發布時間：2020-05-13所屬分類：教育論文瀏覽：1次
摘 要： [摘要]材料力學是高等院校工科類專業的一門重要的專業基礎課程，是銜接基礎理論課程和相應專業課程的紐帶，在工科類專業學生知識體系中有著重要的作用。以河北工程大學材料力學課程為背景，結合國內外材料力學課程教學改革現狀和多年材料力學課程的教學經驗
[摘要]材料力學是高等院校工科類專業的一門重要的專業基礎課程，是銜接基礎理論課程和相應專業課程的紐帶，在工科類專業學生知識體系中有著重要的作用。以河北工程大學材料力學課程為背景，結合國內外材料力學課程教學改革現狀和多年材料力學課程的教學經驗，開展了教學內容、教學手段及考核方式等方面的研究與實踐，取得了一定的階段性成果，為培養適應新時代要求的復合型應用人才提供了一定的課程改革方面的借鑒。
[關鍵詞]材料力學;教學研究;教學實踐
材料力學是高等院校工科類專業的一門重要的專業基礎課程，是銜接基礎理論課程和相應專業課程的紐帶，材料力學課程在工科類專業學生知識體系中的重要性是顯而易見的，隨著授課學時不斷地被壓縮，傳統的教學模式很難在規定的時間內完成教學內容、保證教學質量。因此，按照新形勢下工科專業人才培養方案要求，結合材料力學課程的自身特點，修訂教學大綱，調整課程教學內容，改革教學方法及手段，探索注重過程考核、弱化期末考試成績占比的課程考核方式，采用靈活多樣的教學方式，調動學生學習的主動性和積極性，提高學生學習興趣，重視學生分析問題、解決問題的能力培養，提升學生綜合能力和專業素養，是材料力學課程教學改革和實踐丞待解決的問題。
一、修訂教學大綱，革新教學內容
隨著高等教育的改革和發展及新時代人才需求側的持續變化，各專業人才培養方案的不斷修訂，材料力學課程授課學時被不斷壓縮;另外，各高校先后積極開展工程教育專業認證和卓越工程師計劃[1-3]，給材料力學課程也提出了新的要求。因此，從工科專業材料力學的實際情況出發，按照專業培養方案要求，結合相關專業認證標準，調整材料力學課程教學大綱、革新教學內容是教學改革的首要任務[4,5]。根據17版人才培養方案，修訂材料力學教學大綱，我校材料力學課程組制定有不同學時的基本模式和土木工程專業認證模式，校內開設材料力學課程的各專業可以根據專業特點在基本模式的基礎上，廣泛聽取校內外同行、專業教師和材料力學課程教師意見，適當修訂或增減。
相關期刊推薦：《應用數學和力學》Applied Mathematics and Mechanics(月刊)1980年創刊，是專業學術月刊。主要發表力學、力學中的數學方法和與近代力學密切相關的應用數學的創造性學術論文，以中英文兩種版本發行世界50多個國家和地區。注重論文的創新性，反映國內外本學科最新科研成果。
根據各專業制定的教學大綱，革新教學內容，做到不同類專業實行不同的教學體系和教學內容，同一專業實行統一的課程標準，包括每章節的講授內容、重點、難點、考研點及了解內容，各內容的講授程度把握、教學方式采用、案例選擇，各類學生掌握程度要求，考核所占比例等方面均是一致的，不會因任課教師不同，知識體系而有所改變，同時考慮到材料力學課程與先修課程、后續課程間的聯系和銜接，整合教學內容，調整學時分配，減少不必要的重復講授，適應學時縮減趨勢，有效保證課程教學質量。例如：后續課程學習結構力學的專業，由于結構力學課程中同樣有剛架的內力計算、能量法、圖乘法等內容，材料力學課程教學中則不再講授;土木工程專業在基本變形的講授過程中更新了部分工程實例、增加了工程實例力學模型的簡化等內容;將簡易法求截面內力的思想從軸向拉壓變形開始講授，改變了過去講授彎曲變形才引入的做法;在畫剪力圖、彎矩圖章節在原來列剪力、彎矩方程作圖、微分關系作圖、疊加法作圖等方法的基礎上，引導學生掌握通過剪力圖積分計算面積作彎矩圖的新思路;在計算極值彎矩時，引導學生通過微分關系求得計算極值彎矩的普遍公式等;嘗試打破原有課程體系組織教學，傳統的材料力學授課方式均按照軸向拉壓、剪切、扭轉、彎曲四種基本變形的順序講授，每一種基本變形均講授內力、應力、強度計算、剛度計算等內容，保證了課程體系的系統性和完整性，但不利于同一知識點融會貫通，且內容重復、花費學時。因此，部分專業嘗試按內力、應力、強度計算及剛度計算分模塊講授，突出共性，避免了重復且節約了學時，同時培養了學生的知識歸納和舉一反三能力，拓展了學生對材料力學問題的分析思路，也有助于培養學生解決實際工程問題的基本力學素養。
同時，在保證課程基本內容完整性的前提下，適當引入與材料力學相關的科研或教研成果，讓學生切身感受到力學在現代工程領域中的應用，激發其學習興趣。鼓勵學生查閱有關材料力學課程教學的教研論文，建議學生關注《力學與實踐》期刊的專題綜述、應用研究、教育研究、力學縱橫等欄目，開拓思路，激發學習興趣，培養自學能力。
二、改革教學方法及手段，提高教學效果
改革教學方式方法，注重學生專業技能培養，不斷完善實踐教學體系，廣泛采用案例式、“分形式”、互動式、多媒體與板書結合式教學方法，積極探索“半翻轉課堂式”教學法，注重多種教學方式的綜合應用，充分借助信息資源、突出多媒體教學優勢，強化學生動手、創新能力的培養和訓練。
(一)案例式教學
在講授知識點時，盡可能通過生活或工程中常見的實例引出。在講授均勻性假設時，可以向學生列舉體檢時抽血化驗的例子，只需幾毫升的血樣，就可代表全身的血液情況。在講授各向同性假設時，可列舉木材的例子，順紋劈較橫紋劈更容易斷裂。在講授應力集中時，可舉例鐵絲和木桿的例子，在鐵絲和木桿上各開一個小口，木桿很容易沿著開口處掰斷，鐵絲則需要反復掰多次才會沿開口處斷開，形象地說明了開口對脆性材料和塑性材料構件應力及強度的影響。例如，改革開放初期，我國從歐洲引進的價值千萬的精密鍛壓機曲軸發生斷裂，事故原因為曲軸彎曲處過渡角尺寸過小造成局部應力集中，同時曲軸表面有細小刀痕等加工缺陷，在交變荷載作用下，最終導致曲軸由于應力集中而發生斷裂破壞。在講授壓桿穩定時，可通過不同長度的鋼尺向同學們演示細長壓桿的失穩破壞。例如，二十世紀八十年代，中科院科研樓的施工工地上，鋼管腳手架在距地面5-6m處突然外弓，導致整座高約50m，長約17m，重約60t的腳手架瞬間轟然倒塌，死傷10余人，經濟損失數萬元，工期被迫推遲。而事故直接原因則是腳手架結構存在嚴重缺陷，導致整個腳手架喪失穩定性而倒塌[6]。
當然，就地取材，隨堂舉例或做一些簡單、直觀的力學實驗，更便于學生接受和理解[7]。如：材料力學課程在講授緒論時，粉筆便是最好的教具。粉筆的斷面有很多空隙，嚴格意義上講是不連續的，但對其進行宏觀力學性質分析時，可認為其符合連續性假設。在講授脆性材料軸向拉壓、扭轉的破壞特征時，可以通過粉筆向學生展示脆性材料在軸向拉伸和受扭時的破壞及斷面形式，引導學生分析為何軸向拉伸時沿橫截面破壞，而扭轉時卻是沿與軸線成450的斜截面破壞。又如：在講授彎曲變形及應力狀態時，教室的鋼筋混凝土橫梁、地面便是最好的實例。可引出橫梁是如何受力;支座、荷載等如何簡化;截面形式為何一般采用矩形截面，高寬比有何特征;混凝土梁中為何必須配置鋼筋;梁中鋼筋配置與主拉應力跡線有何關系;石材為何常作為教室的地面等一系列問題。同時，也可做一些簡單的教具幫助學生理解。
(二)“半翻轉課堂式”教學
MOOC(MassiveOpenOnlineCourse)，即大規模在線開放課程，也簡稱為慕課，2012年在美國知名高校得到了快速發展，2013年復旦大學、北京大學、清華大學和上海交通大學等高校先后紛紛加入慕課陣營[8]，2017年河北省教育廳認定和建設了高校第一批在線開放課程，我校材料力學課程獲批立項，經過一年的建設，已于本年度開始線上運行。線上模塊包括知識點教學視頻、實驗操作視頻、作業庫、試題庫、教學課件等教學資源，同時可通過MOOC平臺進行單元測試、作業批閱、在線討論、答疑、考試等。材料力學在線開放課程的建成，理論上為實施“翻轉課堂”提供了條件，但就我校目前的實際情況而言，要實施完全翻轉各方面條件還不完全成熟。(1)“翻轉課堂”依賴于互聯網，目前學校未有設置專門的在線課程教室，普通教室無線網絡不能保證“翻轉課堂”的有效實施。(2)部分學生自律性差、自主學習能力弱、學習積極性不高，不能保質保量完成在線學習任務。另外，多數學生長期以來已形成了被動學習的模式，也更習慣于傳統課堂教授的學習氣氛，樂于課堂上與老師互動、交流。(3)傳統課堂的教學模式，教師優秀的言行舉止可潛移默化地影響學生，教師可根據知識點、課堂情境適時拓展，將有助于學生價值觀及人生觀的形成。(4)“翻轉課堂”教學模式下的學生成績認定還沒有相應的配套政策，學生利用在線平臺修得的課程學分是否可替代現有修讀方式下的課程學分還不明確。(5)對于講授教師而言，“翻轉課堂”教學模式是否可替代現有的傳統課堂教學模式、在線課程教學如何監管、工作量如何認定等均沒有成型的辦法。而傳統教學模式教師完全主導學生，學生過于被動，隨著授課學時的不斷壓縮，傳統的教學模式很難在規定的時間內完成教學內容。
如何將“翻轉課堂”教學模式和傳統課堂教學模式有機的結合起來，揚長避短，“半翻轉課堂式”教學很好地解決了這個問題，也為學生-教師課堂主體角色轉換、相關規定和文件的出臺贏得了時間。結合材料力學在線開放課程平臺，“半翻轉課堂式”教學為材料力學課程教學提供了全新的教學模式，即在教學中貫徹“教師線上設置知識點，學生線上自學、自測，平臺反饋數據，教師針對性講授，線上、課堂討論答疑”的教學主線。平臺反饋數據有助于了解各知識點學生的掌握程度，課堂教學更側重于重點、難點討論及答疑。改變了過去以教師為主體的講授方式，真正做到學生為主體的半翻轉式課堂，老師更多的責任是去解惑學生的問題和引導學生去運用知識[9]。如：在課程講授前，教師通過平臺下達課程內容及自主測驗任務點，課堂教學前通過平臺反饋統計數據確定課堂重點講授、討論及答疑內容，對于學生通過平臺已自主掌握內容則不再課堂講授。將機械制造專業16級和17級材料力學課程期末考試卷面成績進行了統計和對比(其中，機械制造專業16級采用傳統課堂教學，17級采用“半翻轉課堂式”教學)。從統計結果可以看出，機制17級的不及格率較機制16級明顯降低，機制17級60-70、70-80兩個分數段的學生比例顯著提高，80分以上學生比例變化不大，改變了過去兩級分化的卷面成績分布。數據表明，“半翻轉課堂式”的教學方式，保證了授課學時削減后材料力學課程內容的完整性和系統性，活躍了課堂氣氛，激發了學生的學習興趣，提高了教學質量，特別對中等及以下學生效果顯著。
(三)“分形式”教學
“分形式”教學[10]是從課程知識體系入手，在課程講授過程中，把相近、相似內容概括總結，以一條主線貫穿整個分塊內容，使得講授內容更具有系統性和全局性，學生在掌握一塊內容的基礎上可以短時間內掌握研究方法相似的新內容，提高了學習效率，避免了相同方法重復講授，可實現教師角色從“授之于魚”到“授之以漁”的轉變。同時，在一定程度上解決了專業基礎課程內容多、學時少、學習難度大的實際問題。例如，材料力學課程在講授四種基本變形時，改變過去每種基本變形均按內力、應力、強度及剛度計算講授一遍的做法，而是將內力、應力及變形分成若干知識體系。(1)內力及內力圖知識知識體系：以一般的受力桿件引入求解構件內力的基本方法(截面法)，即內力是連續分布在截面上各點處的力系，將其向形心簡化，一般情況下可得到一個主矢和一個主矩，主矢可分解為三個分量，沿著軸向的分量即為軸力FN(軸向拉壓的內力)，平行于截面的兩個分量即為剪力FS(剪切變形的內力);主矩也可分解為三個分量，沿著軸向的分量即為扭矩MT(扭轉變形的內力)，平行于截面的兩個分量即為彎矩M(彎曲變形的內力偶矩)。在此基礎上總結形成求不同變形內力的簡易法，即某特定截面軸力、扭矩、剪力、彎矩均為所研究部分與截面所設正方向相反的外力(外力之矩)減去方向相同的外力(外力之矩)，即所研究部分外力(外力之矩)求代數和。最后分別講解不同變形內力圖的畫法(列內力方程描點作圖法、微分關系簡易作圖法、疊加原理作圖法)，同時總結出不同變形內力圖的簡便畫法。(2)應力及強度條件知識體系：應力計算公式推導時，均按照“實驗-變形規律-應變變化規律-應力分布規律-應力計算公式”的推導思路，然后講授構件強度條件(最大應力小于等于許用應力)的建立與應用。(3)變形及剛度條件知識體系：集中講授外力作用下，桿件四種變形情況的變形計算公式推導和構件剛度條件(最大變形小于等于許用變形)的建立及應用。同樣，對于每一種變形，這些問題的講解過程非常相似，可對后出現的相似內容進行簡略講解[11]。
(四)多媒體與板書結合教學
隨著多媒體教學硬件設施的不斷完善，高校材料力學課程教學基本邁入了多媒體教學時代。通過PPT、圖片、動畫、視頻等多媒體資源去展現材料力學課程中一些復雜圖形、公式推導過程及難以用語言描述的比較抽象的教學內容，拓展學生思維，引入一些與課程內容相關的研究成果等是多媒體教學的優勢。同時，材料力學課程教學學時不斷縮減的人才培養模式下，多媒體教學在一定程度上也彌補了傳統板書教學費時、低效、很難完成教學大綱要求的不足，多媒體教學使得難以理解的概念變得生動具體，可以在短時間內傳遞更多的教學信息，提高了授課效率。但同時由于教學信息量大，要求學生注意力更加集中，若一個環節沒有跟上，則可能出現脫節，不能像板書教學可以及時回顧講授過程、消化、理解，從而產生厭學反應。因此，對于課程內容中的重點、難點、典型例題的講解，采用多媒體教學與傳統板書教學相結合的講授方法，發揮其各自特長，優勢互補，方可取得最佳的教學效果。例如：利用多媒體教學在推導軸向拉壓、扭轉、彎曲應力計算公式時，主要的推導過程和結論呈現在黑板上，教學效果更佳;在講授低碳鋼的拉伸實驗時，實驗錄像可讓學生了解試件在拉伸過程中的形態變化，但無法了解拉伸過程中試件的應力變化情況，此時，又可借助于有限元軟件模擬整個拉伸過程，通過不同時刻的應力云圖直觀地顯示試件在拉伸過程中的應力變化情況，通過變形動畫形象地展示出試件在整個拉伸過程中的變形情況[12]，同時，在此基礎上向學生介紹SAP5、ANSYS、ABAQUS、ADINA/ADINAT、NASTRAN等數值軟件在復雜結構或構件應力計算中的應用，既加深了學生對所學知識的理解、激發了學生的學習興趣，同時又拓展了學生的知識面。
(五)互動式教學
在材料力學課程教學過程中，始終與學生保持互動、交流，通過學生的課堂反應，調整授課進度，有層次地強調重點、難點。適當的設置課堂討論環節，積極引導學生去自主思考，調動學生主動學習的積極性，鼓勵學生積極主動地參與到課堂中來。例如：在講授兩桿桁架求解許可載荷的例題講解中，桿件截面面積A、許用正應力[σ]已知。首先引導學生去思考解決該力學問題的思路，桁架中兩桿均為等直桿，即是按照等直桿軸向拉壓的強度條件FN/A≤[σ]去確定，而內力FN與許可載荷F有關，因此基本思路為：首先受力分析、畫受力圖;然后列平衡方程求解得到FN=f(F);最后代入到強度條件求解各桿的許可載荷F，兩者取較小值，作為桁架的許可載荷F，求解完成。此時，可引導學生考慮結構中桿件的承載能力與結構的承載能力存在何種關系，是否可按理論力學中平行四邊形法則合成得到結構的許可載荷，討論互動后給出結論，不可以按照理論力學合成法則計算，因為組成桁架的兩根桿件并非同時達到各自的強度極限。在講授利用微分關系(dM/dx=dFS，dFS/dx=q(x)，d2M/dx2=q(x))做內力圖時，可引導學生如何從數學角度判定彎矩極值及彎矩圖的凹凸方向，即：一個函數M=f(x)一階導數、二階導數存在，在一階導數FS=0時取到極值，極值為極大值還是極小值，取決于其二階導數q(x)大于0還是小于0，在x軸向右為正，彎矩軸向上為正的坐標系中，q(x)大于0取極小值，彎矩圖則向下凸，q(x)小于0取極大值，彎矩圖則向上凸。同時，可引導學生去考慮是否可用微分關系dM/dx=dFS兩邊求導，去反求極值彎矩，有集中力偶作用時，該如何處理等。在講授細長壓桿的穩定性時，可通過鋼尺、紙片等教具向學生展示荷載作用下它們的失穩過程，讓學生主動去思考為什么;在講授梁的合理強度設計時，通過多媒體展示我國古建筑中的抬梁，考慮為何如此設置;工程中的架橋機，為何通常在下部布置較多的輪子;在實際生活中要穿過結冰的河面時，爬過去總比走過去更安全是何種原因;大型橋梁的橫斷面為何采用空心的箱梁結構形式等。
在實際的課程教學過程中，應根據課程內容、學生自身特點綜合運用多種教學方法。
三、改革教學考核方式，注重學生能力培養
目前大多數高校材料力學課程采用以期末考試為主的考核模式，即“一考定乾坤”。該種考核模式過程考核所占比例小，考核內容偏重理論、題型固化、評分辦法單一。同時，這種考核模式的長期使用，使學生形成了平時松懈、考前突擊等不良的學習習慣。而國外材料力學課程更注重過程考核，弱化期末考試在總成績中的比例，這樣有利于減輕學生負擔，使學生從學期一開始就很注重所選科目的學習。如美國杜克大學土木工程專業材料力學考核方式為：作業20%，中考20%，實驗20%，期末40%[13,14]。
實際上，考核是評價學生對所學課程掌握程度和應用情況的指揮棒，好的考核方式有助于良好學風、考風的形成及良好學習習慣的養成。課程考核不僅僅是考察學生對所學知識的掌握情況，更要考察學生運用所學知識解決實際問題的能力和創新能力。因此，課程組一直致力于探索和實踐材料力學課程的考核辦法，原來材料力學考核方式為：實驗成績占10%，平時成績占20%，期末成績占70%。2018年課程組嘗試改革材料力學課程考核方式，加強過程管理，加大過程考核在總成績中的比例，開始在部分材料力學上課班級試行實驗成績占20%、平時成績占20%、期末成績占60%的考核方式，平時成績中增加了力學建模大作業部分，實驗成績中增加了自主創新實驗設計部分。2019年材料力學在線開放課程上線運行，為了既能調動學生線上學習的積極性，又能高效參與傳統課堂講授，課程組以總成績包括實驗、考勤、課下作業、期末成績的考核辦法為基礎，明確線上知識點自學、自測、討論在總成績中的比例，合理調整實驗、線下作業、期末考試在總成績中的比例，探索出了一套線上學習、自測與線下作業、考試綜合評定的考核方式，在2018-2019-2學期材料力學總成績評定中試行實驗成績占20%，課堂成績占80%的評定辦法(其中，平時成績占20%，線上學習占30%，期末成績占50%)，線上學習包括知識點課程視頻自學40%，章節測驗20%，訪問活躍度10%，線上作業15%，線上考試15%。試行的成績評定辦法大大加強了課程的過程管理及考核，降低了考試在總成績中的比例，教學效果得到了很大的改善。
四、結論
材料力學作為一門重要的專業基礎課程，在工科類專業的課程體系中發揮著承上啟下的重要作用，隨著社會人才需求和新形勢下工科專業人才培養目標的不斷變化，傳統的教學內容、教學方式和考核方式已不能完全適應時代要求，進行必要的教學改革是社會發展的使然。積極探索和實踐有助于培養學生實踐能力和創新能力的教學模式，革新教學內容，改革教學方法及手段，采取科學合理的考核方式，想方設法調動學生學習的積極性，激發學生的學習興趣和創造力，提高教學質量和教學效果，培養出適應新時代要求的復合型應用人才是教學改革的方向和目標。
SCISSCIAHCI
