能指標在高溫、低溫、動(dòng)載荷下會(huì )發(fā)生怎樣變化?你能舉出多少應用實(shí)例?廣泛應用于航空航天、交通、醫療等領(lǐng)域的復合材料、功能梯度材料、壓電材料、壓磁材料、形狀記憶合金等智能材料的力學(xué)性能又如何呢?也可以就這樣既開(kāi)闊了學(xué)生的眼界留下了思考和發(fā)展空間，也使學(xué)生對后續專(zhuān)業(yè)課產(chǎn)生濃厚的興趣和探知欲，使《材料力學(xué)》真正成為基礎課與專(zhuān)業(yè)課的橋梁和紐帶。
4、有針對性的引入現代力學(xué)分析手段
很多專(zhuān)業(yè)在工程實(shí)際中需要利用現代力學(xué)分析手段對工程中的結構、機構等進(jìn)行力學(xué)分析。有限元分析軟件ANSYS、ABAQUS和Marc等等也因其強大的計算能力和形象而細致的后處理方法得到了廣泛應用。這些先進(jìn)的分析工具也需要引入《材料力學(xué)》課堂。分析材料力學(xué)中涉及的內力、應力和變形問(wèn)題,運用動(dòng)畫(huà)演示構件的變形，讓學(xué)生觀(guān)察變形和破壞形式，使學(xué)生對構件變形形式有感性認識，引導學(xué)生主動(dòng)思考，并將應力、應變、位移云圖等后處理結果展示給學(xué)生看，這樣更有利于學(xué)生對知識的學(xué)習和掌握;利用應力云圖可使圣維南原理與應力集中概念等難點(diǎn)內容變得容易理解。
經(jīng)過(guò)近年來(lái)的以上教學(xué)改革實(shí)踐，各個(gè)專(zhuān)業(yè)課老師和畢業(yè)設計的老師反映，學(xué)生能夠很容易運用材料力學(xué)的知識分析專(zhuān)業(yè)課中的問(wèn)題，在專(zhuān)業(yè)課學(xué)習中能做到很好的過(guò)度，很快的進(jìn)行專(zhuān)業(yè)課的學(xué)習，接受專(zhuān)業(yè)知識的能力較以往有很大的提高。
四、總結
《材料力學(xué)》作為工科專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎課，對學(xué)生的就業(yè)和考研深造都具有非常重要的作用。各位任課老師一定要具備很強的責任心，認真了解授課專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)，針對專(zhuān)業(yè)知識結構調整教學(xué)內容。這樣可以使學(xué)生較早地接觸到本專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域知識，提高對《材料力學(xué)》課程重要性的認識，從而達到一個(gè)較好的教學(xué)效果，進(jìn)而培養其對知識的創(chuàng )新和應用能力，適應新時(shí)代下對工程技術(shù)高素質(zhì)人才的要求。
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