呂 純 潔

(洛陽理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,河南 洛陽 471023)

機(jī)械專業(yè)材料力學(xué)課程教學(xué)改革研究

呂 純 潔

(洛陽理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,河南 洛陽 471023)

材料力學(xué)課程是機(jī)械專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課，隨著高校人才培養(yǎng)模式的改變，材料力學(xué)教學(xué)改革勢在必行。本文結(jié)合材料力學(xué)教學(xué)實(shí)際情況和個人教學(xué)經(jīng)驗，從改變教學(xué)理念、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和改進(jìn)教學(xué)方法3方面，進(jìn)行了可行性研究，提出了相應(yīng)實(shí)施方案。

教學(xué)改革；同伴教學(xué)法；知識拓展；情感投入

1 教學(xué)改革的必要性

材料力學(xué)課程是機(jī)械專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課，對后續(xù)課程學(xué)習(xí)和未來職業(yè)發(fā)展都相當(dāng)重要。傳統(tǒng)的材料力學(xué)是內(nèi)容豐富、邏輯嚴(yán)密和結(jié)構(gòu)完善的封閉體系，隨著高校人才培養(yǎng)模式的重大改變，教學(xué)改革勢在必行。目前機(jī)械類本科專業(yè)材料力學(xué)課程課時數(shù)量有限，授課內(nèi)容偏多。這些都是影響教學(xué)質(zhì)量和授課效果的不利因素，如何提高教學(xué)效率，保質(zhì)保量地完成授課目標(biāo)，是任課教師都應(yīng)該重視的問題。

2 改變教學(xué)理念

2.1 采用同伴教學(xué)實(shí)現(xiàn)課堂互動

同伴教學(xué)法是由哈佛大學(xué)應(yīng)用物理系主任埃里克·馬祖爾教授首先提出并推廣應(yīng)用的創(chuàng)新教學(xué)模式，通過引導(dǎo)學(xué)生參與教學(xué)過程變傳統(tǒng)單一的講授為基于概念剖析的自主學(xué)習(xí)和合作探究，實(shí)現(xiàn)學(xué)生互動和師生互動。

材料力學(xué)學(xué)時緊，概念多公式多計算量大，單純的課堂講述易降低學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，導(dǎo)致學(xué)生對知識點(diǎn)理解不準(zhǔn)記憶不深。當(dāng)前學(xué)生大多是1990年后出生，追求獨(dú)立個性，耐性差惰性大，對相對枯燥的教學(xué)內(nèi)容和講授方法易產(chǎn)生逆反心理。采用同伴教學(xué)法實(shí)現(xiàn)課堂翻轉(zhuǎn)，能夠有效應(yīng)對上述問題[1]。

同伴教學(xué)法要求教師事先制定難度適宜的預(yù)習(xí)提綱以及基礎(chǔ)測試題和提高題，學(xué)生參考提綱進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，通過閱讀教材和查詢參考資料，自行消化容易理解的知識點(diǎn)。課堂上學(xué)生在教師指導(dǎo)下討論重點(diǎn)和難點(diǎn)，通過個人發(fā)言闡述自己的觀點(diǎn)，通過相互討論傾聽別人的理解，最后由教師進(jìn)行總結(jié)講解，力求做到真正學(xué)懂并能掌握運(yùn)用?；谕榻虒W(xué)法的課堂教學(xué)能真正實(shí)現(xiàn)互動，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和參與意識，培養(yǎng)出有自主創(chuàng)新意識和良好自學(xué)能力的學(xué)生。

2.2 注重知識拓展激發(fā)學(xué)生興趣

材料力學(xué)內(nèi)容豐富涉及面廣，基礎(chǔ)厚口徑寬。課堂教學(xué)中如果只注重課程本身，分析問題常會停留在較窄范圍和較淺層面上。適當(dāng)?shù)闹R拓展有時僅需三言兩語，更寬和更深的知識就展現(xiàn)在學(xué)生面前，引發(fā)學(xué)生的深入思考和討論。向后續(xù)課程方向、向工程實(shí)際方向和向交叉學(xué)科方向的知識拓展都能夠極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，使課堂教學(xué)變得引人入勝。

螺紋受力分析是機(jī)械設(shè)計課程中的內(nèi)容，其公式推導(dǎo)屬于材料力學(xué)中雙向應(yīng)力狀態(tài)和強(qiáng)度理論范疇。材料力學(xué)中無明確提及，機(jī)械設(shè)計中直接引用，學(xué)生學(xué)到此處時?？?。針對此種情況，材料力學(xué)教師在講授這部分內(nèi)容時只需增加和螺紋連接相關(guān)的例題，費(fèi)時不多效果明顯，讓學(xué)生切實(shí)感受到本課程在后續(xù)課程中的應(yīng)用性。和材料力學(xué)相關(guān)的工程實(shí)例不勝枚舉，適當(dāng)聯(lián)系對活躍課堂氣氛幫助很大。如講授應(yīng)力集中時可以聯(lián)系1954年英國海外航空公司彗星號大型噴氣式客機(jī)失事事件，對飛機(jī)殘骸打撈分析發(fā)現(xiàn)，失事原因是由于氣密艙窗口處直徑僅為3.175 mm的鉚釘孔邊緣微小裂紋發(fā)展所致。力學(xué)公式多涉及發(fā)展史，講述胡克定理時，可以討論牛頓和胡克之間的爭論，讓學(xué)生了解力學(xué)發(fā)展離不開科學(xué)家的爭辯和討論。這些有助于激發(fā)學(xué)生就力學(xué)問題開展?fàn)幷摰臒崆?。授課時頗受學(xué)生歡迎。

2.3 強(qiáng)調(diào)情感投入引起學(xué)生共鳴

興趣是最好的老師，感興趣就能學(xué)會，癡迷就能學(xué)好，情感能夠左右學(xué)習(xí)結(jié)果是顯而易見的[2]。按照美國教育心理學(xué)家布魯斯的分類體系，情感領(lǐng)域的教學(xué)目標(biāo)分為接受或注意、反應(yīng)、評價或價值化、組織和價值體系的個性化5個層次。

針對材料力學(xué)的基本特點(diǎn)和我校學(xué)生的實(shí)際情況，教師可以從前3個層次對學(xué)生進(jìn)行課程情感的培養(yǎng)。學(xué)生對新課程通常有想知道這門課究竟講什么有什么用的基本心理，在首次上課時教師就明確闡述課程內(nèi)容，聯(lián)系后續(xù)課程和工程實(shí)例，讓學(xué)生先入為主地了解到課程的重要性。學(xué)生接受之后會做出相應(yīng)響應(yīng)提出疑問，教師引導(dǎo)學(xué)生逐步找到答案，對具有代表性的問題鼓勵學(xué)生做歸納總結(jié)，讓學(xué)生認(rèn)識到材料力學(xué)好不難。在課程內(nèi)容學(xué)習(xí)到一定階段之后，引導(dǎo)學(xué)生將所掌握的材料力學(xué)規(guī)律和準(zhǔn)則應(yīng)用到生活或工程中，使學(xué)生形成利用材料力學(xué)原理評價工程性能的相應(yīng)價值化觀念，潛移默化中將材料力學(xué)融入到學(xué)生的情感評價系統(tǒng)中去。

3 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

材料力學(xué)課程基礎(chǔ)部分包括4大基本變形、應(yīng)力分析與強(qiáng)度理論、組合變形和壓桿穩(wěn)定，授課內(nèi)容不宜做較大改動。結(jié)合我校應(yīng)用性大學(xué)特點(diǎn)，講授中應(yīng)把握重點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，減少理論推導(dǎo)，添加實(shí)踐應(yīng)用，培養(yǎng)出具有較強(qiáng)實(shí)用能力和動手能力的學(xué)生。如在講述扭轉(zhuǎn)的平面假設(shè)時，不需要從微觀單元體分析應(yīng)變應(yīng)力的分布情況，只需要通過實(shí)驗或軟件讓學(xué)生認(rèn)識到應(yīng)變應(yīng)力均是轉(zhuǎn)動半徑的線性函數(shù)，即可簡單快速地推導(dǎo)出應(yīng)力計算公式。這種直觀清晰的講授方法節(jié)約時間，不需要太深數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，學(xué)生易接受，課堂效果好。

對于部分學(xué)有余力和想要考研深造以后從事研究性工作的學(xué)生，可以在第6學(xué)期開設(shè)材料力學(xué)課程提高部分專業(yè)限選課，進(jìn)行理論加深，補(bǔ)充交變載荷、動載荷、靜不定結(jié)構(gòu)和能量方法，做到因材施教，最大限度地滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。

4 改進(jìn)教學(xué)方法

4.1 利用試驗裝置進(jìn)行教學(xué)創(chuàng)新

材料力學(xué)實(shí)驗是教學(xué)的重要組成部分，我校機(jī)械專業(yè)材料力學(xué)目前開設(shè)4個實(shí)驗：低碳鋼和鑄鐵的拉伸和壓縮試驗、扭轉(zhuǎn)試驗、低碳鋼彈性系數(shù)的測定實(shí)驗，純彎曲梁的正應(yīng)力測定實(shí)驗。這4個實(shí)驗均屬于驗證性實(shí)驗，缺乏創(chuàng)新性，學(xué)生收獲不大。部分實(shí)驗設(shè)備精度不高，有些實(shí)驗數(shù)據(jù)不合理，難以達(dá)到實(shí)驗?zāi)康?，教學(xué)輔助作用有限。

近年我院和清華大學(xué)合作研制成立了實(shí)驗力學(xué)實(shí)驗室，其中光學(xué)數(shù)字散斑技術(shù)(DSCM)在平面應(yīng)力應(yīng)變檢測方面具有全場、實(shí)時、非接觸的特點(diǎn)，檢測精度和速度方面均處于國內(nèi)領(lǐng)先水平，完全可以滿足材料力學(xué)相關(guān)實(shí)驗的檢測要求，利用先進(jìn)實(shí)驗條件進(jìn)行材料力學(xué)實(shí)驗教學(xué)創(chuàng)新是目前實(shí)驗室已研究待結(jié)項的河南省教育廳項目?，F(xiàn)在初步能夠進(jìn)行的創(chuàng)新實(shí)驗包括：材料均勻性、連續(xù)性、各向同性實(shí)驗，圓孔板、缺口試樣的應(yīng)力集中拉伸實(shí)驗，梁的彎曲實(shí)驗等。通過現(xiàn)場試驗讓學(xué)生對構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變等力學(xué)指標(biāo)一目了然，使學(xué)生真實(shí)感受到外部荷載對物體的作用效果，教師在授課過程中可以達(dá)到事半功倍的效果。

4.2 借助相關(guān)軟件培養(yǎng)綜合能力

隨著計算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，CAE軟件作為輔助教學(xué)手段已被廣泛應(yīng)用。材料力學(xué)以桿件為主要研究對象，桿件的基本變形和組合變形都可以用ANSYS仿真軟件進(jìn)行建模計算，以云圖的形式給出應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律和數(shù)值結(jié)果，直觀生動地展現(xiàn)在學(xué)生面前[3]?，F(xiàn)有大部分通用仿真軟件用戶界面友好，入門簡單，有興趣的學(xué)生可以自學(xué)。利用計算機(jī)軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計是目前機(jī)械行業(yè)的發(fā)展趨勢，通用軟件建模和分析思路類似，學(xué)生有一定基礎(chǔ)后，在工作中可以學(xué)習(xí)和掌握其他相關(guān)軟件。

4.3 依托網(wǎng)絡(luò)平臺提高教學(xué)質(zhì)量

網(wǎng)上教學(xué)突破了傳統(tǒng)教學(xué)在時間和空間上的限制，運(yùn)用現(xiàn)代教育技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源共享，師生溝通快捷方便，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)提供了高質(zhì)量的服務(wù)。我校網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)平臺搭建于2010年，使用初期師生的積極性較高，但只有校園IP地址能登陸極大地限制了平臺的使用。材料力學(xué)例圖和公式較多，平臺輸入功能不強(qiáng)，電子版作業(yè)提交缺乏區(qū)分度，部分學(xué)生以復(fù)制粘貼手法應(yīng)付，這些不足之處都極大降低了平臺的資源使用率和活動參與率。將課堂講授和網(wǎng)絡(luò)互動有機(jī)結(jié)合起來，才能更好地完成材料力學(xué)的教學(xué)工作。

5 結(jié) 語

教學(xué)改革的具體有效實(shí)施需要相關(guān)部門的支持和任課教師的相互配合，從試點(diǎn)班級逐步擴(kuò)大，探索更加有利于學(xué)生成長和成才的教學(xué)改革方法。從機(jī)械專業(yè)現(xiàn)狀分析，材料力學(xué)教學(xué)改革從卓越工程師班開始推行是比較合適的。

[1] 許英姿，沈玉鳳.基于翻轉(zhuǎn)課堂的理論力學(xué)教學(xué)改革與實(shí)踐[J]．力學(xué)與實(shí)踐，2015， 37(6):737-7403.

[2] 楚錫華，徐遠(yuǎn)杰.基于教育目標(biāo)分類學(xué)的工程力學(xué)課堂教學(xué)探討[J].力學(xué)與實(shí)踐，2015， 37(1):117-119.

[3] 李麗君，許英姿.CAE軟件在力學(xué)教學(xué)與實(shí)踐中的應(yīng)用[J].實(shí)驗技術(shù)與管理，2010, 27(10):113-115.

[4] 陳茹儀，孫洪軍.材料力學(xué)課程教學(xué)方法教學(xué)手段的研究與改革[J].遼寧工學(xué)院學(xué)報，2007，9(3):133-134.

[5] 杜慧英，李小陽，李祥琴，等.對工科基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)改革的探索[J].力學(xué)與實(shí)踐，2001，23(3)：57-59.

[6] 季順利.工科基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)改革與教材建設(shè)的幾點(diǎn)思考[J].力學(xué)與實(shí)踐，2003，25(4):72-73.

Research on Teaching Reform of Material Mechanics Course for Undergraduate Major on Machine

LV Chunjie

(Luoyang Institute of Science and Technology, Luoyang 471023, China)

Material mechanics course is one of the required fundamental course for undergraduate major on machinery. It is imperative to reform the teaching of material mechanics to keep up with the revolution of the university talents training mode. In paper, feasibility study was done on teaching philosophy updating, course contents optimization, and teaching approach improving, as well as the proposal of the plan accordingly, based on the case of our university and personal experience of the author.

teaching reform；peer instruction；expand knowledge；input emotion

2017-04-15

呂純潔(1973-)，女，河南南陽人，碩士，副教授，主要從事力學(xué)教學(xué)方面的研究.

10.3969/i.issn.1674-5403.2017.02.024

G64

A

1674-5403(2017)02-0094-03