淺談高等院校材料力學(xué)分專業(yè)針對(duì)性教學(xué)改革實(shí)踐論文
一、引言
21世紀(jì)是以知識(shí)的創(chuàng)新和應(yīng)用為重要特征的知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代。在新的時(shí)代背景下，單純的以認(rèn)知為目的傳統(tǒng)教學(xué)模式已然過(guò)時(shí)，教育改革必須更加注重學(xué)習(xí)者的綜合素質(zhì)提高，進(jìn)而培養(yǎng)其對(duì)知識(shí)的創(chuàng)新和應(yīng)用能力。這就必然要求學(xué)習(xí)者具備良好的基礎(chǔ)知識(shí)結(jié)構(gòu)。在工科各專業(yè)的課程系統(tǒng)中,學(xué)科技術(shù)基礎(chǔ)課是專業(yè)教學(xué)中的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。它是聯(lián)系基礎(chǔ)課和專業(yè)課課程的橋梁紐帶，面向新的培養(yǎng)目標(biāo)要求,增強(qiáng)學(xué)科技術(shù)基礎(chǔ)課程的專業(yè)針對(duì)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(shè)的一門(mén)基礎(chǔ)力學(xué)課程，是機(jī)械類、土木建筑類、采礦安全類、材料類等工程專業(yè)不可或缺的專業(yè)基礎(chǔ)課程。它不僅將《大學(xué)物理》、《高等數(shù)學(xué)》、《理論力學(xué)》所學(xué)知識(shí)進(jìn)一步與實(shí)際工程問(wèn)題相結(jié)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(xù)《機(jī)械原理》、《機(jī)械設(shè)計(jì)》、《結(jié)構(gòu)力學(xué)》、《彈性力學(xué)》等專業(yè)課程的基礎(chǔ)，在學(xué)生整個(gè)高等教育培養(yǎng)體系中具有承上啟下的重要作用。后續(xù)專業(yè)課程中，力學(xué)模型的建立、強(qiáng)度計(jì)算、剛度計(jì)算和穩(wěn)定性計(jì)算等理論知識(shí)的應(yīng)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業(yè)研究生招生考試的專業(yè)課。
《材料力學(xué)》傳統(tǒng)的教學(xué)模式是不分專業(yè)沒(méi)有針對(duì)性的統(tǒng)一教學(xué)模式，雖然具有一定的優(yōu)勢(shì)，但是已經(jīng)不能適應(yīng)新時(shí)期對(duì)培養(yǎng)創(chuàng)新人才的教育要求，對(duì)不同專業(yè)采用不同的具有針對(duì)性的教學(xué)內(nèi)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(jù)近幾年分專業(yè)針對(duì)性教學(xué)的實(shí)踐，對(duì)這一教學(xué)模式進(jìn)行了初步的探討。
二、不分專業(yè)統(tǒng)一教學(xué)的優(yōu)缺點(diǎn)
全校統(tǒng)一教學(xué)一般是將教學(xué)任務(wù)下達(dá)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(dān)不同專業(yè)的教學(xué)任務(wù)。這種教學(xué)模式下經(jīng)常出現(xiàn)的一種現(xiàn)象是：這個(gè)學(xué)期教采礦工程，下個(gè)學(xué)期教機(jī)械工程，再下個(gè)學(xué)期教地質(zhì)工程。這種傳統(tǒng)的沒(méi)有針對(duì)性的統(tǒng)一教學(xué)模式有一定的優(yōu)勢(shì)，但也存在著一定的不足。
1、統(tǒng)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)專業(yè)科班出身，系統(tǒng)學(xué)習(xí)了除基礎(chǔ)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(yǎng)。在講授材料力學(xué)時(shí)，他們對(duì)知識(shí)理論體系的理解和把握更加深刻、系統(tǒng)，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(shí)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(dá)到一個(gè)較高的水平。
隨著現(xiàn)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(tǒng)一教學(xué)模式可以使任課教師之間能夠經(jīng)常交流，取長(zhǎng)補(bǔ)短、改進(jìn)教學(xué)方法、教學(xué)手段、交流教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，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(fèi)。
2、統(tǒng)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(cè)重的，總是要與一個(gè)工科專業(yè)相結(jié)合。因此，他們熟悉的工程專業(yè)領(lǐng)域也是非常明確的，而開(kāi)設(shè)力學(xué)課程的工科專業(yè)非常多，他們不可能熟悉每一個(gè)專業(yè)方向的專業(yè)知識(shí)。如果任課老師在講授材料力學(xué)課程時(shí)，針對(duì)所有專業(yè)的學(xué)生使用同一套教案，那教學(xué)內(nèi)容是非常固定的。實(shí)際上不同的專業(yè)對(duì)于材料力學(xué)課程所要求的知識(shí)重點(diǎn)是不一樣的，如機(jī)械工程領(lǐng)域，對(duì)于扭轉(zhuǎn)的要求就比較高，因?yàn)楣こ虣C(jī)械中有很多傳動(dòng)軸，而土木工程則對(duì)壓桿穩(wěn)定、偏心壓縮的要求比較高，因?yàn)榻ㄖ杏泻芏嗍軌簵U件。因此熟悉機(jī)械工程的老師授課中就會(huì)忽略了土木工程的特點(diǎn)，造成土木專業(yè)的學(xué)生在學(xué)習(xí)后續(xù)《結(jié)構(gòu)力學(xué)》等課程時(shí)的困擾。
而且材料力學(xué)應(yīng)該能夠應(yīng)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(shí)點(diǎn)與學(xué)生所對(duì)應(yīng)的專業(yè)領(lǐng)域結(jié)合起來(lái)，培養(yǎng)出來(lái)的學(xué)生可能具備很強(qiáng)的計(jì)算題解題能力，但是會(huì)欠缺針對(duì)自己專業(yè)的.工程問(wèn)題分析建模的能力。更為嚴(yán)重的是，如果任課老師不管學(xué)生什么專業(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(xí)者對(duì)該門(mén)課的喜好和學(xué)習(xí)熱情，從而大大影響教學(xué)效果。
因此，不分專業(yè)沒(méi)有針對(duì)性的教學(xué)，不能使學(xué)習(xí)者對(duì)力學(xué)知識(shí)能熟練的應(yīng)用，更理解不了后續(xù)畢業(yè)設(shè)計(jì)中的力學(xué)理論，從而不能很好解決各專業(yè)以后面對(duì)的力學(xué)問(wèn)題。所以《材料力學(xué)》教學(xué)應(yīng)該多結(jié)合各專業(yè)進(jìn)行針對(duì)性教學(xué)，必須進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法的改革。
三、分專業(yè)針對(duì)性教學(xué)改革實(shí)踐
分專業(yè)針對(duì)性教學(xué)需要任課老師有高度的責(zé)任心和使命感，在備課時(shí)付出更多的努力，去學(xué)習(xí)、了解學(xué)生的專業(yè)課程內(nèi)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業(yè)課程。這時(shí)可以發(fā)揮傳統(tǒng)的統(tǒng)一教學(xué)模式的優(yōu)勢(shì)，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(duì)不同專業(yè)的工程實(shí)例庫(kù)，需要用到的老師，可以到該工程實(shí)例庫(kù)中選取合適的教學(xué)素材。而且材料力學(xué)老師應(yīng)該創(chuàng)造機(jī)會(huì)與各專業(yè)后續(xù)的專業(yè)課老師進(jìn)行交流，了解學(xué)生對(duì)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(dá)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(dāng)和專業(yè)結(jié)合，根據(jù)各專業(yè)的不同，有針對(duì)性的對(duì)《材料力學(xué)》課程進(jìn)行了教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容的改革，具體做法是：
1、針對(duì)機(jī)械工程類專業(yè)
機(jī)械工程專業(yè)的后續(xù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程里很多理論是以《材料力學(xué)》理論為基礎(chǔ)的。例如，對(duì)于軸類的強(qiáng)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(shè)計(jì)步驟，都要深入剖析;對(duì)于交變應(yīng)力的授課過(guò)程中，還因該闡述疲勞校核的基本思想和設(shè)計(jì)理念，為后續(xù)課程打好基礎(chǔ)。在講授金屬材料的拉伸、壓縮力學(xué)性能時(shí)，根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)備構(gòu)造、工作原理，并將老式的液壓式萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)與新型微機(jī)控制萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)的構(gòu)造、工作原理進(jìn)行對(duì)比講解，使學(xué)生對(duì)試驗(yàn)的機(jī)械有深刻的了解。特別是，對(duì)于過(guò)程控制與裝備工程專業(yè)，應(yīng)該引入該專業(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(yīng)該貫穿課程的始終。增加如塔、儲(chǔ)罐，球罐、反應(yīng)釜、換熱器等實(shí)例，這樣有助于學(xué)生在學(xué)習(xí)《材料力學(xué)》的同時(shí)，認(rèn)識(shí)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(xí)的力學(xué)內(nèi)容將來(lái)能夠用到壓力容器設(shè)計(jì)的哪些問(wèn)題中。這樣學(xué)生學(xué)習(xí)的目的性更強(qiáng)了，有助于增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
2、針對(duì)土木建筑類專業(yè)
對(duì)于土木建筑類專業(yè)，《材料力學(xué)》是后續(xù)的諸如《結(jié)構(gòu)力學(xué)》《混凝土結(jié)構(gòu)原理》以及《鋼結(jié)構(gòu)原理》、《巖體力學(xué)》等課程的基礎(chǔ)，因此，在《材料力學(xué)》教學(xué)需要做好與后續(xù)幾門(mén)課程的銜接。
《結(jié)構(gòu)力學(xué)》研究桿件結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和動(dòng)力反應(yīng)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(nèi)力的方法—截面法，是求解其它變形桿件的內(nèi)力及《結(jié)構(gòu)力學(xué)》中求解桿件結(jié)構(gòu)內(nèi)力的通用方法。而且在彎曲內(nèi)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(nèi)力圖的繪制。這種方法在《結(jié)構(gòu)力學(xué)》里會(huì)繼續(xù)用到，并將擴(kuò)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(nèi)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(duì)性的學(xué)習(xí)。
《混凝土結(jié)構(gòu)原理》主要講述混凝土受彎構(gòu)件、受壓構(gòu)件、受拉構(gòu)件和受扭構(gòu)件的受力性能和截面設(shè)計(jì)計(jì)算方法。因此在在彎曲應(yīng)力中，推導(dǎo)純彎曲正應(yīng)力公式時(shí)所作的平面假設(shè)，在混凝土受彎和受壓構(gòu)件的正截面承載力計(jì)算中被稱為平截面假定，所以在講純彎曲的平面假設(shè)時(shí)，可以統(tǒng)一講述。又如，在混凝土結(jié)構(gòu)中，根據(jù)混凝土梁中的主拉應(yīng)力跡線和主壓應(yīng)力跡線，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(yīng)力教學(xué)過(guò)程中。
《鋼結(jié)構(gòu)原理》中的鋼材的內(nèi)部組織比較均勻、連續(xù)，接近各向同性，且在一定的應(yīng)力范圍內(nèi)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(dāng)引入鋼結(jié)構(gòu)的工程實(shí)例，可以為后續(xù)課程“搭橋鋪路”。另外彎曲中心在鋼結(jié)構(gòu)中有非常重要的應(yīng)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(guī)律的理論及其實(shí)際應(yīng)用的科學(xué)，其中庫(kù)倫-莫爾強(qiáng)度理論是應(yīng)用較廣的強(qiáng)度理論，該理論是以莫爾應(yīng)力圓為基礎(chǔ)，所以在《材料力學(xué)》莫爾應(yīng)力圓講授中，教學(xué)要求要比其他專業(yè)高，講清概念、講透理論、多做練習(xí)，還可以結(jié)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(duì)材料類專業(yè)
新材料的研制對(duì)未來(lái)社會(huì)發(fā)展起著重要的作用，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種新型材料層出不窮。根據(jù)專業(yè)特色，該類專業(yè)的學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)階段會(huì)設(shè)計(jì)各種新型材料，設(shè)計(jì)出的新型材料需要進(jìn)行力學(xué)性能的測(cè)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(cè)定，更應(yīng)重點(diǎn)介紹按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試樣及非標(biāo)準(zhǔn)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(cè)試而達(dá)到舉一反三的目的。而且還應(yīng)該提出常溫靜載實(shí)驗(yàn)的這些性能指標(biāo)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(yīng)用實(shí)例?廣泛應(yīng)用于航空航天、交通、醫(yī)療等領(lǐng)域的復(fù)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(duì)后續(xù)專業(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(chǔ)課與專業(yè)課的橋梁和紐帶。
4、有針對(duì)性的引入現(xiàn)代力學(xué)分析手段
很多專業(yè)在工程實(shí)際中需要利用現(xiàn)代力學(xué)分析手段對(duì)工程中的結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)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(qiáng)大的計(jì)算能力和形象而細(xì)致的后處理方法得到了廣泛應(yīng)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(nèi)力、應(yīng)力和變形問(wèn)題,運(yùn)用動(dòng)畫(huà)演示構(gòu)件的變形，讓學(xué)生觀察變形和破壞形式，使學(xué)生對(duì)構(gòu)件變形形式有感性認(rèn)識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考，并將應(yīng)力、應(yīng)變、位移云圖等后處理結(jié)果展示給學(xué)生看，這樣更有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的學(xué)習(xí)和掌握;利用應(yīng)力云圖可使圣維南原理與應(yīng)力集中概念等難點(diǎn)內(nèi)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)專業(yè)課老師和畢業(yè)設(shè)計(jì)的老師反映，學(xué)生能夠很容易運(yùn)用材料力學(xué)的知識(shí)分析專業(yè)課中的問(wèn)題，在專業(yè)課學(xué)習(xí)中能做到很好的過(guò)度，很快的進(jìn)行專業(yè)課的學(xué)習(xí)，接受專業(yè)知識(shí)的能力較以往有很大的提高。
四、總結(jié)
《材料力學(xué)》作為工科專業(yè)的一門(mén)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，對(duì)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(qiáng)的責(zé)任心，認(rèn)真了解授課專業(yè)的特點(diǎn)，針對(duì)專業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容。這樣可以使學(xué)生較早地接觸到本專業(yè)的專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)，提高對(duì)《材料力學(xué)》課程重要性的認(rèn)識(shí)，從而達(dá)到一個(gè)較好的教學(xué)效果，進(jìn)而培養(yǎng)其對(duì)知識(shí)的創(chuàng)新和應(yīng)用能力，適應(yīng)新時(shí)代下對(duì)工程技術(shù)高素質(zhì)人才的要求。
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