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“材料力學(xué)”課堂教學(xué)方法的研究與探索

2016-07-18 18:05:28龐秋
科教導(dǎo)刊·電子版 2016年18期
關(guān)鍵詞:材料力學(xué)教學(xué)方法研究

龐秋

摘 要 本文結(jié)合“材料力學(xué)”的學(xué)科特點(diǎn)及課程教學(xué)的實(shí)際情況,根據(jù)多年來教學(xué)的體會(huì),對(duì)“材料力學(xué)”課堂教學(xué)方法進(jìn)行了研究與探索。提出在教學(xué)課堂中利用多種教學(xué)方法(直觀圖形和類比法),激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。并采用多媒體教學(xué)手段,堅(jiān)持理論與工程實(shí)例相融合的方法,提高課堂教學(xué)效果;堅(jiān)持理論與實(shí)驗(yàn)相融合的上課理念,增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力;采用計(jì)算機(jī)軟件與理論——實(shí)驗(yàn)相融合的思想,提高學(xué)生力學(xué)建模和數(shù)學(xué)分析能力。

關(guān)鍵詞 材料力學(xué) 教學(xué)方法 研究

中圖分類號(hào):G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

為了全面提升教育教學(xué)水平和人才實(shí)踐能力的培養(yǎng),各高校都開展了“精品課程”、“特色專業(yè)”和“教學(xué)團(tuán)隊(duì)”等質(zhì)量工程建設(shè),這對(duì)高等學(xué)校教學(xué)質(zhì)量的提高和人才培養(yǎng)的促進(jìn)起到了決定性作用。加強(qiáng)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)成為當(dāng)今高等教育的主要任務(wù)。課堂教學(xué)的好壞直接關(guān)系到質(zhì)量工程的建設(shè),只有抓好課堂教學(xué)建設(shè)。才能真正抓好質(zhì)量工程,建設(shè)高水平特色的大學(xué)。

“材料力學(xué)”是高等本科院校機(jī)械工程專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程,相對(duì)于其它專業(yè)課來說知識(shí)比較抽象,其理論性較強(qiáng)。它擔(dān)負(fù)著將“理論力學(xué)”和“結(jié)構(gòu)力學(xué)”兩門重要課程有機(jī)銜接起來,起著承上啟下的關(guān)鍵作用,具有很強(qiáng)的工程實(shí)踐性。課程內(nèi)容緊緊圍繞工程中常見的桿件拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲以及組合變形等應(yīng)力應(yīng)變問題展開研究。因此,在“材料力學(xué)”的學(xué)習(xí)過程中,學(xué)生要脫離剛體概念的束縛,引入構(gòu)件變形的思想。課程涉及的公式推導(dǎo)較多,其理論性較強(qiáng)。并且,課程中很多抽象概念難以用語言或文字簡單表達(dá),學(xué)生對(duì)概念認(rèn)識(shí)模糊。為了適應(yīng)新形勢(shì)培養(yǎng)創(chuàng)造型人才的需要,這就對(duì)材料力學(xué)課堂教學(xué)方法提出了更高的要求。本文對(duì)“材料力學(xué)”的課堂教學(xué)方法進(jìn)行了研究與探討,構(gòu)建了材料力學(xué)教學(xué)改革的新框架,期望達(dá)到理想的教學(xué)效果。

1多種教學(xué)方法在課堂教學(xué)中的應(yīng)用,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

1.1利用直觀圖形化“無形”為可見

教師授課時(shí)僅僅依靠文字講授課堂內(nèi)容,容易給學(xué)生帶來枯燥乏味感。上課時(shí),教師應(yīng)根據(jù)課堂的教學(xué)內(nèi)容結(jié)合較直觀形象的圖形表達(dá)出來,增加學(xué)生對(duì)繁瑣的教學(xué)內(nèi)容的感知程度。例如,在講述“荷載集度、剪力和彎矩間的微分關(guān)系”一節(jié)時(shí),教材中給出文字性的表述關(guān)于繪制剪力圖和彎矩圖的結(jié)論。這些總結(jié)性的結(jié)論比較枯燥,學(xué)生往往難以理解和記憶。如果在課堂教學(xué)中采用圖像化的方式就可以形象地表現(xiàn)剪力圖和彎矩圖的特點(diǎn),如表1所示。因此,學(xué)生對(duì)教材中的結(jié)論加深了理解,從而強(qiáng)化了記憶。

1.2利用類比法增強(qiáng)教學(xué)生動(dòng)、形象性

在材料力學(xué)的理論體系中,材料力學(xué)中的公式推導(dǎo)過程較復(fù)雜。例如:討論橫截面為圓形的直桿受扭時(shí)的應(yīng)力,需要綜合研究變形幾何、物理和靜力三方面的關(guān)系。研究純彎曲時(shí)正應(yīng)力,也是從綜合考慮變形幾何、物理和靜力三方面的關(guān)系。學(xué)生理解起來感到困難,往往采用填鴨式教學(xué),一味的灌輸,嚴(yán)重阻礙學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)能力的發(fā)展。學(xué)會(huì)運(yùn)用類比方法分析事物,對(duì)于我們的思維和研究將會(huì)有重大的突破。將橫截面為圓形的直桿受扭時(shí)的應(yīng)力與扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力類比,首先得到橫截面上的截面內(nèi)力(扭矩和彎矩),然后利用物理關(guān)系(推出應(yīng)力的分布規(guī)律)和變形幾何關(guān)系(得到應(yīng)變的分布規(guī)律)與靜力平衡方程聯(lián)立,求解圓軸扭轉(zhuǎn)時(shí)截面的切應(yīng)力或純彎曲時(shí)正應(yīng)力。

2采用多媒體教學(xué)手段,堅(jiān)持理論與工程實(shí)例相融合的方法,提高課堂教學(xué)效果

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展,以計(jì)算機(jī)為主的多媒體技術(shù)正在各大高校教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用。多媒體教學(xué)對(duì)于改革傳統(tǒng)的教學(xué)模式,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力,都起到了很大的推動(dòng)作用。使課堂教學(xué)變得生動(dòng)、形象、新穎,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性。材料力學(xué)課程是一門技術(shù)基礎(chǔ)課,它有很強(qiáng)的工程背景。建議課堂教學(xué)可以利用計(jì)算機(jī)多媒體課件,從工程實(shí)例出發(fā),引出要講的知識(shí)點(diǎn),然后再將理論應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐,使整個(gè)講解都圍繞實(shí)際工程進(jìn)行。不僅增加了課堂內(nèi)容,提供了更多的知識(shí)信息,也有效增強(qiáng)學(xué)生對(duì)材料力學(xué)的感性認(rèn)識(shí),最大程度地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。如:在介紹等截面直桿受軸向拉伸和壓縮時(shí)橫截面上的應(yīng)力計(jì)算公式時(shí),可結(jié)合工程實(shí)際情況,介紹一些有切口、切槽、油孔、螺紋和軸肩等的拉壓零件。讓學(xué)生了解這些零件的應(yīng)力分布特征,加深由于截面尺寸變化引起應(yīng)力集中問題的認(rèn)識(shí),舉例說明工程實(shí)際中曾多次出現(xiàn)由于應(yīng)力集中及壓桿失穩(wěn)而造成的重大事故。筆者引入了2000年8月臺(tái)灣南部高屏大橋由于失穩(wěn)倒塌的工程實(shí)例。由于采沙過度大橋弦桿受壓失穩(wěn),大橋中間下陷長達(dá)100米,造成17輛車墜河,22人受傷的慘劇。在講扭轉(zhuǎn)這一章時(shí),可以將汽車傳動(dòng)軸引入進(jìn)來,利用多媒體課件演示汽車傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu),說明空心軸的合理性,讓學(xué)生了解傳動(dòng)軸是傳遞扭矩的,它同時(shí)解決了各連接部件不同心的問題以及它們之間距離不斷變化的問題。要求學(xué)生掌握外力偶矩及橫截面上內(nèi)力的計(jì)算,并學(xué)會(huì)扭矩圖的繪制。使學(xué)生加深化對(duì)扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力分布規(guī)律、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)剛度的理解。

3堅(jiān)持理論與實(shí)驗(yàn)相融合的上課理念,增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力

材料力學(xué)中的理論和實(shí)驗(yàn)一直是相輔相成、互相融合的,實(shí)驗(yàn)是理論的來源,而理論又需要實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證。因此,材料力學(xué)的學(xué)習(xí)應(yīng)該更加突出實(shí)驗(yàn)的重要性,重點(diǎn)理論知識(shí)應(yīng)該與相關(guān)的實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。但是,長期以來,材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)被束縛在一種固定的模式中,教師講解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,學(xué)生根據(jù)教師的講解按步驟做實(shí)驗(yàn)、測(cè)量數(shù)據(jù),記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),最后提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。在這種教學(xué)模式下,容易忽略學(xué)生對(duì)工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)。為此,筆者根據(jù)多年的實(shí)踐與體會(huì),將材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革,提出材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容分為4個(gè)層面。

3.1基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)

根據(jù)材料力學(xué)中桿件變形的4種基本形式:拉伸或壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)和彎曲,基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容應(yīng)包括金屬材料的拉伸實(shí)驗(yàn)、壓縮實(shí)驗(yàn)、低碳鋼剪切彈性模量測(cè)定實(shí)驗(yàn)及扭轉(zhuǎn)破壞實(shí)驗(yàn)。此類實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生能獨(dú)立操作完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程,并掌握儀器設(shè)備的使用性能,在實(shí)驗(yàn)過程中鞏固深化理論知識(shí)。

3.2綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

綜合性、 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的主要目的是培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。為此,我們以現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)際情況為背景設(shè)計(jì)了兩個(gè)綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。

(1)偏心拉伸實(shí)驗(yàn)、彎扭組合變形主應(yīng)力的測(cè)定實(shí)驗(yàn)。通過該實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生掌握如何利用電測(cè)技術(shù)解決結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題,學(xué)會(huì)應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)力的原理和方法,進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和應(yīng)用。

(2)鋼桁架結(jié)構(gòu)桿件受力及變形研究。學(xué)生可以根據(jù)實(shí)際的桁架橋,縮小比例,作出相應(yīng)的桁架模型。并對(duì)鋼桁架撓度、桿件內(nèi)力等進(jìn)行測(cè)試,把理論數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,分析數(shù)據(jù)。使學(xué)生初步掌握電測(cè)技術(shù)在工程測(cè)試中的應(yīng)用。

3.3創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)

圍繞全國大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽,讓學(xué)生展開探索與研究。例如:拱形橋梁的設(shè)計(jì),通過對(duì)穩(wěn)定性的分析,計(jì)算靜載加載砝碼對(duì)橋梁產(chǎn)生的彎矩,采用多層梁組合作為抗拉系統(tǒng),確定受力構(gòu)件核心部分為支架梁的類型。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程由學(xué)生親自動(dòng)手完成,在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過程中培養(yǎng)學(xué)生們的創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)合作能力。

4采用計(jì)算機(jī)軟件與理論-實(shí)驗(yàn)相融合的思想,提高學(xué)生力學(xué)建模和數(shù)學(xué)分析能力

材料力學(xué)作為一門經(jīng)典的基礎(chǔ)力學(xué)課程,是一個(gè)實(shí)踐性較強(qiáng)的學(xué)科,解決問題靠的是實(shí)驗(yàn)分析和理論研究相結(jié)合。但是由于受實(shí)驗(yàn)條件及學(xué)時(shí)壓縮等因素的制約,大多數(shù)學(xué)校所開的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目較少。因此,為了適應(yīng)形勢(shì),在原有的課程體系中融合新的計(jì)算技術(shù)和引進(jìn)新的計(jì)算軟件,從而提高教學(xué)質(zhì)量,加強(qiáng)學(xué)生的建模和計(jì)算能力,拓寬學(xué)生的知識(shí)面,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。如材料力學(xué)的教學(xué)課堂中引入Matlab軟件中的Simulink仿真工具箱,利用工具箱模擬各種力學(xué)對(duì)象的力學(xué)變形形為。也可選用Matlab軟件作為輔助教學(xué)軟件繪圖。首先,分別計(jì)算出各簡單載荷作用下梁的內(nèi)力,然后應(yīng)用疊加法得到任意載荷下梁的內(nèi)力。然后,利用跳躍函數(shù)列出一個(gè)適用于全梁的剪力方程和彎矩方程。最后,數(shù)據(jù)的處理及數(shù)據(jù)的可視化輸出。例如:一外伸梁AB,如圖1所示,q=2KN/m,M=4 KN·m,P=40KN,利用Matlab軟件繪制剪力圖和彎矩圖,如圖2所示。

同樣,將ANSYS軟件也可以應(yīng)用到“材料力學(xué)”的教學(xué)環(huán)境中,活躍課堂氣氛,拓寬學(xué)生知識(shí)面,使“材料力學(xué)”課程中一些難點(diǎn)變得形象生動(dòng)。例如:材料拉伸時(shí)的力學(xué)性能,攪拌摩擦焊拼焊板拉伸試樣,彈性模量為206MPa,泊松比為0.3,當(dāng)試樣的左右兩邊受到均布力(集度為l0kN/m)作用時(shí),便會(huì)觀察到X向、Y向正應(yīng)力分布圖(如圖3和圖4所示)。

5結(jié)語

目前,為了適應(yīng)時(shí)代的需要,材料力學(xué)課堂教學(xué)方法的改革,需要打破傳統(tǒng)“黑板式”和“填鴨式”的教學(xué)方法,要求力學(xué)教師在實(shí)際工作中就要做到與時(shí)俱進(jìn),不斷的提高創(chuàng)新工作的能力。利用多媒體教學(xué)工具結(jié)合現(xiàn)代化教學(xué)模式,引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考,誘發(fā)興趣使學(xué)生愛學(xué),啟發(fā)思維使學(xué)生會(huì)學(xué)。這樣才能真正激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)趣,提高教學(xué)效果。

基金項(xiàng)目:武漢東湖學(xué)院2015 年度教學(xué)研究項(xiàng)目,項(xiàng)目編號(hào) 2015DH-25。

參考文獻(xiàn)

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