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試論應(yīng)用型本科院校《材料力學(xué)》課程教學(xué)問題探討論文
材料力學(xué)是固體力學(xué)的一個(gè)分支，是機(jī)械類等工科專業(yè)由基礎(chǔ)課過渡到專業(yè)課的一門技術(shù)基礎(chǔ)課。材料力學(xué)以構(gòu)件能正常工作所需的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性問題為核心，研究了構(gòu)件的拉壓、剪切、扭轉(zhuǎn)和彎曲等四種基本變形以及組合變形形式。該課程在教學(xué)中起到承上啟下的作用，一些基本概念和定理與高等數(shù)學(xué)、理論力學(xué)等前序課程密切相關(guān)，又是機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)等課程的理論基礎(chǔ)。因此學(xué)習(xí)這門課程既可以解決一些簡(jiǎn)單工程實(shí)際問題，同時(shí)又為后續(xù)有關(guān)課程和其他相關(guān)的科學(xué)技術(shù)提供必要的理論基礎(chǔ)。
應(yīng)用型本科重在“應(yīng)用”二字，但并不意味著學(xué)生只是會(huì)機(jī)械地掌握知識(shí)的應(yīng)用和一些操作技能，而是通過全面提高教學(xué)水平來培養(yǎng)學(xué)生探索問題、解決問題和創(chuàng)新地應(yīng)用知識(shí)的能力，使其成為具有較強(qiáng)社會(huì)適應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力的高素質(zhì)應(yīng)用型人才，這對(duì)我們這些應(yīng)用型本科院校的教師提出了更高的要求。筆者所在的佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院是一所具有碩士點(diǎn)授權(quán)的應(yīng)用型本科大學(xué)，根據(jù)機(jī)械類專業(yè)的特點(diǎn)和應(yīng)用型本科院校的辦學(xué)要求，以及筆者多年從事該課程的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)材料力學(xué)課程的教學(xué)提出一些教學(xué)改革嘗試，并取得了較好的教學(xué)效果。具體的做法如下：
一、選擇合適的教材，結(jié)合后續(xù)課程合理安排教學(xué)內(nèi)容
材料力學(xué)課程內(nèi)容豐富，公式多，理論概念性強(qiáng)，有些還比較抽象，學(xué)生的工程實(shí)際概念和經(jīng)驗(yàn)較少，在分析問題和求解時(shí)方法技巧性要求高，學(xué)生難于理解，而且與先修的高等數(shù)學(xué)和理論力學(xué)課聯(lián)系緊密，學(xué)生普遍感覺難學(xué)，學(xué)習(xí)的積極性和興趣普遍不高。
應(yīng)用型本科院校指以應(yīng)用型為辦學(xué)定位，現(xiàn)階段應(yīng)用型大學(xué)一般包括所有的本科第二批、本科第三批院校。與研究型大學(xué)的學(xué)生相比，應(yīng)用型本科院校的學(xué)生理論知識(shí)比較薄弱，特別是在數(shù)學(xué)、物理和力學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科方面，而且其就業(yè)方向主要從事工程應(yīng)用而不是科學(xué)研究。
針對(duì)本課程理論概念性強(qiáng)、方法技巧性要求高，以及應(yīng)用型本科院校的辦學(xué)要求，結(jié)合機(jī)械專業(yè)和學(xué)生的具體特點(diǎn)，以及多年來學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)出現(xiàn)的一些常見問題，對(duì)教材進(jìn)行了重新選取，并對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行了調(diào)整和重新安排。
1.選擇合適的教材，指定適量的課外輔導(dǎo)書
我們?cè)瓉硪恢边x用劉鴻文主編的《材料力學(xué)(Ⅰ)》作為本專業(yè)的教材，該教材是材料力學(xué)課程的經(jīng)典教材，很多研究型大學(xué)都選用該教材，對(duì)于應(yīng)用型本科院校的學(xué)生來說，普遍反映該教材理論內(nèi)容太多，理解、自學(xué)比較困難。針對(duì)這種情況，從2012年開始選用了華中科技大學(xué)出版社出版的少學(xué)時(shí)《材料力學(xué)》教材，該教材主要面向應(yīng)用型本科大學(xué)的教學(xué)，針對(duì)現(xiàn)行的一些經(jīng)典教材中較強(qiáng)調(diào)理論推導(dǎo)的特點(diǎn)，對(duì)一些相關(guān)的理論的推導(dǎo)及延伸進(jìn)行了簡(jiǎn)化，重點(diǎn)突出理論本身理解以及工程實(shí)際應(yīng)用。自從采用該教材教學(xué)后，學(xué)生反映教學(xué)效果良好，學(xué)生對(duì)教材的評(píng)價(jià)從原來的平均88分到現(xiàn)在的平均92分左右。同時(shí)指定適量的課外輔導(dǎo)書，以供進(jìn)一步提高和學(xué)有余力的學(xué)生參考。
2.結(jié)合后續(xù)課程，合理安排教學(xué)內(nèi)容
在授課學(xué)時(shí)大量削減，課堂信息量要求不斷增加的新形式下，加強(qiáng)材料力學(xué)與理論力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)以及模具設(shè)計(jì)等課程的接軌，精練理論部分，對(duì)重點(diǎn)例題詳細(xì)解答，使學(xué)生對(duì)課程的系統(tǒng)性和課程內(nèi)容之間的關(guān)系有更明確的認(rèn)識(shí)。堅(jiān)持“理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、計(jì)算機(jī)分析”相結(jié)合，特別是利用計(jì)算機(jī)軟件的分析功能，讓學(xué)生對(duì)構(gòu)件進(jìn)行分析，提高學(xué)生分析和解決問題的綜合能力。
在教學(xué)內(nèi)容安排上面，重理論知識(shí)的講解及應(yīng)用，輕理論的推導(dǎo)及延伸。例如：在扭轉(zhuǎn)部分推導(dǎo)圓軸扭轉(zhuǎn)時(shí)橫截面的切應(yīng)力計(jì)算公式時(shí)，1)著重強(qiáng)調(diào)已知內(nèi)力求應(yīng)力，由于不知道應(yīng)力在橫截面的分布情況，因此屬于靜不定問題，要結(jié)合靜力平衡方程和補(bǔ)充方程來求解;2)補(bǔ)充方程是通過實(shí)驗(yàn)、觀察變形、提出假設(shè)，最后利用變形和應(yīng)力之間的關(guān)系而建立的，是在實(shí)驗(yàn)和假設(shè)的基礎(chǔ)上得到，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)材料力學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué);3)通過例題的講解來說明其工程應(yīng)用和使用的限制。這種解決問題的方法和過程不僅是材料力學(xué)解決問題的方式，也是解決類似工程問題的一種方法，不強(qiáng)調(diào)涉及到的許多數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，避開了學(xué)生數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)知識(shí)比較薄弱、理解困難甚至放棄學(xué)習(xí)的難題。
對(duì)于機(jī)械類本科專業(yè)來說，理論力學(xué)是材料力學(xué)的基礎(chǔ)。由于筆者所在的機(jī)電工程系，理論力學(xué)和材料力學(xué)課程教學(xué)的老師都是機(jī)械類專業(yè)的教師，因此我們可以根據(jù)學(xué)生在材料力學(xué)學(xué)習(xí)中遇到的問題和理論力學(xué)的老師一起協(xié)調(diào)教學(xué)內(nèi)容，例如與理論力學(xué)老師協(xié)商加強(qiáng)平面任意力系和空間力系的教學(xué)和訓(xùn)練，并且可以將2門課程中有些說法不一致的地方統(tǒng)一起來，這樣就減少了學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)的一些困惑和難度。
同時(shí)，材料力學(xué)是機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)等課程的理論基礎(chǔ)，而且機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)是機(jī)械類專業(yè)的必修的專業(yè)基礎(chǔ)課和實(shí)踐環(huán)節(jié)。筆者也擔(dān)任模具設(shè)計(jì)課程的教學(xué)工作和機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)的指導(dǎo)工作，對(duì)機(jī)械專業(yè)后續(xù)課程的教學(xué)要求和涉及到的本課程的理論知識(shí)比較熟悉，因此在根據(jù)本專業(yè)的特點(diǎn)來選取教學(xué)內(nèi)容和重點(diǎn)，以及提出一些利用本課程能解決的工程實(shí)際問題上面具有一定的優(yōu)勢(shì)。
例如針對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)中三大類基本零件之一軸的設(shè)計(jì)，在教學(xué)內(nèi)容順序扭轉(zhuǎn)彎曲彎扭組合變形分別說明軸的設(shè)計(jì)如何應(yīng)用到了本課程相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)：1)只受扭矩作用的傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)，利用扭矩知識(shí)解決;2)只受彎矩作用的心軸，利用彎曲知識(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì);3)受彎扭組合變形的轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)，說明在機(jī)械課程設(shè)計(jì)中按扭矩初算軸徑，完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，再按照彎扭組合變形知識(shí)進(jìn)行校核。采用這種方式，不僅將一些相對(duì)枯燥的理論知識(shí)應(yīng)用到解決實(shí)際工程問題，提高了學(xué)生利用理論知識(shí)分析問題解決問題的能力，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣，而且和后續(xù)課程的學(xué)習(xí)緊密地聯(lián)系起來。
二、抓住兩條主線，合理應(yīng)用多媒體教學(xué)
1.抓住兩條主線，組織課堂教學(xué)
在課堂教學(xué)的組織安排時(shí)，注重抓住材料力學(xué)的兩條主線：1)外力截面法求內(nèi)力應(yīng)力(應(yīng)力分析和強(qiáng)度條件)，2)外力變形應(yīng)變(應(yīng)變分析和剛度條件)，而在材料力學(xué)里面要建立內(nèi)力和變形，應(yīng)力和應(yīng)變之間聯(lián)系的惟一途徑胡克定律，對(duì)內(nèi)力和變形、應(yīng)力和應(yīng)變分別從宏觀和微觀層面上的說明，并從第1章緒論開始到第7章彎曲變形為止，反復(fù)將圖1展示給學(xué)生，讓學(xué)生對(duì)材料力學(xué)的組織構(gòu)成以及相互之間的關(guān)系有一個(gè)比較清晰的概念，通過這種形式將各個(gè)分散的變形形式如軸向拉壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲等通過內(nèi)力、應(yīng)力、變形和應(yīng)變建立起聯(lián)系，解決了材料力學(xué)概念多、分散而雜亂的問題，有助于學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容有一個(gè)比較清晰的、提綱性的認(rèn)識(shí)，便于更好地理解和學(xué)習(xí)本課程的教學(xué)內(nèi)容。
2.多媒體與板書相結(jié)合，合理利用多媒體教學(xué)
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用多媒體技術(shù)可以將一些抽象概念、復(fù)雜的空間關(guān)系、語言難以描述的內(nèi)容生動(dòng)而深刻地演示出來，有利于知識(shí)的理解，這些利用傳統(tǒng)的板書是不可能實(shí)現(xiàn)的，因此多媒體教學(xué)越來越多地應(yīng)用到教學(xué)實(shí)踐中。
在材料力學(xué)的多媒體教學(xué)中，以動(dòng)畫、圖片、文字和錄像等豐富的教學(xué)資源，例如利用動(dòng)畫來模擬桿件的變形和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，利用圖片、動(dòng)畫或錄像來展示一些工程實(shí)際問題;在梁的彎曲內(nèi)力支座簡(jiǎn)化，通過許多工程實(shí)例(變速箱里的軸、火車的車輪軸、工廠車間中的行車等等)的支座簡(jiǎn)化來進(jìn)行講解和說明，將學(xué)生從被動(dòng)接受型的模式中解放出來，增加了學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，通過播放PPT解決了本課程概念多、理論性強(qiáng)、數(shù)學(xué)推導(dǎo)、計(jì)算煩瑣等板書費(fèi)時(shí)的問題，提高了教學(xué)的進(jìn)度和效率，為學(xué)時(shí)縮減的情況下增加信息量提供了保證。
通過對(duì)學(xué)生的調(diào)查和學(xué)習(xí)效果的評(píng)估，我們發(fā)現(xiàn)在材料力學(xué)的教學(xué)中不能過分的依賴多媒體教學(xué)，應(yīng)強(qiáng)調(diào)板書和多媒體相結(jié)合，應(yīng)根據(jù)課程特點(diǎn)分析哪些內(nèi)容適合用多媒體，哪些內(nèi)容適合進(jìn)行板書，具體知識(shí)的講解時(shí)，如何進(jìn)行配合使用。例如在講解畫內(nèi)力圖的相關(guān)知識(shí)時(shí)，可以通過在PPT上給出題目以及外力的分析、外力的求解，在黑板上通過板書的方式畫出內(nèi)力圖，這樣不但利用了多媒體傳遞信息量大的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也便于學(xué)生能適當(dāng)記筆記，避免了學(xué)生容易產(chǎn)生視覺疲勞和抵觸情緒。
三、以解決問題為導(dǎo)向，引導(dǎo)學(xué)生探索學(xué)習(xí)
在當(dāng)代高校教育改革中，以傳授知識(shí)為主要特征的傳統(tǒng)型教學(xué)正向以培養(yǎng)能力為主要特征的研究性教學(xué)轉(zhuǎn)變，探索性教學(xué)強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者主動(dòng)探索的行為和創(chuàng)新實(shí)踐的精神，“教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主題”是教學(xué)的規(guī)律，是“內(nèi)因與外因”的關(guān)系問題。教學(xué)的過程應(yīng)該緊緊圍繞充分調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)思維的積極性來進(jìn)行，有效的提高教學(xué)效率。
在課堂教學(xué)時(shí)，適當(dāng)安排提問、討論以及解答環(huán)節(jié)，按課程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容設(shè)置不同層次的問題，并以解決這些問題為導(dǎo)向，讓學(xué)生有足夠的時(shí)間參與課堂討論，引導(dǎo)學(xué)生去發(fā)現(xiàn)問題、思考問題，并尋求解決問題的方法。在設(shè)置問題時(shí)，應(yīng)針對(duì)學(xué)生的特點(diǎn)來設(shè)置，盡量調(diào)動(dòng)每個(gè)學(xué)生的積極性，以求學(xué)生與教師思維同步。課后提出一些問題，指定一定的參考資料，讓學(xué)有余力的學(xué)生通過查詢、閱讀和自學(xué)的方式自己去尋找答案，進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)，從而提高在綜合分析能力方面的素質(zhì)。
例如在圓軸扭轉(zhuǎn)的相關(guān)學(xué)習(xí)時(shí)，根據(jù)課程的進(jìn)度逐步提出問題：在金工實(shí)習(xí)時(shí)利用絲錐攻絲時(shí)，為什么老師要求用兩只手同時(shí)用力來完成攻絲?這個(gè)時(shí)候絲錐受外力情況如何?除了絲錐外還有哪些工程上的軸受到這種外力作用?(可以適當(dāng)提示學(xué)生：開車的時(shí)候、實(shí)習(xí)開車床時(shí)等等，這種軸在機(jī)械中稱為傳動(dòng)軸)絲錐的內(nèi)力情況呢?絲錐會(huì)發(fā)生什么樣的破壞?破壞的原因是什么?那我們?nèi)绾卧O(shè)計(jì)才能保證絲錐不被折斷?課后可以布置一些思考題：如果在攻絲的時(shí)候，只單手用力絲錐的受力情況如何?內(nèi)力情況如何?在設(shè)計(jì)時(shí)該如何設(shè)計(jì)呢?(提示學(xué)生：絲錐的內(nèi)力不止1個(gè)，另一個(gè)垂直于軸線的外力，大家可以先預(yù)習(xí)彎曲部分，所有布置給學(xué)生的問題都可以采用課堂提問、給出參考答案或討論課的形式來解決)為什么絲錐、方向盤軸的截面是圓形而不是矩形等其他形狀等等問題(對(duì)有余力的學(xué)生布置的)。
通過圍繞絲錐這種學(xué)生有感性認(rèn)識(shí)的工程實(shí)際上的構(gòu)件，在課堂上逐步提出問題，隨著課程的開展讓學(xué)生一步一步解決問題，既學(xué)習(xí)了扭轉(zhuǎn)相關(guān)的知識(shí)，也解決了一個(gè)工程構(gòu)件的設(shè)計(jì)問題。這種以解決問題為導(dǎo)向的方式，讓學(xué)生帶著問題去學(xué)習(xí)去研究，圍繞這些問題積極思考和探究，活躍了課堂氣氛，在較好掌握知識(shí)的同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生去探索、去發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。通過課后布置的分級(jí)問題，讓學(xué)生進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)，對(duì)一些問題進(jìn)行更深入地探討，同時(shí)也為下一章的學(xué)習(xí)提出了問題留下了懸念，以便學(xué)生進(jìn)一步地學(xué)習(xí)探索。
四、結(jié)束語
通過教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，以學(xué)生為主體、抓住兩條主線、以解決問題為導(dǎo)向的教學(xué)方式，不僅讓學(xué)生從“聽懂了”變?yōu)椤罢莆樟恕�，而且調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性，提高學(xué)生學(xué)習(xí)、分析和解決工程實(shí)際問題的能力，對(duì)學(xué)生創(chuàng)新思維與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)也有一定的幫助。從近幾年的教學(xué)實(shí)踐情況以及學(xué)生對(duì)本課程的課堂教學(xué)質(zhì)量評(píng)分評(píng)定情況來看，該種教學(xué)改革嘗試獲得了大多數(shù)學(xué)生的認(rèn)可，大部分同學(xué)的學(xué)習(xí)興趣更濃，學(xué)習(xí)的畏難情緒降低，成績(jī)得到普遍提高，教學(xué)效果良好。
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