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論新形勢下高�！恫牧狭W(xué)》教學(xué)改革論文
《材料力學(xué)》是高校機械、能源動(dòng)力、土木、材料等工科類(lèi)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎課，課程的特點(diǎn)是理論性較強，同時(shí)又與工程實(shí)際聯(lián)系緊密。它的任務(wù)是在保證構件既滿(mǎn)足強度、剛度和穩定性要求又經(jīng)濟合理的前提下，研究構件在外力作用下的變形和破壞規律，為構件的合理設計提供基本理論和計算方法�！恫牧狭W(xué)》對培養學(xué)生的力學(xué)思維能力和應用實(shí)踐能力非常重要，同時(shí)也為學(xué)生學(xué)習許多后續課程如《機械設計》、《彈性力學(xué)》、《流體力學(xué)》等提供必要的基礎。
隨著(zhù)高校專(zhuān)業(yè)改革的不斷深入，一方面本課程的學(xué)時(shí)數逐漸減少，許多專(zhuān)業(yè)的教學(xué)時(shí)數縮減為48學(xué)時(shí)，而另一方面為了適應現代工程技術(shù)發(fā)展的需要，課程的教學(xué)要求卻又有所提高。因此，為了在減少學(xué)時(shí)的情況下達到相同的教學(xué)效果，本課程的教學(xué)內容和教學(xué)模式也需要與時(shí)俱進(jìn)。本文依照課程教學(xué)內容服從專(zhuān)業(yè)培養目標、課程教學(xué)方法服務(wù)于課程教學(xué)內容、素質(zhì)教育貫穿于整個(gè)教學(xué)過(guò)程的原則，以培養學(xué)生的創(chuàng )新意識和分析解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力為目的，針對新形勢下《材料力學(xué)》課程的教學(xué)內容和教學(xué)模式進(jìn)行了一些研究與探索。
一、教學(xué)內容改革
《材料力學(xué)》課程教學(xué)大綱規定的基本教學(xué)內容主要包括：桿件的四種基本變形(軸向拉伸及壓縮、剪切、扭轉和彎曲)、應力狀態(tài)與強度理論、組合變形及壓桿的穩定性分析等內容，這些內容也是各專(zhuān)業(yè)教學(xué)大綱的基本要求。由于課程與工程實(shí)際問(wèn)題聯(lián)系緊密，因此，按照課程教學(xué)內容服從專(zhuān)業(yè)培養目標的要求，對于不同的專(zhuān)業(yè)還應適當加入新的針對專(zhuān)業(yè)實(shí)際需求的內容，以使《材料力學(xué)》這一課程更好地與專(zhuān)業(yè)工程實(shí)際相適應。例如，對機械專(zhuān)業(yè)，應增加構件的疲勞與斷裂等內容，同時(shí)可適當加入結構可靠性設計及優(yōu)化設計等部分內容，使學(xué)生在學(xué)習過(guò)程中能體會(huì )到本課程與現代設計方法的有機結合，增強他們運用基本理論解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力;對能源與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)，應增加熱應力和薄壁容器的設計與壽命預測等內容，以更好地分析解決工程實(shí)際問(wèn)題;對材料專(zhuān)業(yè)，可增加復合材料力學(xué)性能知識，使學(xué)生接觸到完整的材料學(xué)性能的知識。在基本教學(xué)內容的基礎上增加符合各專(zhuān)業(yè)實(shí)際需求的內容，構成了適合于不同專(zhuān)業(yè)需求的教學(xué)內容體系，這些改革措施不僅可以激發(fā)學(xué)生對于本課程的學(xué)習興趣，而且面向各專(zhuān)業(yè)實(shí)際工程應用的內容也能夠提高他們運用基本理論解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。
二、教學(xué)方法與手段的改革
(一)引導式教學(xué)法
引導式教學(xué)就是針對每一部分教學(xué)內容，先在黑板上列出本部分內容的研究思路和步驟，然后提示學(xué)生按此思路進(jìn)行有針對性的自學(xué)，然后再由教師進(jìn)行講解。如基本變形問(wèn)題的研究思路通常是：觀(guān)察變形規律，提出變形假設;建立變形幾何方程(協(xié)調方程);建立物理方程(本構方程);空間靜力學(xué)平衡方程。在講述扭轉變形時(shí)，通過(guò)扭轉變形平截面假設及扭轉變形動(dòng)畫(huà)，在黑板上列出扭轉變形問(wèn)題的研究思路，并給出適當提示，然后讓學(xué)生仿照軸向拉壓桿件橫截面上點(diǎn)的正應力的推導方法，從圓軸中沿軸線(xiàn)方向截取出一微段，根據扭轉變形的平截面假設，變形幾何關(guān)系、物理關(guān)系和靜力關(guān)系的順序去推導扭轉變形時(shí)橫截面上的切應力表達式，再由微段的相對扭轉角的表達式自己推導出兩端受扭的圓軸左右端截面相對扭轉角的表達式，從而得出扭轉變形時(shí)橫截面上的切應力分布規律，并讓學(xué)生自己思考受扭合理截面的設計規律，進(jìn)而使學(xué)生深入理解工程上受扭圓軸通常做成空心截面軸的原因。類(lèi)似地，在講述純彎曲梁橫截面上點(diǎn)的正應力時(shí)，也引導學(xué)生按照基本變形問(wèn)題的研究思路，仿照軸向拉壓變形桿件橫截面上點(diǎn)的正應力表達式及圓軸扭轉時(shí)橫截面上點(diǎn)的切應力表達式的推導方法，自己去嘗試推導純彎曲梁橫截面上點(diǎn)的正應力表達式。在講述各種基本變形問(wèn)題時(shí)采用引導式教學(xué)法，既可以讓學(xué)生得到力學(xué)思維和推理能力的訓練，克服對于理論學(xué)習的恐懼，體驗到推導理論公式的成就感，從而提高其自學(xué)能力和分析解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，同時(shí)又可以避免教師在課堂上花了大量時(shí)間去推導理論公式而學(xué)生卻難以理解導致課堂教學(xué)效果較差的問(wèn)題。
(二)工程實(shí)例教學(xué)法
《材料力學(xué)》與工程實(shí)際聯(lián)系緊密，可以這樣認為，《材料力學(xué)》的研究就是針對解決工程問(wèn)題而展開(kāi)的，因此在課堂教學(xué)中，針對每一部分理論都應講清楚其工程應用，以提高學(xué)生的工程認知和應用實(shí)踐能力。這些工程實(shí)例可以是具體的工程問(wèn)題，也可以是身邊的力學(xué)實(shí)例。在講述梁的危險截面時(shí)，舉了一個(gè)身邊的實(shí)例讓學(xué)生自己分析：拿一根細木棍，一邊放在講臺上，另一端用手向下壓，當用力較大時(shí)，此時(shí)細木棍會(huì )在與講臺的支承處斷裂，此時(shí)向學(xué)生提問(wèn)，為什么是細木棍在講臺的支承處發(fā)生折斷，而不是在其他位置，然后讓學(xué)生自己分析原因。他們通過(guò)自己分析，發(fā)現細木棍在講臺支承處截面上的彎矩最大，是危險截面，細木棍正應力的最大值就出現在講臺支承處的截面上，因此，細木棍破壞時(shí)必然在講臺支承處先發(fā)生破壞，從而明白了對于等截面梁如何確定梁的危險截面的問(wèn)題。其實(shí)，在我們的身邊，在日常生活中，隨時(shí)都有大量的實(shí)際問(wèn)題和工程問(wèn)題可以結合研究。如針對車(chē)間里的吊車(chē)橋架，可以討論如何利用現有吊車(chē)使其能夠吊起重量更大的物體的問(wèn)題;講授圓軸的扭轉變形和梁的彎曲變形時(shí)橫截面上的切應力和正應力分布特征時(shí)，可結合討論人體、動(dòng)物骨骼的結構特征，如都是空心管狀結構，即既能滿(mǎn)足生存需要，又減輕了自重，是大自然進(jìn)化的一個(gè)杰作。還有向冷玻璃杯內倒進(jìn)開(kāi)水，杯子破裂的應力、應變分析;煙囪或電線(xiàn)桿倒地斷裂后，斷裂部位的力學(xué)分析;大自然賦予樹(shù)木的美好造型，如形成合理的圓形截面，上細下粗的樹(shù)身，能夠抵御不同方向的風(fēng)力引起的彎曲內力和變形，等等。這些身邊的力學(xué)問(wèn)題實(shí)際的工程實(shí)例，首先培養了學(xué)生的學(xué)習興趣，然后引導他們逐步利用所學(xué)知識去分析問(wèn)題，建立問(wèn)題的力學(xué)模型，進(jìn)而利用現有知識嘗試解決相關(guān)問(wèn)題。這些工程實(shí)例的引入，對于培養學(xué)生分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力的作用是顯而易見(jiàn)的。
(三)類(lèi)比法教學(xué)
在教學(xué)過(guò)程中經(jīng)常采用“類(lèi)比法”進(jìn)行教學(xué)，可以引導學(xué)生分析前后所學(xué)內容的相互聯(lián)系與區別，加深其對于所學(xué)知識的理解和掌握水平。如在講述純彎曲梁橫載面上點(diǎn)的正應力公式時(shí)，讓學(xué)生將純彎曲梁的正應力公式與軸向拉壓桿件橫截面上點(diǎn)的正應力和圓軸扭轉時(shí)橫截面上點(diǎn)的切應力公式進(jìn)行對比，讓學(xué)生理解和體會(huì )這些公式之間的聯(lián)系與區別。在講述平面應力狀態(tài)任意斜截面上的應力及主應力和主平面的方位時(shí)，將其與平面圖形的轉軸公式及主慣性矩和主慣性軸的方位進(jìn)行對比分析，使學(xué)生更好地理解兩者之間的相似性。在講述桿件的彈性應變能計算時(shí)，將軸向拉壓桿、扭轉圓軸、彎曲梁的微段的變形能和整個(gè)桿件的變形能放在一起進(jìn)行對比分析，使學(xué)生更好地理解這三種基本變形時(shí)桿件應變能的計算方法。類(lèi)比是探索解決問(wèn)題與發(fā)現新結果的一種有效的思維方法，教學(xué)中通過(guò)精心設計，因勢利導，將問(wèn)題進(jìn)行橫向的拓寬和縱向的深入，可以有效加強學(xué)生歸納分析能力的培養。
(四)適當將數值分析解法引入教學(xué)
《材料力學(xué)》的研究方法除了理論分析和實(shí)驗研究之外，還有一種重要的研究方法即數值分析方法。在解決工程實(shí)際問(wèn)題時(shí)，本課程基本理論一般只能解決桿件的強度與變形問(wèn)題，而實(shí)際的工程構件卻是各種各樣的，其中有大量的不能簡(jiǎn)化為桿件的構件，要解決此類(lèi)構件的強度和變形問(wèn)題，則只能采用數值分析方法。為此，在教學(xué)過(guò)程中，在講述主要內容時(shí)，適當將數值分析方法主要是有限元單元法引入教學(xué)，讓學(xué)生了解有限元軟件Ansys的應用方法，并將本課程基本理論所得的解與有限元法所得到的解進(jìn)行對比分析，使學(xué)生理解本課程基本理論的應用范圍和精度問(wèn)題，更好地提高其分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。
(五)多媒體教學(xué)
多媒體教學(xué)在課堂教學(xué)中發(fā)揮了重要的作用，主要體現在以下兩個(gè)方面。
1.多媒體課件里面包含了大量的動(dòng)畫(huà)，如桿件的軸向拉壓變形、圓軸的扭轉變形、梁的彎曲變形及壓桿的穩定性等都加入了大量的動(dòng)畫(huà)，使學(xué)生能夠接觸到大量的形象生動(dòng)的內容，既激發(fā)了他們的學(xué)習興趣，又使他們能夠對于所學(xué)內容有更直觀(guān)的感受，較大程度地提高了課堂教學(xué)效果。
2.多媒體教學(xué)有利于讓學(xué)生在有限的時(shí)間內接觸到更多的信息量。在教學(xué)過(guò)程中，有相當多的理論推導內容及例題包括了大量的受力分析圖及內力圖，這些內容如果僅靠傳統的板書(shū)教學(xué)，雖然學(xué)生的印象會(huì )更深刻一些，但無(wú)疑會(huì )花費大量的時(shí)間，在本課程學(xué)時(shí)被壓縮的情況下，課堂所能傳授的內容數量必定也會(huì )大大受限，而采用多媒體教學(xué)則可以較好地解決這一問(wèn)題。
(六)小論文式的大作業(yè)
在教學(xué)過(guò)程中，針對主要內容布置一些大作業(yè)，選題范圍主要是一些相關(guān)的工程實(shí)際問(wèn)題，也可以讓學(xué)生自行選題，要求他們建立工程實(shí)際問(wèn)題的力學(xué)模型，并按照《材料力學(xué)》的分析思路選用合適的方法進(jìn)行求解。如在講授軸向拉伸及壓縮這部分內容時(shí)，向學(xué)生布置了起重機鋼絲繩的強度問(wèn)題、拖拽電梯轎廂的鋼絲繩的強度問(wèn)題及液壓缸活塞桿的強度問(wèn)題等工程實(shí)際問(wèn)題，要求學(xué)生以小組形式選擇其中一個(gè)選題，通過(guò)調查工程實(shí)際中的機械和運行工況，建立其力學(xué)分析模型，并利用基本理論進(jìn)行求解，最后按照一般科技論文的格式完成一篇簡(jiǎn)單的小論文。學(xué)生的選題除了教師規定的選題外，還有相當一部分是自己去調查的工程實(shí)例，而且他們解決問(wèn)題的方法除了用本課程的基本理論外，還有少部分學(xué)生采用的是數值方法，采用Ansys有限元軟件建立問(wèn)題的分析模型、劃分網(wǎng)格并加載求解。由此可見(jiàn)，在課程教學(xué)中鼓勵、指導學(xué)生進(jìn)行小論文式的大作業(yè)的訓練，可以更好地發(fā)揮其學(xué)習的自覺(jué)性和創(chuàng )造性，也使得學(xué)生力學(xué)建模的能力和分析解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力得以提高，是一種非常有效的研究型教學(xué)方法。當然，在實(shí)施過(guò)程中應把握好大作業(yè)的數量，以每個(gè)學(xué)生參與或獨立完成1～2篇大作業(yè)即可，否則對學(xué)生而言工作量太大會(huì )影響其他課程的學(xué)習。
三、更新實(shí)驗內容，實(shí)施開(kāi)放式實(shí)驗教學(xué)
實(shí)驗教學(xué)內容既要服務(wù)于課程教學(xué)目標，同時(shí)也要緊跟工程實(shí)踐要求，著(zhù)重培養學(xué)生分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。為此，我們對實(shí)驗內容進(jìn)行適當改進(jìn)，在保留了一些傳統實(shí)驗內容同時(shí)，也積極開(kāi)設了一些綜合性、設計性和創(chuàng )新性的實(shí)驗項目。更新后的實(shí)驗內容分為三個(gè)部分：第一部分為基本實(shí)驗，主要包括基本力學(xué)性能實(shí)驗(拉伸、壓縮、扭轉、沖擊)和電測實(shí)驗(純彎曲狀態(tài)下正應力、等強度梁實(shí)驗等)，第二部分為綜合設計性實(shí)驗(彎扭組合實(shí)驗、偏心拉伸實(shí)驗)，第三部分為綜合創(chuàng )新性實(shí)驗(疊合鋼板梁和桁架應力綜合分析實(shí)驗)�；緦�(shí)驗和綜合設計性實(shí)驗以課程基本知識為載體，以基本知識和動(dòng)手能力訓練為重點(diǎn)，為必開(kāi)實(shí)驗。綜合創(chuàng )新性的實(shí)驗，以培養學(xué)生的設計能力、分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力為目的，學(xué)生可以選做自己感興趣的實(shí)驗項目。
實(shí)驗教學(xué)實(shí)施開(kāi)放式、自主式教學(xué)，學(xué)生可以在實(shí)驗室開(kāi)放期間任何時(shí)間來(lái)做實(shí)驗，由學(xué)生根據實(shí)驗的要求自行制訂實(shí)驗方案，并獨立完成整個(gè)實(shí)驗，從而使自己動(dòng)手能力和實(shí)踐能力得到加強。教師在實(shí)驗結束后，對實(shí)驗結果進(jìn)行總結，指出實(shí)驗過(guò)程中存在的一些不足，同學(xué)生進(jìn)行討論。這樣，可以幫助學(xué)生發(fā)現問(wèn)題，使他們掌握處理問(wèn)題的技巧，從而更好地激發(fā)和培養他們的探索精神和創(chuàng )新能力。
四、學(xué)習成績(jì)評定方式改革
學(xué)習成績(jì)評定方式應兼顧到學(xué)生的整個(gè)學(xué)習過(guò)程，應改變傳統的只依據期末考試成績(jì)的評定方法，建立貫穿于整個(gè)教學(xué)過(guò)程的新的評定方法，從整體上評價(jià)學(xué)生的學(xué)習情況，以保證素質(zhì)教育貫穿于整個(gè)教學(xué)過(guò)程的落實(shí)。為此，將學(xué)期總評成績(jì)分成三部分：一是學(xué)習過(guò)程性考核成績(jì)，即平時(shí)成績(jì)，包括上課出勤、平時(shí)作業(yè)、大作業(yè)成績(jì)等，占總成績(jì)的30%，其中上課出勤占10%，平時(shí)作業(yè)占10%，大作業(yè)占10%;二是實(shí)驗考核成績(jì)，占總成績(jì)的1O%;三是閉卷考試成績(jì)，考試以考核學(xué)生基本概念、基本計算能力為主，限時(shí)完成，占總成績(jì)的60%，閉卷考試能反映學(xué)生理論知識的掌握與應用情況，具有較強的客觀(guān)性。此評價(jià)體系能有效監控學(xué)生的整個(gè)學(xué)習過(guò)程，杜絕學(xué)生通過(guò)考前突擊得高分的情況，確保素質(zhì)教育貫穿于整個(gè)教學(xué)過(guò)程。
五、結論
《材料力學(xué)》教學(xué)的主要目的就是讓學(xué)生更好地掌握本課程的學(xué)習方法和建立力學(xué)模型的方法，并學(xué)會(huì )用力學(xué)思維去分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題。近幾年的教學(xué)實(shí)踐表明：本文在教學(xué)內容、教學(xué)方法與手段、實(shí)驗教學(xué)及成績(jì)評定方式等方面進(jìn)行的研究與探索，在提高教學(xué)效果方面顯示了較好的作用。針對不同專(zhuān)業(yè)增加的內容能夠更好地適應專(zhuān)業(yè)需要，各種教學(xué)方法與手段的采用能夠提高學(xué)生的學(xué)習興趣、增強學(xué)生學(xué)習主動(dòng)性和培養學(xué)生用力學(xué)思維去分析解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，更新的實(shí)驗教學(xué)內容和開(kāi)放式實(shí)驗教學(xué)能夠加強學(xué)生動(dòng)手能力和實(shí)踐能力的培養，改進(jìn)后的成績(jì)評定方式能夠有效監控學(xué)生的整個(gè)學(xué)習過(guò)程，保證了素質(zhì)教育貫穿于整個(gè)教學(xué)過(guò)程。
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