論新形勢(shì)下高校《材料力學(xué)》教學(xué)改革論文
《材料力學(xué)》是高校機(jī)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(chǔ)課,課程的特點(diǎn)是理論性較強(qiáng),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(gòu)件既滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求又經(jīng)濟(jì)合理的前提下,研究構(gòu)件在外力作用下的變形和破壞規(guī)律,為構(gòu)件的合理設(shè)計(jì)提供基本理論和計(jì)算方法!恫牧狭W(xué)》對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的力學(xué)思維能力和應(yīng)用實(shí)踐能力非常重要,同時(shí)也為學(xué)生學(xué)習(xí)許多后續(xù)課程如《機(jī)械設(shè)計(jì)》、《彈性力學(xué)》、《流體力學(xué)》等提供必要的基礎(chǔ)。
隨著高校專(zhuān)業(yè)改革的不斷深入,一方面本課程的學(xué)時(shí)數(shù)逐漸減少,許多專(zhuān)業(yè)的教學(xué)時(shí)數(shù)縮減為48學(xué)時(shí),而另一方面為了適應(yīng)現(xiàn)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(dá)到相同的教學(xué)效果,本課程的教學(xué)內(nèi)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(nèi)容服從專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)、課程教學(xué)方法服務(wù)于課程教學(xué)內(nèi)容、素質(zhì)教育貫穿于整個(gè)教學(xué)過(guò)程的原則,以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和分析解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力為目的,針對(duì)新形勢(shì)下《材料力學(xué)》課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式進(jìn)行了一些研究與探索。
一、教學(xué)內(nèi)容改革
《材料力學(xué)》課程教學(xué)大綱規(guī)定的基本教學(xué)內(nèi)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(zhuǎn)和彎曲)、應(yīng)力狀態(tài)與強(qiáng)度理論、組合變形及壓桿的穩(wěn)定性分析等內(nèi)容,這些內(nèi)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(nèi)容服從專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的要求,對(duì)于不同的專(zhuān)業(yè)還應(yīng)適當(dāng)加入新的針對(duì)專(zhuān)業(yè)實(shí)際需求的內(nèi)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(yīng)。例如,對(duì)機(jī)械專(zhuān)業(yè),應(yīng)增加構(gòu)件的疲勞與斷裂等內(nèi)容,同時(shí)可適當(dāng)加入結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)及優(yōu)化設(shè)計(jì)等部分內(nèi)容,使學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中能體會(huì)到本課程與現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的有機(jī)結(jié)合,增強(qiáng)他們運(yùn)用基本理論解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力;對(duì)能源與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè),應(yīng)增加熱應(yīng)力和薄壁容器的設(shè)計(jì)與壽命預(yù)測(cè)等內(nèi)容,以更好地分析解決工程實(shí)際問(wèn)題;對(duì)材料專(zhuān)業(yè),可增加復(fù)合材料力學(xué)性能知識(shí),使學(xué)生接觸到完整的材料學(xué)性能的知識(shí)。在基本教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上增加符合各專(zhuān)業(yè)實(shí)際需求的內(nèi)容,構(gòu)成了適合于不同專(zhuān)業(yè)需求的教學(xué)內(nèi)容體系,這些改革措施不僅可以激發(fā)學(xué)生對(duì)于本課程的學(xué)習(xí)興趣,而且面向各專(zhuān)業(yè)實(shí)際工程應(yīng)用的內(nèi)容也能夠提高他們運(yùn)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(dǎo)式教學(xué)法
引導(dǎo)式教學(xué)就是針對(duì)每一部分教學(xué)內(nèi)容,先在黑板上列出本部分內(nèi)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(duì)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(guī)律,提出變形假設(shè);建立變形幾何方程(協(xié)調(diào)方程);建立物理方程(本構(gòu)方程);空間靜力學(xué)平衡方程。在講述扭轉(zhuǎn)變形時(shí),通過(guò)扭轉(zhuǎn)變形平截面假設(shè)及扭轉(zhuǎn)變形動(dòng)畫(huà),在黑板上列出扭轉(zhuǎn)變形問(wèn)題的研究思路,并給出適當(dāng)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(yīng)力的推導(dǎo)方法,從圓軸中沿軸線(xiàn)方向截取出一微段,根據(jù)扭轉(zhuǎn)變形的平截面假設(shè),變形幾何關(guān)系、物理關(guān)系和靜力關(guān)系的順序去推導(dǎo)扭轉(zhuǎn)變形時(shí)橫截面上的切應(yīng)力表達(dá)式,再由微段的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角的表達(dá)式自己推導(dǎo)出兩端受扭的圓軸左右端截面相對(duì)扭轉(zhuǎn)角的表達(dá)式,從而得出扭轉(zhuǎn)變形時(shí)橫截面上的切應(yīng)力分布規(guī)律,并讓學(xué)生自己思考受扭合理截面的設(shè)計(jì)規(guī)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(yīng)力時(shí),也引導(dǎo)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(yīng)力表達(dá)式及圓軸扭轉(zhuǎn)時(shí)橫截面上點(diǎn)的切應(yīng)力表達(dá)式的推導(dǎo)方法,自己去嘗試推導(dǎo)純彎曲梁橫截面上點(diǎn)的.正應(yīng)力表達(dá)式。在講述各種基本變形問(wèn)題時(shí)采用引導(dǎo)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(xùn)練,克服對(duì)于理論學(xué)習(xí)的恐懼,體驗(yàn)到推導(dǎo)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(dǎo)理論公式而學(xué)生卻難以理解導(dǎo)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(rèn)為,《材料力學(xué)》的研究就是針對(duì)解決工程問(wèn)題而展開(kāi)的,因此在課堂教學(xué)中,針對(duì)每一部分理論都應(yīng)講清楚其工程應(yīng)用,以提高學(xué)生的工程認(rèn)知和應(yīng)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(xiǎn)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(xì)木棍,一邊放在講臺(tái)上,另一端用手向下壓,當(dāng)用力較大時(shí),此時(shí)細(xì)木棍會(huì)在與講臺(tái)的支承處斷裂,此時(shí)向?qū)W生提問(wèn),為什么是細(xì)木棍在講臺(tái)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(xiàn)細(xì)木棍在講臺(tái)支承處截面上的彎矩最大,是危險(xiǎn)截面,細(xì)木棍正應(yīng)力的最大值就出現(xiàn)在講臺(tái)支承處的截面上,因此,細(xì)木棍破壞時(shí)必然在講臺(tái)支承處先發(fā)生破壞,從而明白了對(duì)于等截面梁如何確定梁的危險(xiǎn)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(jié)合研究。如針對(duì)車(chē)間里的吊車(chē)橋架,可以討論如何利用現(xiàn)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(zhuǎn)變形和梁的彎曲變形時(shí)橫截面上的切應(yīng)力和正應(yīng)力分布特征時(shí),可結(jié)合討論人體、動(dòng)物骨骼的結(jié)構(gòu)特征,如都是空心管狀結(jié)構(gòu),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(nèi)倒進(jìn)開(kāi)水,杯子破裂的應(yīng)力、應(yīng)變分析;煙囪或電線(xiàn)桿倒地?cái)嗔押,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(xì)下粗的樹(shù)身,能夠抵御不同方向的風(fēng)力引起的彎曲內(nèi)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(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,然后引導(dǎo)他們逐步利用所學(xué)知識(shí)去分析問(wèn)題,建立問(wèn)題的力學(xué)模型,進(jìn)而利用現(xiàn)有知識(shí)嘗試解決相關(guān)問(wèn)題。這些工程實(shí)例的引入,對(duì)于培養(yǎng)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(dǎo)學(xué)生分析前后所學(xué)內(nèi)容的相互聯(lián)系與區(qū)別,加深其對(duì)于所學(xué)知識(shí)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(yīng)力公式時(shí),讓學(xué)生將純彎曲梁的正應(yīng)力公式與軸向拉壓桿件橫截面上點(diǎn)的正應(yīng)力和圓軸扭轉(zhuǎn)時(shí)橫截面上點(diǎn)的切應(yīng)力公式進(jìn)行對(duì)比,讓學(xué)生理解和體會(huì)這些公式之間的聯(lián)系與區(qū)別。在講述平面應(yīng)力狀態(tài)任意斜截面上的應(yīng)力及主應(yīng)力和主平面的方位時(shí),將其與平面圖形的轉(zhuǎn)軸公式及主慣性矩和主慣性軸的方位進(jìn)行對(duì)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(yīng)變能計(jì)算時(shí),將軸向拉壓桿、扭轉(zhuǎn)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(duì)比分析,使學(xué)生更好地理解這三種基本變形時(shí)桿件應(yīng)變能的計(jì)算方法。類(lèi)比是探索解決問(wèn)題與發(fā)現(xiàn)新結(jié)果的一種有效的思維方法,教學(xué)中通過(guò)精心設(shè)計(jì),因勢(shì)利導(dǎo),將問(wèn)題進(jìn)行橫向的拓寬和縱向的深入,可以有效加強(qiáng)學(xué)生歸納分析能力的培養(yǎng)。
(四)適當(dāng)將數(shù)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(yàn)研究之外,還有一種重要的研究方法即數(shù)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(qiáng)度與變形問(wèn)題,而實(shí)際的工程構(gòu)件卻是各種各樣的,其中有大量的不能簡(jiǎn)化為桿件的構(gòu)件,要解決此類(lèi)構(gòu)件的強(qiáng)度和變形問(wèn)題,則只能采用數(shù)值分析方法。為此,在教學(xué)過(guò)程中,在講述主要內(nèi)容時(shí),適當(dāng)將數(shù)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(yīng)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(duì)比分析,使學(xué)生理解本課程基本理論的應(yīng)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(xiàn)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(zhuǎn)變形、梁的彎曲變形及壓桿的穩(wěn)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(nèi)容,既激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)興趣,又使他們能夠?qū)τ谒鶎W(xué)內(nèi)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(nèi)接觸到更多的信息量。在教學(xué)過(guò)程中,有相當(dāng)多的理論推導(dǎo)內(nèi)容及例題包括了大量的受力分析圖及內(nèi)力圖,這些內(nèi)容如果僅靠傳統(tǒng)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(fèi)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(nèi)容數(shù)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(duì)主要內(nèi)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(nèi)容時(shí),向?qū)W生布置了起重機(jī)鋼絲繩的強(qiáng)度問(wèn)題、拖拽電梯轎廂的鋼絲繩的強(qiáng)度問(wèn)題及液壓缸活塞桿的強(qiáng)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(diào)查工程實(shí)際中的機(jī)械和運(yùn)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(guī)定的選題外,還有相當(dāng)一部分是自己去調(diào)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(shù)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(lì)、指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行小論文式的大作業(yè)的訓(xùn)練,可以更好地發(fā)揮其學(xué)習(xí)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(dāng)然,在實(shí)施過(guò)程中應(yīng)把握好大作業(yè)的數(shù)量,以每個(gè)學(xué)生參與或獨(dú)立完成1~2篇大作業(yè)即可,否則對(duì)學(xué)生而言工作量太大會(huì)影響其他課程的學(xué)習(xí)。
三、更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,實(shí)施開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)
實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容既要服務(wù)于課程教學(xué)目標(biāo),同時(shí)也要緊跟工程實(shí)踐要求,著重培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。為此,我們對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn),在保留了一些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容同時(shí),也積極開(kāi)設(shè)了一些綜合性、設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。更新后的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為三個(gè)部分:第一部分為基本實(shí)驗(yàn),主要包括基本力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)(拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、沖擊)和電測(cè)實(shí)驗(yàn)(純彎曲狀態(tài)下正應(yīng)力、等強(qiáng)度梁實(shí)驗(yàn)等),第二部分為綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)(彎扭組合實(shí)驗(yàn)、偏心拉伸實(shí)驗(yàn)),第三部分為綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)(疊合鋼板梁和桁架應(yīng)力綜合分析實(shí)驗(yàn));緦(shí)驗(yàn)和綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)以課程基本知識(shí)為載體,以基本知識(shí)和動(dòng)手能力訓(xùn)練為重點(diǎn),為必開(kāi)實(shí)驗(yàn)。綜合創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn),以培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)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(yàn)項(xiàng)目。
實(shí)驗(yàn)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(yàn)室開(kāi)放期間任何時(shí)間來(lái)做實(shí)驗(yàn),由學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求自行制訂實(shí)驗(yàn)方案,并獨(dú)立完成整個(gè)實(shí)驗(yàn),從而使自己動(dòng)手能力和實(shí)踐能力得到加強(qiáng)。教師在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié),指出實(shí)驗(yàn)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(xiàn)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(yǎng)他們的探索精神和創(chuàng)新能力。
四、學(xué)習(xí)成績(jī)?cè)u(píng)定方式改革
學(xué)習(xí)成績(jī)?cè)u(píng)定方式應(yīng)兼顧到學(xué)生的整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程,應(yīng)改變傳統(tǒng)的只依據(jù)期末考試成績(jī)的評(píng)定方法,建立貫穿于整個(gè)教學(xué)過(guò)程的新的評(píng)定方法,從整體上評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)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(píng)成績(jī)分成三部分:一是學(xué)習(xí)過(guò)程性考核成績(jī),即平時(shí)成績(jī),包括上課出勤、平時(shí)作業(yè)、大作業(yè)成績(jī)等,占總成績(jī)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(yàn)考核成績(jī),占總成績(jī)的1O%;三是閉卷考試成績(jī),考試以考核學(xué)生基本概念、基本計(jì)算能力為主,限時(shí)完成,占總成績(jī)的60%,閉卷考試能反映學(xué)生理論知識(shí)的掌握與應(yīng)用情況,具有較強(qiáng)的客觀(guān)性。此評(píng)價(jià)體系能有效監(jiān)控學(xué)生的整個(gè)學(xué)習(xí)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(jié)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(xí)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(nèi)容、教學(xué)方法與手段、實(shí)驗(yàn)教學(xué)及成績(jī)?cè)u(píng)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(duì)不同專(zhuān)業(yè)增加的內(nèi)容能夠更好地適應(yīng)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(xí)興趣、增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性和培養(yǎng)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(yàn)教學(xué)內(nèi)容和開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠加強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力和實(shí)踐能力的培養(yǎng),改進(jìn)后的成績(jī)?cè)u(píng)定方式能夠有效監(jiān)控學(xué)生的整個(gè)學(xué)習(xí)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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