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材料力学课程教学方法
材料力学课程教学方法【1】
[摘 要]材料力学主要研究由固体材料制成的构件承受各种荷载作用时的强度、刚度和稳定性问题，是土木工程、机械工程、电力工程、水利工程、材料工程等专业的一门重要专业基础课程。
应激发学生学习兴趣，提高自主学习的能动性;恰当使用各种教学手段;善于利用身边的力学问题;注重运用类比法分析;重视习题训练与复习总结和综合能力培养。
[关键词]能动性;类比法;抽象问题;教学手段;综合能力
材料力学主要研究由固体材料制成的构件承受各种荷载作用时的强度、刚度和稳定性问题，是土木工程、机械工程、电力工程、水利工程、材料工程等专业的一门重要专业基础课程，是学习专业课程及从事专业技术工作的必备知识。
学生在学习过程中普遍反映：该课程的概念、公式较多，不容易记忆;内容抽象，理解困难;对实际工程问题，不会简化计算等。
本文针对材料力学课程的特点和学生反映的情况，尝试在材料力学课程教学中进行以下几个方面的探索和实践。
一、激发学生学习兴趣，提高自主学习的能动性
学生的好奇心和对力学的兴趣是非常有限和脆弱的，如何激发他们的学习兴趣，使他们主动去学习很重要。
在学习材料力学课程之前，先让学生谈谈对该课程的理解和认识，然后向学生介绍该课程在工程中的应用、历史与发展、与后续专业课程的关系等，最后介绍整个课程的知识体系、重点难点、时间安排及学习方法等。
上课时学生对老师讲解理论公式的推导过程不太感兴趣，喜欢回答老师提出的简单问题，如果回答对了，会继续跟着老师的讲课进度听下去，如果多次回答错误，就会产生畏难情绪和厌恶感。
所以，我们在表述问题或者提问时要由浅入深，循序渐进，以启发式教学为主，鼓励学生自己思考、分析、总结，使他们对材料力学课程逐渐产生兴趣。
例如，我们在讲解轴向拉压杆的强度条件之前，可以先提问：两根材料相同、长度相等、截面形状也相同的杆件，若粗细不同，用同样大小的力逐渐拉伸，哪一根杆会先断裂?如果其他条件都相同，只有材料不同，木杆和钢杆哪一根会先断裂呢?
学生很容易就能回答出这些问题来，接着就可以问：为什么两根杆轴力相同，却不同时断裂呢?由此我们可以很自然地引出正应力的计算公式和轴向拉压杆的强度条件，然后让学生讨论拉压杆的强度条件在生活中有哪些具体的应用，根据学生讨论的结果，从中选几个典型例子，引导学生分析斜拉桥中的拉索、教室里的柱子、钢屋架结构中的杆件如何进行截面设计、确定许用荷载及强度校核。
让学生课后用课堂上学过的分析方法分析自己身边其他实例，进而深入思考怎样设计出既经济又安全的杆件，当遇到不符合强度条件的情况时提出具体的处理办法来。
通过提问，对回答较好的同学给予加平时分的奖励，只有这样，学生才会一直紧跟着教师的教学过程进行积极配合与思考，才能逐渐体会到学习材料力学的兴趣。
二、恰当使用各种教学手段
为了充分调动学生学习的主动性与积极性，我们在教学过程中可以恰当采用各种教学手段，使抽象问题具体化、复杂问题简单化，把多媒体教学和网络教学用到常规教学中。
一方面，我们利用多媒体演示动画、各种图表、视频、工程实例、力学模型、教学总结等，利用黑板讲解理论公式推导过程和例题求解过程。
这样既有助于学生对主要知识点的理解又能增大课堂信息量。
另一方面，我们引导学生充分利用国家级、省级及校级的力学课程网络教学资源，主动进入课程网站自主学习，还可利用师生共建的QQ群、微信、微博等进行沟通交流、答疑解惑等。
课堂上我们还可以随机应变的拿起身边的物体作为教具使用，例如：分析结构的几何特征时可以把粉笔盒、黑板擦、粉笔作为教具使用;分析理想铰的时候，可以拿指甲剪、小刀、剪刀或订书机等作为教具使用;拿一块橡皮演示组合变形情况;拿一根吸管演示压杆失稳现象;拿粉笔演示脆性材料的拉伸和扭转破坏试验等。
课后布置任务给学生，让学生利用手机、相机、网络等寻找身边的力学问题，并对实际问题进行分析，简化出力学模型。
这样通过现代化教学手段与常规教学相结合、课堂教学与课外教学相结合，会使力学课程变得妙趣横生而不再枯燥乏味。
三、善于利用身边的力学问题
为了使学生更好地掌握知识点，提高学生分析问题的能力和兴趣，我们在教学过程中要善于利用身边的力学问题，列举一些简单易行又趣味横生的例子，使学生感觉到力学无处不在。
[1]例如，在阐述材料的各向异性性质时，可以举劈木柴的例子，顺纹劈容易断、横纹劈不容易断。
在讲解提高弯曲梁的强度时，让学生观察教室里的梁为什么是竖放而不是平放的，观察自然界生长的竹子为什么是空心的，而且从底向上逐渐变细，让学生观察粉笔在拉断和扭断时的破坏面，分析危险截面和危险点的应力状态及破坏原因。
冬天室外水管常会被冻裂，让学生讨论并分析水管和冰各处于什么样的应力状态，用哪个强度理论分析破坏原因比较接近实际。
让学生课后测量一下体育课上使用双杠的水平杆相对竖直杆伸出来的长度是总长的多少，让学生思考为什么这样设计，然后逐渐引出利用梁的强度和刚度条件进行合理设计的方法。
以上例子都是学生比较熟悉的力学现象，先让学生自己思考和分析，然后教师再进行点评和总结，学生会很容易掌握知识而且印象深刻。
四、注重运用类比法分析
类比教学法是将学生未知的知识点与已知的知识点进行对比，找出两者之间相同和相似的地方，使学生既能加深对已有知识点的记忆和理解，又能使复杂未知的新知识点变得容易理解和掌握，达到事半功倍的效果。
[2]虽然材料力学课程概念公式多、计算量大，但它又具有分析问题方法的共性强、前后内容联系非常密切等特点。
[3]几种基本变形的主要分析思路和处理方法基本类似：利用截面法求解内力、绘制内力图;根据平面假设和杆件的变形特征，分析应力分布特点，推导应力计算公式，找出危险截面或危险点，进行强度分析;根据杆件的内力和变形特点，进行刚度分析。
我们在分析杆件的基本变形时，可以根据相似性建立一个通用公式，即：最大应力=最大内力 / 截面几何性质。
具体类比分析见表1所示。
引导学生用类比分析法分析以上几种基本变形的应力与强度条件之后，可以让学生自己类比分析他们的变形与刚度条件。
通过运用类比分析法，使学生能够清晰掌握几种基本变形的应力公式、强度与刚度分析方法，以便轻松学习组合变形的分析计算。
五、重视习题训练与复习总结
教师普遍注重理论公式的推导，认为把基本概念和理论讲透了，具体的应用学生自然能够迎刃而解。
事实上，现在学生普遍较为懒惰，课前不预习，课堂上不记笔记，课后不及时复习总结，除了做要上交的习题外其余的基本不做，而且抄作业现象很普遍，学生的计算能力和准确性较差。
大家都清楚，对材料力学的学习必须通过做大量习题才能较为深刻的掌握基本理论与公式，否则对知识的掌握就很肤浅，就会出现能听懂但不会做或做不对的情况。
提高计算能力的最佳途径就是要做大量的习题，所以，建议教师在课堂上要给学生留出时间练习，课后也要布置一定数量的习题。
对于作业上学生普遍存在的错误要及时纠正和引导，让学生的质疑尽可能在课堂上完全消化。
在课程复习总结的教学过程中，注意教材前后内容的连贯性和新旧知识的衔接，类比总结各知识点的特点、规律、联系、解题思路与解题方法。
这样既有利于学生消化吸收新知识又有利于增强学生掌握知识的系统性。
六、重视综合能力培养
在教学过程中给出一些实际问题和趣味问题，引导学生自己建立力学模型，然后进行分析，从而加强学生力学建模能力和培养解决实际工程中力学问题的分析能力。
学生除了会建立力学模型外，还须要求学生会将材料力学里的许多知识点进行综合，并利用熟知的解题方法来解决力学问题。
引导学生组建力学兴趣小组，探讨身边的力学问题，撰写与专业相关的力学小论文，制作力学模型，创造小发明，参加各级各类力学竞赛，申报大学生力学方面的实践创新项目等。
还要向学生推荐一些经典力学书籍、力学报纸杂志、力学课程学习网站等，供学生课外拓展学习使用。
总之，我们的力学教师需要与时俱进、深入思考，不断探索与总结，使材料力学课程的学习变得轻松而有趣。
[ 注 释 ]
[1] 陈云信.《材料力学》课程教学改革与实践[J].江汉大学学报(自然科学版)，2014(8)：40-44.
[2] 张豫，胡枕戈.材料力学教学中的类比教学法[J].华东交通大学学报，2007(12)：88-90.
[3] 李军强.材料力学课程课堂教学方法探讨[J].高等函授学报(自然科学版)，2012(9)：54-57.
材料力学教学方法【2】
摘 要：材料力学是工科专业开设的一门专业技术基础课。
结合多年的教学经验，对材料力学课程教学方法进行了探讨。
实践表明，研究内容对提高学生学习材料力学的兴趣，改善材料力学课堂教学效果有重要意义。
关键词：材料力学 教学方法 工程实际 多媒体
材料力学是高等学校工科类专业一门重要的专业技术基础课，在相关专业教学安排中具有承前启后的重要作用。
其理论与计算公式在各工程部门的结构设计中被广泛采用。
但材料力学的内容较繁杂，一般包括基本变形、应力状态理论和强度理论、组合变形、能量法、超静定结构解法、压杆稳定等[1]，且内容抽象，概念性强，公式较多，方法技巧性要求高，因此学生在学习过程中往往感觉压力较大。
如何提高材料力学课程的课堂教学效果，激发学生的学习兴趣，是进行力学课程教学方法研究的关键任务之一。
笔者结合多年的材料力学教学实践，从如下4个方面对材料力学教学方法进行探讨。
1 加强概念
笔者在教学过程中发现，有的学生十分清楚材料力学课程的重要性，开始时也能认真学习，但往往经过一段时间以后学习态度会慢慢松懈，有的学生甚至会彻底放弃努力。
问其原因，其中大部分学生反映：由于对某些概念的理解不透彻，导致在学习相关方法和做题时存在困难。
材料力学具有内容抽象、概念性强的特点，因而对概念的深刻理解是学生提高学习兴趣和信心，进而熟练掌握所学内容的关键。
材料力学中如下几个概念需重点分析：
1.1 内力
在材料力学学习中首先会接触到内力的概念，且在后续各个章节中基本都会涉及内力。
学生如果不能清晰地掌握内力的概念，则对平面弯曲、组合变形和能量法等内容将很难掌握。
关于内力要重点理解两点：(1)内力是随外力的存在而存在的;(2)某一截面的内力与该截面两侧的外力都有关系。
理解了这两点，学生才能正确地求解内力，作内力图。
1.2 应力状态
应力状态理论是从一维问题分析过渡到二维、三维问题分析的桥梁和纽带，对于应力状态理论的透彻理解是熟练掌握复杂受力问题力学分析的关键。
因为学生对基本变形已经掌握，为了便于学生理解，教师可结合基本变形来讲解应力状态的概念。
例如，通过分析两端加拉力的扭转轴引出二向应力状态的单元体模型;通过分析横力弯曲梁横截面上各点的应力情况讲解应力状态理论的作用。
1.3 强度理论
强度理论是材料力学的重点和难点之一。
它不像其他理论对应有严谨的推导过程，强度理论是基于假说而建立的，且各个强度理论都有一定的适用范围。
因此在讲解强度理论时应首先从其发展着手，阐明强度理论提出的意义，解释强度理论只能基于假说建立的原因，解释复杂受力问题强度分析必须应用强度理论的原因。
这样，学生才能对强度理论有较全面的认识，从而正确地应用强度理论求解复杂受力状态问题。
1.4 能量原理(能量法)
材料力学中讲了莫尔定理、卡式定理、互等定理等用来计算结构位移的能量原理。
为了使学生能正确应用这些原理，首先要阐明几个能量原理的物理本质―虚功原理。
另外，应对各原理分别适用于哪种载荷下的位移求解进行具体说明。
2 加强各知识点的融合
材料力学中公式虽多，但很多公式具有严整性和相似性。
例如，各基本变形的应力计算式为[1]
(1)由式(1)可以看出，各基本变形的应力都是由相应的内力除以相应的截面几何性质得到的。
再如，各基本变形的变形公式都是由相应内力乘以杆长再除以相应刚度得到的。
因此，教师在授课过程中可适时对这类公式进行总结、类比，提醒学生注意它们的相似性、严整性。
通过类比，学生会感到掌握公式变简单了，记忆时也会更有兴趣。
教学实践中学生反映这样掌握材料力学公式轻松很多。
另外，材料力学在研究4个基本变形时，研究思路和方法是相似的，因此教师在课堂上可以只着重讲授拉伸部分的理论分析和公式推导过程，对于其他基本变形，可以让学生先仿照拉伸变形的分析思路预习，对相关的公式推导过程略讲，而侧重讲授每个变形的特点和由此特点带来分析和推导过程的变化。
这样既节省了有限的课内学时，又锻炼了学生的自学能力，同时也能让学生更好地掌握材料力学的分析方法，加深学生对各基本变形之间联系和区别的理解。
3 联系工程实际
培养具有较强工程意识和创新精神的创新型工科毕业生是高等教育亟待解决的问题之一[2]。
材料力学作为一门来源于工程，又服务于工程的课程，具有应用范围广，密切联系工程实际的特点，它在培养学生确立工程概念，解决实际问题能力方面发挥着关键的启蒙作用。
教师在教学过程中要注意结合学生的专业背景适时联系相应的实例，通过分析生动贴切的生活事例和工程实例可以培养学生的工程意识，激发学生对所学材料力学基本理论的学习兴趣，提高课堂学习效果。
生活事例及工程实例宜采用多媒体形式讲授，这样可以借助图片和视频进行更直观的分析。
从事材料力学教学的教师应注意搜集和积累古今中外与材料力学有关的生活事例和工程实例。
例如，学生非常熟悉建筑工地的脚手架，脚手架坍塌事故近几年时有发生。
通过对脚手架坍塌事故具体事例进行力学分析，可以使学生明确压杆稳定性的实质和研究压杆稳定性的工程意义。
再如，通过对美国“泰坦尼克号”游轮的沉没过程进行力学分析，可以使学生了解材料性能的温度相关性，并明确研究构件剪切和挤压变形的工程意义，进而能深刻体会到材料力学的重要性。
4 多媒体教学与板书教学有机结合
材料力学课程概念抽象，理论性强，学生不易理解，而多媒体教学具有直观性、动态性和信息量丰富的特点。
在材料力学教学中适当运用多媒体技术，可以增加课堂教学的趣味性和信息量，吸引学生的注意力，并能有效化解教学难点。
但是，由于材料力学课程中存在较多理论分析和公式推导的内容，因而不宜完全采用多媒体教学。
笔者经过多年材料力学的教学实践，认为理想的材料力学教学方式应是多媒体教学与传统板书教学的有机结合。
在具体授课过程中，应根据讲授内容特点选择恰当的授课方式。
例如，绪论部分适宜采用多媒体教学，首先利用多媒体播放一些工程中因强度、刚度和稳定性不足而引起的破坏案例图片，使学生认识到材料力学的重要性和任务，然后采用幻灯片逐条引出绪论部分的相关内容。
基本变形、组合变形、动载荷和稳定性等内容适宜采用板书教学和多媒体教学相结合的方式。
首先利用多媒体讲授相应的工程实例，让学生对要讲授的问题先有感官上的认识，然后再进行相关理论和方法的分析。
分析时涉及图片多、内容简单的部分宜采用多媒体授课，图片少、较难理解的内容宜采用板书授课。
而能量法计算变形部分易采用经典的板书教学，因为这部分主要讲授三个原理的推导及其具体应用，板书的讲授方式更能促进学生对原理的理解。
另外，可以通过多媒体技术将有限元仿真分析引入材料力学教学中，如可引入基本变形和组合变形的应力场、应变场有限元云图，通过分析应力应变有限元仿真云图可使学生对各种变形的应力应变分布规律有具体直观的认识，并能促进学生对材料力学相关理论的理解。
5 结束语
材料力学作为工科专业开设的一门专业技术基础课，对相关专业学生的学习及力学素养培养有重要的作用，因此研究材料力学课程教学方法有重要意义。
笔者从4个方面对提高材料力学教学效果的方法进行了探讨。
通过多年的教学实践，发现本文给出的教学方法对提高学生学习兴趣，提高课程教学效果有较大作用。
当然，教学活动的改革与实践是一个长期的过程，且需要实施者在实践中根据客观条件不断地调整，在探索中不断总结经验，逐步完善。
因此材料力学教学方法的探讨将是一个长期的任务。
参考文献
[1] 刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2004.
[2] 杜春志.“大工程观”背景下《材料力学》教学改革初探[J].中外教育研究，2012(5)：38-39.
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