翟城+孔祥清+曲艷東+章文嬌
摘 要:材料力學(xué)工程背景強(qiáng)、理論抽象、公式繁多,導(dǎo)致學(xué)生對(duì)這門課學(xué)習(xí)吃力,進(jìn)而降低了學(xué)習(xí)積極性。結(jié)合普通二本院校的學(xué)生學(xué)習(xí)現(xiàn)狀,本文將探討新形勢(shì)下材料力學(xué)教學(xué)的新模式。即如何能夠在授課過(guò)程中做到學(xué)以致用,理論聯(lián)系實(shí)際,從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及創(chuàng)新和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。
關(guān)鍵詞:材料力學(xué);教學(xué)改革;工程實(shí)例;力學(xué)實(shí)驗(yàn)
材料力學(xué)是工科類高等院校教學(xué)的重要基礎(chǔ)性課程。該課程的主要任務(wù)是讓學(xué)生具備合格的材料力學(xué)知識(shí)和理論,并利用相關(guān)理論去解決實(shí)際工程問(wèn)題。其課程內(nèi)容中,概念與公式的數(shù)量較多,并且計(jì)算量較大,應(yīng)用性很強(qiáng),在學(xué)習(xí)的過(guò)程中,大部分學(xué)生尤其是一些普通二本院校的學(xué)生會(huì)有一種力不從心的感覺(jué)。與此同時(shí),隨著教學(xué)改革的不斷深入,材料力學(xué)的基礎(chǔ)教學(xué)課程的課時(shí)逐漸減少,教師在面臨新的教學(xué)需求時(shí),需要提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率,讓學(xué)生在較短的學(xué)時(shí)內(nèi)掌握更多的基礎(chǔ)課程知識(shí),并且可以將理論知識(shí)靈活運(yùn)用到工程實(shí)際中去。針對(duì)以上這些問(wèn)題,本文結(jié)合筆者近幾年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn),對(duì)普通二本院校工科專業(yè)的材料力學(xué)的教學(xué)改革在理論聯(lián)系實(shí)際以及引進(jìn)先進(jìn)科學(xué)計(jì)算技術(shù)和手段等方面進(jìn)行了探討。
一、理論聯(lián)系實(shí)際,改變教學(xué)模式
材料力學(xué)授課內(nèi)容涉及到大量的來(lái)源于工程實(shí)際的力學(xué)模型。但目前教科書中很多力學(xué)模型相對(duì)于普通二本院校的學(xué)生而言比較陌生,因此他們感到很抽象。此前授課過(guò)程中,多數(shù)教師只注重基本概念和理論的講解,學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)會(huì)感覺(jué)枯燥無(wú)味而失去興趣,從而無(wú)法積極地掌握本課程的知識(shí),也達(dá)不到預(yù)期的教學(xué)效果。針對(duì)上述情況,必須著眼于將力學(xué)知識(shí)講活,采取靈活多變的授課方式。例如:在課堂上充分利用多媒體課件輔助課堂講授內(nèi)容就是一種行之有效的手段。通過(guò)多媒體中真實(shí)的圖片和動(dòng)畫,可以向?qū)W生形象地展示涉及到的力學(xué)模型的工程應(yīng)用背景和工作原理。如扭轉(zhuǎn)變形中,我們常見(jiàn)的轎車底盤中的傳動(dòng)軸就是一個(gè)典型的扭轉(zhuǎn)變形桿件。教師可以通過(guò)PPT動(dòng)畫演示馬自達(dá)轎車底盤傳動(dòng)軸工作過(guò)程中的實(shí)際變形,從而讓學(xué)生直觀形象地看到扭轉(zhuǎn)變形的實(shí)際情形。通過(guò)理論聯(lián)系工程實(shí)際,可以使學(xué)生了解這些力學(xué)模型的重要的應(yīng)用背景,從而進(jìn)一步激發(fā)他們學(xué)習(xí)的興趣,使他們感到學(xué)到的知識(shí)是有用的。通過(guò)這些工程實(shí)例的剖析,還能使學(xué)生體會(huì)到如何將一個(gè)具體的工程實(shí)際問(wèn)題簡(jiǎn)化為一個(gè)力學(xué)模型,從而使他們提高分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。
除了上述與課本密切結(jié)合的工程實(shí)例外,也可以在講課過(guò)程中滲入當(dāng)今前沿科學(xué)的進(jìn)展介紹,從而拓寬學(xué)生的視野。如講解材料力學(xué)四個(gè)基本假設(shè)時(shí),可以引用高科技領(lǐng)域的先進(jìn)材料。如目前處于國(guó)際研究熱點(diǎn)的生物材料,這些生物材料具有最合理、最優(yōu)化的宏觀、細(xì)觀、微觀結(jié)構(gòu),并且具有自適應(yīng)性和自愈合能力。再如一些新興的高分子材料,如橡膠、橡皮泥等粘彈性材料具有非線性的應(yīng)力——應(yīng)變關(guān)系。通過(guò)把這些前沿科學(xué)的最新研究成果引入到課堂,可以開(kāi)闊學(xué)生的眼界,擴(kuò)大他們的知識(shí)面,進(jìn)而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的興趣。
二、將先進(jìn)科學(xué)計(jì)算技術(shù)和手段引進(jìn)到教學(xué)中
力學(xué)和工程科學(xué)計(jì)算結(jié)合為解決工程中復(fù)雜的力學(xué)問(wèn)題提供了有力工具。傳統(tǒng)力學(xué)教學(xué)只注重理論和基本概念的掌握,將過(guò)多的精力用于解題技巧,忽略科學(xué)計(jì)算能力的培養(yǎng),這種傳統(tǒng)的培養(yǎng)模式已經(jīng)不能滿足新世紀(jì)對(duì)人才的需求。在原有的課程體系中適當(dāng)?shù)匾M(jìn)先進(jìn)科學(xué)計(jì)算技術(shù)和手段,提高學(xué)生處理復(fù)雜問(wèn)題的能力。大型有限元軟件ABAQUS,ANSYS等擁有強(qiáng)大的計(jì)算分析、圖形顯示及后處理功能,能很好地顯示各種截面形狀梁的各種內(nèi)力,如軸力、剪力、扭矩、彎矩及各截面的應(yīng)力分布情況和撓度情況,同時(shí)還能精確計(jì)算不同截面的截面特性,如截面慣性矩、極慣性矩及扭轉(zhuǎn)常數(shù)和彎曲常數(shù)等。這能加深學(xué)生對(duì)該部分內(nèi)容的直觀印象,提高教學(xué)效果。
除此之外,還應(yīng)將先進(jìn)計(jì)算技術(shù)進(jìn)一步應(yīng)用到材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,改變目前普通二本院校中實(shí)驗(yàn)設(shè)備及經(jīng)費(fèi)明顯不足的現(xiàn)象。大部分材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)所需要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備價(jià)格昂貴,且大都為破壞性實(shí)驗(yàn),需耗費(fèi)大量試件,因此不便于重復(fù)進(jìn)行。另外,還有很多力學(xué)過(guò)程并不能在實(shí)驗(yàn)室演示,如應(yīng)力集中現(xiàn)象、構(gòu)件組合變形、壓桿失穩(wěn)等?;谝陨蠁?wèn)題,將材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與數(shù)值仿真技術(shù)結(jié)合起來(lái),尤其是借助于有限元軟件中的后處理模塊,能以動(dòng)畫的形式動(dòng)態(tài)顯示結(jié)構(gòu)從加載到變形直至破壞的全過(guò)程,這相當(dāng)于將力學(xué)實(shí)驗(yàn)室搬到了課堂進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)演示,而且模擬力學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程可以重復(fù)進(jìn)行多次,這也是比實(shí)際實(shí)驗(yàn)優(yōu)越的一面,學(xué)生在重復(fù)的過(guò)程中對(duì)一些現(xiàn)象進(jìn)行深入的探索、研究,從而啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維,甚至幫助學(xué)生完成目前很多高校力學(xué)實(shí)驗(yàn)室不能展開(kāi)的重要力學(xué)實(shí)驗(yàn),如扭轉(zhuǎn)、壓桿穩(wěn)定等。
總之,對(duì)材料力學(xué)的教學(xué)改革是一個(gè)不斷實(shí)踐探索的過(guò)程。為適應(yīng)對(duì)新世紀(jì)人才培養(yǎng)的要求,對(duì)課程的要求應(yīng)重視理論力系實(shí)際,并注重先進(jìn)科學(xué)計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用,將知識(shí)的傳授和能力的培養(yǎng)有機(jī)結(jié)合起來(lái)。
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