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| 现代教育体制下材料力学教学体系的改革初探 | |||||
作者：佚名 论文来源：本站原创 点击数： 更新时间：2008-12-14  |
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摘要 本文结合现代教育的理念，从创新能力培养角度分析了传统的材料力学体系所面临的挑战，从教学内容的重组和更新上探讨了土木工程专业材料力学体系改革与创新的思路，分析了内容重组体系的特点，目前该方法正在第二轮教学活动中实施。 关键词 现代教育 材料力学 创新能力 现代教育是以发挥人的创新精神和实践能力为宗旨的科学教育，是面向全体学生的教育、生动活泼的教育和以人为中心的教育。随着这种思想的深入，新知识、新课程不断增加，许多专业基础课的学时都受到冲击。材料力学就是其中一例。由于材料力学内容丰富，专业要求侧重点各不相同，在教学内容的取舍方面很难有统一的标准，这就给力学教师处理教学内容的艺术性提出了更严格的要求。无论是面向哪个专业，原则上都要求材料力学课程必须融合学科自身发展的时代性、体现现代相关学科的交叉性、兼顾后续专业课程的连续性，对于该门少学时，多内容的课程，本文通过总结以往的教学方法和手段，提出了材料力学教学体系改革的一些设想，该设想正在土木工程专业的材料力学教学中实施。 一、材料力学的特点和体系 材料力学具有公式多、符号多、概念多的特点，理论性强，虽然各章节的内容相对独立、但研究方法及公式定理的推导方法类似，各章习题的解题思路和步骤相对固定。现有的教材在内容安排上主要有两大类型，一类是以杆件的基本变形为主线展开内容［1］，重复较多，教学时数也多，一般要100个学时左右，而按新的教学体制，现在大多数学校工科材料力学的学时数只有60~80个左右。因此，很难将基本概念讲深、讲透，也不利于处理一般与特殊、分解与综合之间的关系，导致优秀学生的潜能得不到发挥，基础差的学生又跟不上教学进度，教学基本要求得不到保障。另一类内容体系［2］是将各基本变形拆散，按内力、应力、变形、强度、刚度体系编排，减少重复，学生可以在相同方法却不同变形形态中反复练习材料力学的基本解题方法，对静力平衡方程、胡克定律和变形协调方程的运用有较深的认识，同时也对能量法求解弹性问题有一定的认识，加强了与后续课程的联系，能激发学生的主观能动性与学习兴趣，相对于第一类安排，具有内容紧凑、灵活性强、综合性好等特点，更能体现现代教育体系的思想。但处理不当，会产生内容零乱、连贯性差的错觉，所以，该体系的运用要求教师有丰富的教学经验并非常熟悉和了解相关知识，讲授过程中能把握材料力学的主题思想，做到形散而神不散。由于要求较高，目前还处于探索阶段。本文作者曾应用过上述两个体系讲授材料力学，从教学经验来看，两个体系有几个共同的弊端： （一）虽然每种基本变形都必须利用试验现象找到变形特征和基本假设来推导应力公式，但现有的教学内容普遍偏重理论分析，缺少对试验方法、手段、规范等的介绍与实践，感性认识不强，学生感觉推导过程枯燥无味，难以接受得出的结论，只好生搬硬套，影响创新能力的发挥。 （二）没有余力引入反映现代科技成果的新材料、新概念、新理论和新方法。致使学生的知识结构不能迅速适应现代建设的需要。 （三）计算方法还停留在手算基础上，不能与现代计算方法、计算软件接轨，难于处理实践中较为复杂的计算问题，影响了该课程教学在实际应用中的深度。 二、教学内容的优化重组设想 （一）优化重组原则。21世纪将进入信息化社会，社会分工日益精细化与协作化，科学发展高度交叉化与综合化，因此，对人才的培养提出了更高的要求。必须具备基础扎实、知识面宽、能力强、素质高四个特点。为了适应这种新的要求，人才模式的培养也应该定位为“知识——能力——素质”三位一体的素质教育。为此，材料力学的内容体系也应围绕这个主题，由注重知识传授向重视学生创新能力的培养方向转化。 在材料力学内容的优选与安排上，主要遵循的原则是：①保持材料力学课程系统性强的特点；②加强与工程实践的结合，增大课程的信息量；③打破专业限制，增加现代科学发展的新论点、新工艺、新方法，拓宽课程的知识范围；④在公式的推导、应用范围确定方面，尽可能地超前使用后续课程的预备知识，保持课程之间的连贯性和延续性。新的体系力求能够浓缩基础理论、加强试验教学、注重知识更新、提高计算能力。 按照上述设想，材料力学教学内容分解为三个主要模块：基础理论模块、试验分析模块和数值计算模块，三个模块相辅相成，互相渗透，在交替讲授中不断强化和升级。 （二）优化重组方法。具体做法是打破传统内容体系的编排方式，拆散为以“基础理论模块1（外力——内力与内力图分析，10学时左右）——试验分析模块1（基本变形的演示性试验，2学时）——基础理论模块2（应力——变形公式的分析与推导，10学时）——试验分析模块2（材料的力学性能测试及应力计算的验证性试验、综合性试验等，8~10学时）——数值计算模块1（各种截面的几何性质的计算、基本变形及组合变形应力、位移的数值计算及动态仿真等，20学时）——基础理论模块3（强度、刚度——稳定性分析，16~18学时）——数值计算模块2（综合性计算的数值模拟及动画显示，4学时）”为主线，学时数在70~74左右；以“用截面法计算内力，用变形特点分析应力分布规律、推导应力公式；用胡克定律建立应力与变形之间的关系；用许用应力、许用位移的概念建立求解强度、刚度条件的模式；综合基本变形的知识进行压杆稳定分析”为具体内容，对各基本变形穿插讲解，侧重进行强度、刚度和稳定性问题的综合性计算，总结出材料力学研究问题的基本思路和解题方法。通过直观的演示认识性试验和操作验证性试验，强化基本概念的掌握和理解，同时加强学生实验意识，提高动手能力；通过编制一些简单的有限元程序或直接利用有限元软件训练一些实践性强、计算量适中的例题，培养学生的计算能力，突出应用型人才的培养目标。 （三）优化重组特点。基础理论模块——依据“少而精”的教学指导思想，集中讲述教学大纲所覆盖的基本内容，并注重经典理论的更新，删除一些已经不再切合实际的理论，及时补充现代科技发展的新理论模型和新设计理念，强调从深度和广度上掌握和理解基本概念。试验分析模块——除了传统的材料力学实验内容，集中1~2个学时在实验室让学生自己动手试做简单的拉伸、扭转、弯曲、压杆失稳、冲击等基本变形试验，再现基本变形的变形特征，比较各变形的差异，给学生正确利用变形特点分析应力分布规律提供一个感性认识，充分展示材料力学课程的实践性；另外增加一个体外预应力梁弯曲问题的综合性实验，加强材料力学与后续专业课程之间的联系。数值计算模块——功能强大的有限元计算软件不仅可以处理模型复杂、计算量大的例题演算，还能通过可视化界面模拟仿真一些难于理解的抽象概念和理论，如圣维南原理、孔洞附近的应力集中、连接件的剪切和挤压破坏等等。灵活多样的教学内容使学生既能抓住主线，在举一反三的学习中深刻理解和消化基本概念，又能结合实际，突破经验和常规的束缚，培养思维的流畅性、变通性和独特性，在创新思维中，进行创新性学习。 三、优化重组体系的优越性 （一）融合学科自身发展的时代性。材料力学自身有一套系统完整的内容体系，因而容易使教师在长期的教学实践过程中自觉不自觉地进入一种机械的教学活动中，拘泥于学科的系统性，不能给学生留出足够的自由思维空间，抑制了学生的创造力。重组后的教学内容体系通过直接利用试验展现基本变形特征，利用计算机对抽象理论及复杂计算进行数值模拟和仿真，避免了枯燥无味的满堂灌，可以理论联系实际地对经典基本内容进行深入浅出的讲解，即保持了原体系的完整性，又节约了课时，腾出时间及时渗透和引进现代科学技术的新成果，补充和完善经典内容，使之能够与时俱进，富有新的时代气息。例如在介绍材料的力学性质一节时，课本上讨论的最多的仍然是金属材料，实际上自90年代以来，随着人们认识能力的提高和测试手段的现代化，材料科学迅猛发展，迅速成为21世纪与能源、信息并列的科学技术的三大支柱，金属材料本身的发展也随着使用要求的不断提高以及加工工艺的不断完善，性能得以大为改观。现代工业一直青睐的钢材因为自重大、抗腐能力差，逐步被新发展的材料如复合材料、轻金属合金材料等代替，通过给学生介绍新型材料独特的高比强度、高比刚度等性能，不仅能加深对经典材料力学性质的认识，也能用发展的眼光看待新材料和新工艺的崛起，自觉关注在强度、刚度和稳定性设计问题中材料性质的选择对结果的改善效果，这种创新思维的培养是材料科学技术的发展对经典材料力学理论提出的新课题。 （二）体现现代相关学科的交叉性。现代学科已高度精细化与协作化，相关学科之间基本上能做到相互渗透、相互服务。教学内容中交叉学科的正确引用，可以有效节约课堂学时，在丰富知识含量方面起事半功倍之效。除了与后续专业基础课及专业课之间的纵向联系，还有与材料力学密切相关的横向学科包括固体材料力学、材料工艺科学、实验测试手段、数值计算方法等。优选重组的教学内容明确了三大模块的任务和目标，展现了交叉学科对材料力学的促进作用。基础理论模块侧重于介绍纵向交叉学科理论与材料力学理论之间的联系，主要强调从多角度阐述基本概念的内涵和意义，引导学生从不同的角度加强对基本概念的理解；现代测试手段和方法的改善为充实和更新材料力学实验提供了有利条件，而材料力学实验起着提高学生的工程设计能力和试验测试技术的作用，可以帮助学生发现和提出问题，培养严谨求实的作风和团结协作精神，是提高学生素质的一个重要环节；随着科学技术的发展，计算工具和方法有了很大改进。由于计算机的普及，计算效率的提高，适用于手算的一些传统计算方法应及时调整，教师通过调整更新自己的知识结构，掌握一些常用的计算方法和有限元计算软件，介绍一些与材料力学概念和理论密切相关，但实践性强、计算量适当偏大的综合性实例，训练学生理论联系实际、综合解决问题的能力。通过对这种探究性问题的解答，学生对该课程的实用性有了一定的认识，增强了解决实际问题的信心，达到培养应用型人才的目的。 （三）兼顾后续专业课程的连续性。工科许多专业基础课如结构力学、弹性力学、塑性力学及专业课如钢结构、钢筋混凝土结构等都要以材料力学为基础，材料力学教学内容编排合理，可以使课程之间衔接紧凑、入门容易。为了避免一些不必要的重复，有效利用课堂学时，在材料力学的讲授中，删减了较为复杂的超静定问题的计算，对叠加法、能量法的讲述采取点到为止、欲擒故纵的方法，给学生树立用这些简易方法解题的思想，让学生尝到用这些方法解题的甜头，但把复杂问题的进一步分析则明确告诉学生在结构力学中解决，这样既避免了占用材料力学过多学时，又让学生对结构力学的学习产生好奇心理，有想学的欲望。又如，对土建专业学生来说，薄壁结构的扭转和弯曲是比较重要的，而这些结构的精确计算都需要用到弹性力学的知识，在材料力学的基础理论模块中关于这部分的讲授，我们就提前引用了弹性力学的一些结论，缩短了材料力学与弹性力学的距离。对于一些专业课需要运用，而受学时所限，又不能单独开课讲授的内容，也可以根据教学内容的发展特征给予更新和补充，例如，介绍许用应力中安全系数的选择原则时，适时地引进可靠性设计思想；讲强度理论时，删掉已经不太适用的最大拉应变理论，介绍构件中微观缺陷的萌生和演化在材料变形和破坏中所起的作用，进而自然过渡到讲授损伤力学的思想和含裂纹体的断裂力学判据等等。总之，主要的原则是删减与实际脱节的内容，突出与工程实际以及与后续专业课密切相关的理论和应用，有效利用学时，最大限度地增加课程的信息量。 四、结束语 本文本着培养创新人才的基本思想，从教学内容的重组和更新上探讨了材料力学改革与创新的思路，分析了内容重组体系的特点，在现有的教学体系基础上融合了一些自己的教学方法。目前该方法只试用了一届学生，从结业考试的情况来看，该届学生的成绩优于上一届，民意测验表明大部分同学对课程的系统性和实用性了解加深，对课程体系的改革持支持态度。以后的教学活动将继续深化该课程的改革，并不断改进现有的体系，争取最大限度地利用现代科学技术更新和发展的平台，大胆设计和试验传道授业的崭新方式，引导学生全身心地投入到未知世界的探求中，培养创新型、独立型和开拓型的21世纪优秀人才。 参考文献 1.孙训方，方孝淑，关来泰编.材料力学.第四版.高等教育出版社，2001 2.蔺海荣，冯维明，虞松主编.材料力学.国防工业出版社,2001 |
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