浅谈高等院校材料力学分专业针对性教学改革实践

　　一、引言
　　21世纪是以知识的创新和应用为重要特征的知识经济时代。在新的时代背景下，单纯的以认知为目的传统教学模式已然过时，教育改革必须更加注重学习者的综合素质提高，进而培养其对知识的创新和应用能力。这就必然要求学习者具备良好的基础知识结构。在工科各专业的课程系统中，学科技术基础课是专业教学中的基础环节。它是联系基础课和专业课课程的桥梁纽带，面向新的培养目标要求，增强学科技术基础课程的专业针对性教学改革是极其重要的。
　　《材料力学》是高等工科院校开设的一门基础力学课程，是机械类、土木建筑类、采矿安全类、材料类等工程专业不可或缺的专业基础课程。它不仅将《大学物理》、《高等数学》、《理论力学》所学知识进一步与实际工程问题相结合，能够直接解决一系列简单的工程问题而且它还是后续《机械原理》、《机械设计》、《结构力学》、《弹性力学》等专业课程的基础，在学生整个高等教育培养体系中具有承上启下的重要作用。后续专业课程中，力学模型的建立、强度计算、刚度计算和稳定性计算等理论知识的应用尤其重要。鉴于《材料力学》的重要性，很多院校将其作为工科专业研究生招生考试的专业课。
　　《材料力学》传统的教学模式是不分专业没有针对性的统一教学模式，虽然具有一定的优势，但是已经不能适应新时期对培养创新人才的教育要求，对不同专业采用不同的具有针对性的教学内容和教学方法以及教学手段具有充分的必要性和紧迫性。笔者根据近几年分专业针对性教学的实践，对这一教学模式进行了初步的探讨。
　　二、不分专业统一教学的优缺点
　　全校统一教学一般是将教学任务下达到力学教学部，然后再分配给任课老师。一般每个老师不同学期承担不同专业的教学任务。这种教学模式下经常出现的一种现象是：这个学期教采矿工程，下个学期教机械工程，再下个学期教地质工程。这种传统的没有针对性的统一教学模式有一定的优势，但也存在着一定的不足。
　　1、统一教学的优点
　　力学系或者力学部的老师多为力学专业科班出身，系统学习了除基础力学外的《弹性力学》、《塑性力学》、《断裂力学》等高等力学，同时，他们也将大部分的科研时间用于工程实际中的力学问题的分析和研究，因此具有深厚的力学功底和较高的力学素养。在讲授材料力学时，他们对知识理论体系的理解和把握更加深刻、系统，在材料力学的理论教学过程中深入简出，将所涉及到的知识点更加形象的讲授给学生，使得材料力学的理论教学工作达到一个较高的水平。
　　随着现阶段多媒体教学手段的普及，老师在课堂上可以采用各种电子教学资源，如图表、动画等。统一教学模式可以使任课教师之间能够经常交流，取长补短、改进教学方法、教学手段、交流教学经验，共享教学资源、提高教学水平，避免了教学资源的极大浪费。
　　2、统一教学的缺点
　　由于教授力学课程的老师，研究方向是有所侧重的，总是要与一个工科专业相结合。因此，他们熟悉的工程专业领域也是非常明确的，而开设力学课程的工科专业非常多，他们不可能熟悉每一个专业方向的专业知识。如果任课老师在讲授材料力学课程时，针对所有专业的学生使用同一套教案，那教学内容是非常固定的。实际上不同的专业对于材料力学课程所要求的知识重点是不一样的，如机械工程领域，对于扭转的要求就比较高，因为工程机械中有很多传动轴，而土木工程则对压杆稳定、偏心压缩的要求比较高，因为建筑中有很多受压杆件。因此熟悉机械工程的老师授课中就会忽略了土木工程的特点，造成土木专业的学生在学习后续《结构力学》等课程时的困扰。
　　而且材料力学应该能够应用于工程实际并解决一定的工程问题。教师在授课过程中如果不能很好地将材料力学知识点与学生所对应的专业领域结合起来，培养出来的学生可能具备很强的计算题解题能力，但是会欠缺针对自己专业的工程问题分析建模的能力。更为严重的是，如果任课老师不管学生什么专业背景，不考虑学生的需求，只顾自己讲授，甚至还举一些跟他们不相关的例子，那这样的教学难以激发学习者对该门课的喜好和学习热情，从而大大影响教学效果。
　　因此，不分专业没有针对性的教学，不能使学习者对力学知识能熟练的应用，更理解不了后续毕业设计中的力学理论，从而不能很好解决各专业以后面对的力学问题。所以《材料力学》教学应该多结合各专业进行针对性教学，必须进行教学内容与教学方法的改革。
　　三、分专业针对性教学改革实践
　　分专业针对性教学需要任课老师有高度的责任心和使命感，在备课时付出更多的努力，去学习、了解学生的专业课程内容和需要。但实际上，力学教研室的老师除了教学任务之外，还有科研任务。他们没有足够的时间去一一了解众多的专业课程。这时可以发挥传统的统一教学模式的优势，那就是力学教学部的老师，可以互相交流，将自己所熟悉领域的工程实例与其他老师共享。所有老师的教学资源可以编制一个针对不同专业的工程实例库，需要用到的老师，可以到该工程实例库中选取合适的教学素材。而且材料力学老师应该创造机会与各专业后续的专业课老师进行交流，了解学生对材料力学课程的需求，讲授的重点。这样才能够真正发挥材料力学课程的作用，达到较好的教学效果。
　　通过以上措施，笔者在近几年的《材料力学》课程教学过程中适当和专业结合，根据各专业的不同，有针对性的对《材料力学》课程进行了教学方法和教学内容的改革，具体做法是：
　　1、针对机械工程类专业
　　机械工程专业的后续《机械设计》课程里很多理论是以《材料力学》理论为基础的。例如，对于轴类的强度和刚度校核要求较高，在组合变形的教学中必须引入传动轴这一工程实例，从理论分析到设计步骤，都要深入剖析；对于交变应力的授课过程中，还因该阐述疲劳校核的基本思想和设计理念，为后续课程打好基础。在讲授金属材料的拉伸、压缩力学性能时，根据专业特点，重点介绍进行力学实验的设备构造、工作原理，并将老式的液压式万能材料试验机与新型微机控制万能材料试验机的构造、工作原理进行对比讲解，使学生对试验的机械有深刻的了解。特别是，对于过程控制与装备工程专业，应该引入该专业的工程实例作为教学案例，以此作为教学改革的突破口。在教学过程中，压力容器方面的实例教学应该贯穿课程的始终。增加如塔、储罐，球罐、反应釜、换热器等实例，这样有助于学生在学习《材料力学》的同时，认识这些化工容器及容器中的材料力学问题，了解即将学习的力学内容将来能够用到压力容器设计的哪些问题中。这样学生学习的目的性更强了，有助于增强学生的学习兴趣。
　　2、针对土木建筑类专业
　　对于土木建筑类专业，《材料力学》是后续的诸如《结构力学》《混凝土结构原理》以及《钢结构原理》、《岩体力学》等课程的基础，因此，在《材料力学》教学需要做好与后续几门课程的衔接。
　　《结构力学》研究杆件结构的强度、刚度、稳定性和动力反应等问题，是《材料力学》的深化和延伸。在轴向拉伸和压缩中讲到的求解杆件内力的方法截面法，是求解其它变形杆件的内力及《结构力学》中求解杆件结构内力的通用方法。而且在弯曲内力中讲到的弯矩、剪力与分布荷载间的微分关系，可简化梁内力图的绘制。这种方法在《结构力学》里会继续用到，并将扩展为轴力、弯矩、剪力与分布荷载间的微分关系，可简化刚架内力图的绘制。这些在《材料力学》教学中需要跟学生特别说明，引起学生重视，做到有针对性的学习。
　　《混凝土结构原理》主要讲述混凝土受弯构件、受压构件、受拉构件和受扭构件的受力性能和截面设计计算方法。因此在在弯曲应力中，推导纯弯曲正应力公式时所作的平面假设，在混凝土受弯和受压构件的正截面承载力计算中被称为平截面假定，所以在讲纯弯曲的平面假设时，可以统一讲述。又如，在混凝土结构中，根据混凝土梁中的主拉应力迹线和主压应力迹线，可分析梁会产生什么样的裂缝以及如何合理配置钢筋，这些可以引入主应力教学过程中。
　　《钢结构原理》中的钢材的内部组织比较均匀、连续，接近各向同性，且在一定的应力范围内处于理想弹性工作阶段，符合材料力学所采用的假定，所以在《材料力学》教学中适当引入钢结构的工程实例，可以为后续课程搭桥铺路。另外弯曲中心在钢结构中有非常重要的应用，不能略讲，需要重点讲述。
　　《岩体力学》是研究岩体在各种力场作用下变形与破坏规律的理论及其实际应用的科学，其中库伦莫尔强度理论是应用较广的强度理论，该理论是以莫尔应力圆为基础，所以在《材料力学》莫尔应力圆讲授中，教学要求要比其他专业高，讲清概念、讲透理论、多做练习，还可以结合《岩体力学》的分析实例进行进一步延伸拓展。
　　3、针对材料类专业
　　新材料的研制对未来社会发展起着重要的作用，随着科学技术的发展，各种新型材料层出不穷。根据专业特色，该类专业的学生在毕业设计阶段会设计各种新型材料，设计出的新型材料需要进行力学性能的测试，所以在讲授材料在拉伸压缩的力学性能时，授课教师既要讲解低碳钢、铸铁力学性能测定，更应重点介绍按国家标准规定的标准试样及非标准试样的加工制作要求，使学生通过掌握金属材料力学性能的测试而达到举一反三的目的。而且还应该提出常温静载实验的这些性能指标在高温、低温、动载荷下会发生怎样变化？你能举出多少应用实例？广泛应用于航空航天、交通、医疗等领域的复合材料、功能梯度材料、压电材料、压磁材料、形状记忆合金等智能材料的力学性能又如何呢？也可以就这样既开阔了学生的眼界留下了思考和发展空间，也使学生对后续专业课产生浓厚的兴趣和探知欲，使《材料力学》真正成为基础课与专业课的桥梁和纽带。
　　4、有针对性的引入现代力学分析手段
　　很多专业在工程实际中需要利用现代力学分析手段对工程中的结构、机构等进行力学分析。有限元分析软件ANSYS、ABAQUS和Marc等等也因其强大的计算能力和形象而细致的后处理方法得到了广泛应用。这些先进的分析工具也需要引入《材料力学》课堂。分析材料力学中涉及的内力、应力和变形问题，运用动画演示构件的变形，让学生观察变形和破坏形式，使学生对构件变形形式有感性认识，引导学生主动思考，并将应力、应变、位移云图等后处理结果展示给学生看，这样更有利于学生对知识的学习和掌握；利用应力云图可使圣维南原理与应力集中概念等难点内容变得容易理解。
　　经过近年来的以上教学改革实践，各个专业课老师和毕业设计的老师反映，学生能够很容易运用材料力学的知识分析专业课中的问题，在专业课学习中能做到很好的过度，很快的进行专业课的学习，接受专业知识的能力较以往有很大的提高。
　　四、总结
　　《材料力学》作为工科专业的一门重要的专业基础课，对学生的就业和考研深造都具有非常重要的作用。各位任课老师一定要具备很强的责任心，认真了解授课专业的特点，针对专业知识结构调整教学内容。这样可以使学生较早地接触到本专业的专业领域知识，提高对《材料力学》课程重要性的认识，从而达到一个较好的教学效果，进而培养其对知识的创新和应用能力，适应新时代下对工程技术高素质人才的要求。