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淺談高等院校材料力學(xué)分專業(yè)針對性教學(xué)改革實踐論文
一、引言
21世紀(jì)是以知識的創(chuàng)新和應(yīng)用為重要特征的知識經(jīng)濟時代。在新的時代背景下，單純的以認知為目的傳統(tǒng)教學(xué)模式已然過時，教育改革必須更加注重學(xué)習(xí)者的綜合素質(zhì)提高，進而培養(yǎng)其對知識的創(chuàng)新和應(yīng)用能力。這就必然要求學(xué)習(xí)者具備良好的基礎(chǔ)知識結(jié)構(gòu)。在工科各專業(yè)的課程系統(tǒng)中,學(xué)科技術(shù)基礎(chǔ)課是專業(yè)教學(xué)中的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。它是聯(lián)系基礎(chǔ)課和專業(yè)課課程的橋梁紐帶，面向新的培養(yǎng)目標(biāo)要求,增強學(xué)科技術(shù)基礎(chǔ)課程的專業(yè)針對性教學(xué)改革是極其重要的。
《材料力學(xué)》是高等工科院校開設(shè)的一門基礎(chǔ)力學(xué)課程，是機械類、土木建筑類、采礦安全類、材料類等工程專業(yè)不可或缺的專業(yè)基礎(chǔ)課程。它不僅將《大學(xué)物理》、《高等數(shù)學(xué)》、《理論力學(xué)》所學(xué)知識進一步與實際工程問題相結(jié)合，能夠直接解決一系列簡單的工程問題而且它還是后續(xù)《機械原理》、《機械設(shè)計》、《結(jié)構(gòu)力學(xué)》、《彈性力學(xué)》等專業(yè)課程的基礎(chǔ)，在學(xué)生整個高等教育培養(yǎng)體系中具有承上啟下的重要作用。后續(xù)專業(yè)課程中，力學(xué)模型的建立、強度計算、剛度計算和穩(wěn)定性計算等理論知識的應(yīng)用尤其重要。鑒于《材料力學(xué)》的重要性，很多院校將其作為工科專業(yè)研究生招生考試的專業(yè)課。
《材料力學(xué)》傳統(tǒng)的教學(xué)模式是不分專業(yè)沒有針對性的統(tǒng)一教學(xué)模式，雖然具有一定的優(yōu)勢，但是已經(jīng)不能適應(yīng)新時期對培養(yǎng)創(chuàng)新人才的教育要求，對不同專業(yè)采用不同的具有針對性的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法以及教學(xué)手段具有充分的必要性和緊迫性。筆者根據(jù)近幾年分專業(yè)針對性教學(xué)的實踐，對這一教學(xué)模式進行了初步的探討。
二、不分專業(yè)統(tǒng)一教學(xué)的優(yōu)缺點
全校統(tǒng)一教學(xué)一般是將教學(xué)任務(wù)下達到力學(xué)教學(xué)部，然后再分配給任課老師。一般每個老師不同學(xué)期承擔(dān)不同專業(yè)的教學(xué)任務(wù)。這種教學(xué)模式下經(jīng)常出現(xiàn)的一種現(xiàn)象是：這個學(xué)期教采礦工程，下個學(xué)期教機械工程，再下個學(xué)期教地質(zhì)工程。這種傳統(tǒng)的沒有針對性的統(tǒng)一教學(xué)模式有一定的優(yōu)勢，但也存在著一定的不足。
1、統(tǒng)一教學(xué)的優(yōu)點
力學(xué)系或者力學(xué)部的老師多為力學(xué)專業(yè)科班出身，系統(tǒng)學(xué)習(xí)了除基礎(chǔ)力學(xué)外的《彈性力學(xué)》、《塑性力學(xué)》、《斷裂力學(xué)》等高等力學(xué)，同時，他們也將大部分的科研時間用于工程實際中的力學(xué)問題的分析和研究，因此具有深厚的力學(xué)功底和較高的力學(xué)素養(yǎng)。在講授材料力學(xué)時，他們對知識理論體系的理解和把握更加深刻、系統(tǒng)，在材料力學(xué)的理論教學(xué)過程中深入簡出，將所涉及到的知識點更加形象的講授給學(xué)生，使得材料力學(xué)的理論教學(xué)工作達到一個較高的水平。
隨著現(xiàn)階段多媒體教學(xué)手段的普及，老師在課堂上可以采用各種電子教學(xué)資源，如圖表、動畫等。統(tǒng)一教學(xué)模式可以使任課教師之間能夠經(jīng)常交流，取長補短、改進教學(xué)方法、教學(xué)手段、交流教學(xué)經(jīng)驗，共享教學(xué)資源、提高教學(xué)水平，避免了教學(xué)資源的極大浪費。
2、統(tǒng)一教學(xué)的缺點
由于教授力學(xué)課程的老師，研究方向是有所側(cè)重的，總是要與一個工科專業(yè)相結(jié)合。因此，他們熟悉的工程專業(yè)領(lǐng)域也是非常明確的，而開設(shè)力學(xué)課程的工科專業(yè)非常多，他們不可能熟悉每一個專業(yè)方向的專業(yè)知識。如果任課老師在講授材料力學(xué)課程時，針對所有專業(yè)的學(xué)生使用同一套教案，那教學(xué)內(nèi)容是非常固定的。實際上不同的專業(yè)對于材料力學(xué)課程所要求的知識重點是不一樣的，如機械工程領(lǐng)域，對于扭轉(zhuǎn)的要求就比較高，因為工程機械中有很多傳動軸，而土木工程則對壓桿穩(wěn)定、偏心壓縮的要求比較高，因為建筑中有很多受壓桿件。因此熟悉機械工程的老師授課中就會忽略了土木工程的特點，造成土木專業(yè)的學(xué)生在學(xué)習(xí)后續(xù)《結(jié)構(gòu)力學(xué)》等課程時的困擾。
而且材料力學(xué)應(yīng)該能夠應(yīng)用于工程實際并解決一定的工程問題。教師在授課過程中如果不能很好地將材料力學(xué)知識點與學(xué)生所對應(yīng)的專業(yè)領(lǐng)域結(jié)合起來，培養(yǎng)出來的學(xué)生可能具備很強的計算題解題能力，但是會欠缺針對自己專業(yè)的工程問題分析建模的能力。更為嚴重的是，如果任課老師不管學(xué)生什么專業(yè)背景，不考慮學(xué)生的需求，只顧自己講授，甚至還舉一些跟他們不相關(guān)的例子，那這樣的教學(xué)難以激發(fā)學(xué)習(xí)者對該門課的喜好和學(xué)習(xí)熱情，從而大大影響教學(xué)效果。
因此，不分專業(yè)沒有針對性的教學(xué)，不能使學(xué)習(xí)者對力學(xué)知識能熟練的應(yīng)用，更理解不了后續(xù)畢業(yè)設(shè)計中的力學(xué)理論，從而不能很好解決各專業(yè)以后面對的力學(xué)問題。所以《材料力學(xué)》教學(xué)應(yīng)該多結(jié)合各專業(yè)進行針對性教學(xué)，必須進行教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法的改革。
三、分專業(yè)針對性教學(xué)改革實踐
分專業(yè)針對性教學(xué)需要任課老師有高度的責(zé)任心和使命感，在備課時付出更多的努力，去學(xué)習(xí)、了解學(xué)生的專業(yè)課程內(nèi)容和需要。但實際上，力學(xué)教研室的老師除了教學(xué)任務(wù)之外，還有科研任務(wù)。他們沒有足夠的時間去一一了解眾多的專業(yè)課程。這時可以發(fā)揮傳統(tǒng)的統(tǒng)一教學(xué)模式的優(yōu)勢，那就是力學(xué)教學(xué)部的老師，可以互相交流，將自己所熟悉領(lǐng)域的工程實例與其他老師共享。所有老師的教學(xué)資源可以編制一個針對不同專業(yè)的工程實例庫，需要用到的老師，可以到該工程實例庫中選取合適的教學(xué)素材。而且材料力學(xué)老師應(yīng)該創(chuàng)造機會與各專業(yè)后續(xù)的專業(yè)課老師進行交流，了解學(xué)生對材料力學(xué)課程的需求，講授的重點。這樣才能夠真正發(fā)揮材料力學(xué)課程的作用，達到較好的教學(xué)效果。
通過以上措施，筆者在近幾年的《材料力學(xué)》課程教學(xué)過程中適當(dāng)和專業(yè)結(jié)合，根據(jù)各專業(yè)的不同，有針對性的對《材料力學(xué)》課程進行了教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容的改革，具體做法是：
1、針對機械工程類專業(yè)
機械工程專業(yè)的后續(xù)《機械設(shè)計》課程里很多理論是以《材料力學(xué)》理論為基礎(chǔ)的。例如，對于軸類的強度和剛度校核要求較高，在組合變形的教學(xué)中必須引入傳動軸這一工程實例，從理論分析到設(shè)計步驟，都要深入剖析;對于交變應(yīng)力的授課過程中，還因該闡述疲勞校核的基本思想和設(shè)計理念，為后續(xù)課程打好基礎(chǔ)。在講授金屬材料的拉伸、壓縮力學(xué)性能時，根據(jù)專業(yè)特點，重點介紹進行力學(xué)實驗的設(shè)備構(gòu)造、工作原理，并將老式的液壓式萬能材料試驗機與新型微機控制萬能材料試驗機的構(gòu)造、工作原理進行對比講解，使學(xué)生對試驗的機械有深刻的了解。特別是，對于過程控制與裝備工程專業(yè)，應(yīng)該引入該專業(yè)的工程實例作為教學(xué)案例，以此作為教學(xué)改革的突破口。在教學(xué)過程中，壓力容器方面的實例教學(xué)應(yīng)該貫穿課程的始終。增加如塔、儲罐，球罐、反應(yīng)釜、換熱器等實例，這樣有助于學(xué)生在學(xué)習(xí)《材料力學(xué)》的同時，認識這些化工容器及容器中的材料力學(xué)問題，了解即將學(xué)習(xí)的力學(xué)內(nèi)容將來能夠用到壓力容器設(shè)計的哪些問題中。這樣學(xué)生學(xué)習(xí)的目的性更強了，有助于增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
2、針對土木建筑類專業(yè)
對于土木建筑類專業(yè)，《材料力學(xué)》是后續(xù)的諸如《結(jié)構(gòu)力學(xué)》《混凝土結(jié)構(gòu)原理》以及《鋼結(jié)構(gòu)原理》、《巖體力學(xué)》等課程的基礎(chǔ)，因此，在《材料力學(xué)》教學(xué)需要做好與后續(xù)幾門課程的銜接。
《結(jié)構(gòu)力學(xué)》研究桿件結(jié)構(gòu)的強度、剛度、穩(wěn)定性和動力反應(yīng)等問題，是《材料力學(xué)》的深化和延伸。在軸向拉伸和壓縮中講到的求解桿件內(nèi)力的方法—截面法，是求解其它變形桿件的內(nèi)力及《結(jié)構(gòu)力學(xué)》中求解桿件結(jié)構(gòu)內(nèi)力的通用方法。而且在彎曲內(nèi)力中講到的彎矩、剪力與分布荷載間的微分關(guān)系，可簡化梁內(nèi)力圖的繪制。這種方法在《結(jié)構(gòu)力學(xué)》里會繼續(xù)用到，并將擴展為軸力、彎矩、剪力與分布荷載間的微分關(guān)系，可簡化剛架內(nèi)力圖的繪制。這些在《材料力學(xué)》教學(xué)中需要跟學(xué)生特別說明，引起學(xué)生重視，做到有針對性的學(xué)習(xí)。
《混凝土結(jié)構(gòu)原理》主要講述混凝土受彎構(gòu)件、受壓構(gòu)件、受拉構(gòu)件和受扭構(gòu)件的受力性能和截面設(shè)計計算方法。因此在在彎曲應(yīng)力中，推導(dǎo)純彎曲正應(yīng)力公式時所作的平面假設(shè)，在混凝土受彎和受壓構(gòu)件的正截面承載力計算中被稱為平截面假定，所以在講純彎曲的平面假設(shè)時，可以統(tǒng)一講述。又如，在混凝土結(jié)構(gòu)中，根據(jù)混凝土梁中的主拉應(yīng)力跡線和主壓應(yīng)力跡線，可分析梁會產(chǎn)生什么樣的裂縫以及如何合理配置鋼筋，這些可以引入主應(yīng)力教學(xué)過程中。
《鋼結(jié)構(gòu)原理》中的鋼材的內(nèi)部組織比較均勻、連續(xù)，接近各向同性，且在一定的應(yīng)力范圍內(nèi)處于理想彈性工作階段，符合材料力學(xué)所采用的假定，所以在《材料力學(xué)》教學(xué)中適當(dāng)引入鋼結(jié)構(gòu)的工程實例，可以為后續(xù)課程“搭橋鋪路”。另外彎曲中心在鋼結(jié)構(gòu)中有非常重要的應(yīng)用，不能略講，需要重點講述。
《巖體力學(xué)》是研究巖體在各種力場作用下變形與破壞規(guī)律的理論及其實際應(yīng)用的科學(xué)，其中庫倫-莫爾強度理論是應(yīng)用較廣的強度理論，該理論是以莫爾應(yīng)力圓為基礎(chǔ)，所以在《材料力學(xué)》莫爾應(yīng)力圓講授中，教學(xué)要求要比其他專業(yè)高，講清概念、講透理論、多做練習(xí)，還可以結(jié)合《巖體力學(xué)》的分析實例進行進一步延伸拓展。
3、針對材料類專業(yè)
新材料的研制對未來社會發(fā)展起著重要的作用，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種新型材料層出不窮。根據(jù)專業(yè)特色，該類專業(yè)的學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計階段會設(shè)計各種新型材料，設(shè)計出的新型材料需要進行力學(xué)性能的測試，所以在講授材料在拉伸壓縮的力學(xué)性能時，授課教師既要講解低碳鋼、鑄鐵力學(xué)性能測定，更應(yīng)重點介紹按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試樣及非標(biāo)準(zhǔn)試樣的加工制作要求，使學(xué)生通過掌握金屬材料力學(xué)性能的測試而達到舉一反三的目的。而且還應(yīng)該提出常溫靜載實驗的這些性能指標(biāo)在高溫、低溫、動載荷下會發(fā)生怎樣變化?你能舉出多少應(yīng)用實例?廣泛應(yīng)用于航空航天、交通、醫(yī)療等領(lǐng)域的復(fù)合材料、功能梯度材料、壓電材料、壓磁材料、形狀記憶合金等智能材料的力學(xué)性能又如何呢?也可以就這樣既開闊了學(xué)生的眼界留下了思考和發(fā)展空間，也使學(xué)生對后續(xù)專業(yè)課產(chǎn)生濃厚的興趣和探知欲，使《材料力學(xué)》真正成為基礎(chǔ)課與專業(yè)課的橋梁和紐帶。
4、有針對性的引入現(xiàn)代力學(xué)分析手段
很多專業(yè)在工程實際中需要利用現(xiàn)代力學(xué)分析手段對工程中的結(jié)構(gòu)、機構(gòu)等進行力學(xué)分析。有限元分析軟件ANSYS、ABAQUS和Marc等等也因其強大的計算能力和形象而細致的后處理方法得到了廣泛應(yīng)用。這些先進的分析工具也需要引入《材料力學(xué)》課堂。分析材料力學(xué)中涉及的內(nèi)力、應(yīng)力和變形問題,運用動畫演示構(gòu)件的變形，讓學(xué)生觀察變形和破壞形式，使學(xué)生對構(gòu)件變形形式有感性認識，引導(dǎo)學(xué)生主動思考，并將應(yīng)力、應(yīng)變、位移云圖等后處理結(jié)果展示給學(xué)生看，這樣更有利于學(xué)生對知識的學(xué)習(xí)和掌握;利用應(yīng)力云圖可使圣維南原理與應(yīng)力集中概念等難點內(nèi)容變得容易理解。
經(jīng)過近年來的以上教學(xué)改革實踐，各個專業(yè)課老師和畢業(yè)設(shè)計的老師反映，學(xué)生能夠很容易運用材料力學(xué)的知識分析專業(yè)課中的問題，在專業(yè)課學(xué)習(xí)中能做到很好的過度，很快的進行專業(yè)課的學(xué)習(xí)，接受專業(yè)知識的能力較以往有很大的提高。
四、總結(jié)
《材料力學(xué)》作為工科專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，對學(xué)生的就業(yè)和考研深造都具有非常重要的作用。各位任課老師一定要具備很強的責(zé)任心，認真了解授課專業(yè)的特點，針對專業(yè)知識結(jié)構(gòu)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容。這樣可以使學(xué)生較早地接觸到本專業(yè)的專業(yè)領(lǐng)域知識，提高對《材料力學(xué)》課程重要性的認識，從而達到一個較好的教學(xué)效果，進而培養(yǎng)其對知識的創(chuàng)新和應(yīng)用能力，適應(yīng)新時代下對工程技術(shù)高素質(zhì)人才的要求。
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