材料力学课程知识体系调整研究与实践

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  摘 要 材料力学是高等工科院校工科专业的一门重要专业基础课,随着高等教育的不断改革与发展,材料力学教学改革已变得非常必要。从材料力學课程知识体系调整的角度出发,分析传统课程体系存在的若干问题及改革的必要性,提出相应的调整措施,分析新课程体系的优点,并在实际教学过程中加以实践,教学效果非常明显。
  关键词 材料力学;知识体系;实验;教学改革
  中图分类号:G642.3 文献标识码:B
  文章编号:1671-489X(2017)22-0090-03
  Research and Practice on Adjustment of Material Mechanics Course Knowledge System//WANG Minglu
  Abstract Materials mechanics is an important professional basic course of engineering majors in technological university. Teaching reform of materials mechanics has become a necessity with the con-
  tinuous reform and development of higher education. This paper starts from the perspective of the material mechanics course know-ledge system, Several problems in the traditional course system and the necessity of reform are analyzed. The corresponding adjustment measures were put forward. The advantages of the new curriculum system are analyzed and applied it in practice. The practice proves that the teaching effect is very good.
  Key words materials mechanics; knowledge system; experiment; teaching reform
  1 前言
  材料力学是高等工科院校机械、土木及材料等专业一门重要的专业基础课,对于后续课程的学习和专业知识结构框架的构建起着至关重要的作用[1]。通过学习材料力学,可以使学生掌握研究构件强度、刚度和稳定性的基本原理和方法,培养学生掌握将实际工程问题转化为力学模型的方法,为后续专业课程的学习、工程问题的解决及科学研究打下良好的基础[2]。
  为了适应经济和社会发展的需要,许多高等院校对课程设置及学时分配做了重大调整,材料力学的授课学时因此受到大幅削减。在材料力学基本教学内容基本无法减少的情况下,为了在有限的时间内完成教学计划所规定的内容,传统的材料力学教学体系的调整与改革已经变得刻不容缓。笔者从材料力学课程知识体系调整的角度出发,分析传统课程体系存在的若干问题及改革的必要性,并且提出相应的调整措施,分析新课程体系的优点,在实际教学过程中加以实践,教学效果非常明显。
  2 现行材料力学课程体系存在的问题
  现行材料力学课程体系主要存在两个方面的问题:一是材料力学授课学时的削减已无法保质保量地完成传统知识体系中的教学内容;二是传统的材料力学知识体系已经跟不上高等教育不断改革与发展的需求。
  授课学时不断被削减 近年来,随着高等院校教学计划的调整,与其他专业基础课一样,材料力学的授课学时被大幅削减。以齐鲁工业大学机械制造及其自动化专业为例,材料力学最初的授课学时是72学时,而现在为56学时,还有些专业(如过程装备工程等)则减少到48学时。但是为了后续课程的学习和满足学生考研的需求,材料力学的基本教学内容无法进行删减[3]。材料力学的教学内容主要包括四种基本变形、强度理论、组合变形、压杆稳定、动载荷、能量法和超静定问题等,覆盖的知识点较多,内容的逻辑性较强,这就要求学生在学习过程中必须做到温故知新,否则就会比较吃力。但是,由于课时较紧,部分学生学习主动性不高,或者偶尔旷课,造成个别内容没有及时理解,就会对后续内容的学习造成障碍,最后导致学生丧失对材料力学的学习兴趣。
  传统的知识体系知识点重复太多 目前,大多数材料力学教材的内容体系仍延续苏联的铁木辛柯体系,即以拉压、剪切、扭转和弯曲这四种基本变形为主线,讲述构件的强度和刚度问题,进而讲述复杂应力状态下构件的强度问题(即应力应变理论和组合变形)及压杆的稳定性问题,最后讲述能量法和超静定问题。材料力学传统知识体系在讲述四种基本变形时均采用了相同的知识结构体系,即通过构件所受外力利用截面法求出内力,然后利用“三关系法”(即变形几何关系、应力应变关系、静力学关系)推导应力计算公式进而解决强度问题,通过应力应变关系即本构方程推导变形计算公式进而解决刚度问题。这种以构件的四种基本变形为主线的知识结构体系,虽然理论讲解很详细,但是公式推导过程和重复点过多;尽管看似分类清晰,但是学时花费量太大;教师难以对教学过程加以创新,很难抓住学生的学习兴趣,故而学习效果不佳。
  另外,对于材料力学中的超静定问题,一般教材中分别分布在四个章节中,即拉压超静定问题、扭转超静定问题、弯曲超静定问题和正则方程解决超静定问题。这几种超静定问题的解题思路是基本相同的,即平衡方程个数不足,几何方程加以补充,物理方程联系平衡方程和几何方程得以求解。用力法求解超静定结构时,其正则方程的实质同样是几何方程。但是上述几个问题分布在不同章节中,教学内容重复太多,造成学时花费量大,不利于学生的理解和学习。   由此可见,现行的这套教学知识体系已经不适应教学发展,对材料力学课程知识体系进行必要调整势在必行。
  3 材料力学知识体系调整方案
  一般到特殊的內容体系 对于材料力学的基本概念和基本定理,考虑从一般问题出发,将复杂载荷作用下构件的六个内力分量(即一个轴力、两个剪力、两个弯矩、一个扭矩)全部推出,并分析这几个内力所产生的变形的不同,以及这几个内力组合作用时所产生的复杂变形。这样的知识点安排既能做到承前启后,又利于学生理解和掌握。同时,在讲授四种基本变形形式之前,可以先引入应力应变状态分析的内容,使学生从一开始就对构件的变形问题建立起一个更加全面而深刻的理解和掌握。这样,学生可以从一个较高的认识起点出发,进一步推导、分析和解决四种具体的变形的强度和刚度问题,对知识的理解更加透彻,掌握更加牢固。
  专题方式分析解决材料力学问题 从方法论的角度出发,将材料力学的主要知识内容分解成若干专题进行讲解,在具体教学过程中分析总结同一类问题的特点与规律,着重培养学生从工程实际中发现问题、分析问题和解决问题的能力。此方法的基本做法:在新知识体系的前半部分,将材料力学四种基本变形的内力、应力及变形分成若干专题内容组织讲述。
  1)内力及内力图专题:集中讲解杆件在不同外力作用下所产生的各种简单变形的内力(即轴向拉压的轴力、剪切变形的剪力、圆轴扭转的扭矩、直梁弯曲的剪力和弯矩);求解构件内力的基本方法(截面法),以及在此基础上总结形成的求不同变形内力的简便方法;最后分别讲解不同变形内力图的画法(内力方程描点作图法、微分关系快速作图法、叠加原理作图法),同时总结出不同变形内力图的简便画法。
  2)应力及强度条件专题:集中讲解杆件四种变形情况下横截面上应力计算公式的推导、应力分布规律及构件强度条件的建立与应用。对于每一种变形,这些问题的解决过程非常相似,可对后出现的相似内容进行简略讲解,既利于学生接受,又可大大节省授课学时。
  3)变形及刚度条件专题:集中讲解外力作用下,杆件四种变形情况的变形计算公式推导和构件刚度条件的建立及应用。同样,对于每一种变形,这些问题的解决过程非常相似,可对后出现的相似内容进行简略讲解。
  新知识体系的后半部分为知识加深或补充的内容,具体包括组合变形专题、压杆稳定校核专题、疲劳强度计算专题、能量法专题、超静定专题、现代材料力学的发展趋势等,在实际教学中根据专业要求的不同,进行选择性开设。
  实验课与理论课的衔接问题 实验在材料力学课程知识体系中占有非常重要的地位。在材料力学教学中,实验内容包括轴向拉压实验、圆轴扭转实验、直梁弯曲实验和组合变形实验,每个实验两学时。现在一般做法是先讲理论后实验,在当前高校普遍扩招的大环境下,实验室资源就变得相对紧张,较多班级排队进行实验,且同组进行实验的学生数较多,这样引起的后果不言而喻。
  可将实验课安排在相应知识点与实验现象之间进行,引导学生主动分析实验内容的相关原理和探索实验结果发生的本质原因,最终达到实现研究性教学的目的。如对于圆轴扭转实验,可在讲述扭转应力应变规律后立即实验,然后讲述材料扭转力学性能。这样既能激发学生的探索欲望,又利于后续理论知识的学习。
  4 材料力学新知识体系的优点
  结构清晰,易于理解和掌握 由一般到特殊的材料力学新知识体系,使教学内容变得简洁而又脉络清晰,易于教师讲解和学生接受。在特殊的材料力学问题中,以内力计算为例,先讲解最一般外力情况下构件横截面上的六种内力,再分别讲解特殊外力作用下的内力(即轴向拉压时的轴力、剪切时的剪力、圆轴扭转时的扭矩、直梁弯曲时的剪力和弯矩),使学生对构件的几种变形产生整体的了解和掌握,再讲其应力和变形时,学生的听讲目标就会非常明确,对于知识点的理解和掌握就会变得非常容易,进而激发学生的学习主动性[4]。
  这种从一般到特殊的知识体系,有利于教师全面准确地阐述材料力学的基本概念和基本定理,使学生对材料力学基本理论的理解、掌握和应用更加简单。这种知识体系使学生用全新的思路去理解材料力学的基本概念和基本定理,从整体上对知识点进行理解和把握,从具体而片面的理解提高到一般而全面的掌握。学生在应用力学知识解决实际工程问题时,可有效避免因对基本概念和理论的实质认知局限性而产生的分析障碍与理解错误。对于教师而言,在知识体系的顺序安排及讲解上提高了起点,能够充分利用学生前续课程中掌握的内容,使理论叙述简明而利于学生接受、推导严谨而利于学生信服。同时,这种新的知识体系有利于培养学生用所学知识来解决工程实际问题的能力[5]。
  利于学生理解掌握和创造性思维的培养 新的材料力学知识体系有利于教师对重要知识点进行展开讲述,并且对学生创造性思维的培养是十分有利的。如在讲述拉压正应力公式的推导时,由于该变形的公式较其他变形相对简单,可潜引默化地引入所谓的“三关系法”。当学生对该法有一定的了解和掌握后,进一步要求学生利用该方法自行推导扭转应力公式和弯曲正应力公式,利用自己推导出来的公式解决相应的扭转强度问题和弯曲强度问题,可谓一举多得。采用新的材料力学知识体系授课,教师可以培养学生举一反三的学习能力,引导学生积极创新,使学生的思维空间得到充分发展和创新,培养分析问题和解决问题的能力。
  利于学生职业素养和科研素养的培养 目前,许多学校要求将科研融入课堂,因此可充分利用调整材料力学知识体系的机会,将一些前沿性的知识点融入教材中。新的材料力学知识体系及教师相关的科研成果适当引入新的知识点,有利于开阔学生视野。新的材料力学知识体系通过引入新的知识、新的理论和新的方法,既适应了当前要求科研融入课堂的要求,又开阔了学生的视野,有利于学生职业素养和科研素养的培养,为日后工作或继续深造打下良好的基础。
  减少不必要的重复,节省了教学学时 通过重新编排材料力学知识体系,减少了不必要的重复,达到节省教学学时的目的。新的知识体系更有利于教师组织课堂教学,抓住学生的学习兴趣,提高课堂教学质量。同时,新的知识体系下,教师根据实际学情精选基本教学内容变得更加方便,更有利于拓宽学生的知识面,有利于学生将材料力学中所学的理论知识和方法与实际工程问题相结合。
  5 结论
  材料力学在高等工科院校工科专业构成中占有非常重要的地位。但是随着高等教育的不断改革与发展,一方面,材料力学的教学学时在不断被削减;另一方面,材料力学知识体系日显陈旧。因此,材料力学知识体系的调整与改革已经刻不容缓。本文从材料力学课程知识体系调整的角度出发,分析传统课程体系存在的若干问题和调整的必要性,提出相应的调整措施:对基本概念和定理采用从一般到特殊的内容体系进行安排;采用专题方式分析解决材料力学问题;重新安排实验课与理论课的衔接问题。
  将以上调整与改革措施在实际教学过程中加以实践,教学效果非常明显。在当前授课学时少、教学内容多的情况下,新的材料力学知识体系使教学内容更加紧凑,更加有利于教师合理调整授课内容,提高课堂教学效率和学生的学习效率,有利于培养出基础知识牢固且各方面全面发展的高素质人才。
  参考文献
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