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土木工程专业材料力学教学改革

发布日期:2020-03-01 23:31:31来源:土木工程网推荐:土木龙


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摘要:为提高土木工程专业材料力学的教学效果,针对教学过程中发现的一些问题,在教师队伍专业性,教学内容时效性、拓展性,教学手段结合性、细节性,教学方法灵活性,实验教学层次性,课程考核多样性六个方面作出了有益的探索和尝试。实践表明:这些教改措施增强了学生的学习兴趣、学习动力、动手能力、解决实际问题的能力,有利于土木工程专业材料力学教学质量的提高。

关键词:土木工程;材料力学;教学改革;教学内容;课程考核

引言

材料力学是固体力学中最早发展起来的一个分支。一般认为,1638年,意大利著名数学家、天文学家、理学家伽利略出版的名著《关于两门新科学的谈话和数学证明》标志着材料力学的开端。书中,首次提出了材料的力学性质和强度的计算方法。对于土木工程专业来说,材料力学是一门非常重要的专业基础课。其以解决材料的强度问题、刚度问题、稳定性问题为总纲,具有较强的理论性和实践性。

一、现状及存在的问题

目前,国内各高校土木工程专业多选用张如三、孙训方、刘鸿文主编的《材料力学》作为指定教材,或者选用在这三本《材料力学》基础上重新编写的教材。采用的课堂教学方法基本都是从简单的拉伸(压缩)、剪切、扭转和弯曲四种基本变形开始,然后归纳到一般的应力应变状态分析与强度理论、组合变形以及压杆稳定问题。在讲授完课堂相关理论知识后,由实验指导教师指导学生进行轴向拉伸、压缩以及平面弯曲等实验。总体上,土木工程专业的材料力学教学内容已经比较稳定,课堂学时一般在60~74个之间,实验学时一般在4~8个学时之间,学分在3.2~4.0分之间。针对材料力学的教改问题,很多同行进行了研究,也取得了一定的成果。但结合我们前些年的教学实践,也发现了一系列的问题,具体如下:

1.教师队伍缺乏专业性。材料力学是土木工程专业、机械类专业、信息类专业等很多工科专业都开设的一门专业基础课,因此很多学校(包括作者所在学校前些年)均统一安排基础学部的力学教师来讲授材料力学。从学校层面讲,这样安排节省了教学资源,便于统一管理。但弊端是基础学部的教师对土木工程专业缺乏深入的了解,不能将材料力学中的相关理论和实际土木工程相结合,这就导致了学生学到的知识仅限于书本上,不知究竟学到了什么,很难提升学习兴趣。

2.材料力学理论性较强,概念多,公式多,计算多,内容多,学生接受困难。材料力学章节多,内容多,各章之间连续性相对不强。本身理论性、抽象性又较强,很多概念,如应力、应变等,学生第一次接触,若采用传统的讲授式教学,不辅以必要的手段,在有限学时内,很难理解其本质,降低学生学习的主动性和积极性。

3.教材的发展相对落后于规范。目前,我国土木行业的规范体系中,如钢结构设计规范、混凝土结构设计规范等,除疲劳计算外,均基于近似概率极限状态设计法进行强度、稳定等校核,而材料力学中仍主要采用容许应力法,若完全按照教材讲解,学生所学知识与当前工程实践、新理论相差甚远,会误导学生。

4.实验教学流于形式、学生不重视。材料力学的实验基本是在课堂教学讲授完相关理论之后进行,相关实验基本为验证性实验,有些甚至仅由教师给学生演示一遍,学生仅需观看不需要自己动手验证,最后学生上交实验报告就算是完成了实验教学。实验教学沦为一种“形式主义”教学,不仅提高不了学生的兴趣,有时甚至被学生认为是耽误了有限的课堂教学时间。

二、材料力学教学改革建议

针对材料力学教学实践中发现的问题,经过实践,作者提出了一些针对性的建议,具体为:

1.教师队伍注重专业性建设。充分意识到教师在教学过程中的主导及组织作用,选择具有较高学术水平、丰富工程背景的土木工程专业教师讲授材料力学课程,这样教师可以实时地把材料力学教学内容与工程实践结合起来,比如材料力学中梁构件的支座可分为可动铰、固定铰、固定端支座,但我们工程中的主梁一般支承于柱上,次梁一般支承于主梁上,那工程中实际中的梁对应的支座又是那种呢?对于钢筋混凝土梁构件来说,当梁端部承受负弯矩,上部混凝土受拉开裂,如梁上部不配置纵向受拉钢筋,即可允许梁端发生转动,进而释放掉负弯矩,这样一般就可认为是固定铰;反之,若梁端上部配置了足够多的纵向受拉钢筋,那计算时就可以简化为固定端。通过专业老师的讲授,使学生切实体会到材料力学和工程实践的密切关系,进而激发学习的兴趣。

2.教学内容注重时效性、拓展性建设。在对教学内容不做较大修改的前提下,教学时注重时效性,与现行相关规范作比较,如轴心受拉构件的强度计算公式,材料力学中基于容许应力法的表述为公式(1)、钢结构设计规范中基于近似概率极限状态设计法的表述为公式(2)。NAn≤[σ](1)NAn≤f(2)式中,N为构件受到的轴拉力;An为构件的净截面面积;[σ]为许用应力,Q235钢材一般取150~170MPa之间;f为钢材的抗拉强度设计值,Q235钢材一般取215MPa(板件厚度小于12mm)。从表面上看,公式(1)和公式(2)的区别仅为[σ]和f。但实际上公式(1)基于容许应力设计法,要求结构在标准荷载下产生应力不得超过材料的容许应力[σ](容许应力[σ]由材料的极限应力除以一个大于1的安全系数得到),因此可知,式(1)中的N是由标准荷载产生的轴拉力。近似概率极限状态设计法设计公式(2)是用荷载或荷载效应、材料性能和几何参数的标准值附以各种分项系数,对于不同重要性的结构,尚应考虑结构重要性系数,即式(2)中的N是由荷载设计值(荷载标准值乘以相应的荷载分项系数)产生的轴拉力,f是由材料强度标准值除以抗力分项系数得到。除注重教学内容与现行规范相结合外,教学过程中我们也强调力学知识的拓展性,即材料力学中的相关知识不仅在土木工程中应用,在生活中也有大量应用,诸如食品包装袋上预留一个小豁口、如何吃火腿肠、冬天水管为什么会被冰胀裂、撑杆跳运动员使用的撑杆的变化(由木杆、竹竿、金属杆等逐渐过渡到现在用的玻璃纤维杆)、香蕉球的力学原理、弹簧秤的力学原理等等,通过这些生活中的具体问题,使缺少工程实践的学生从生活案例中理解材料力学概念,让学生意识到材料力学就在我们身边,并逐步引导学生自己去发现材料力学在生活中的应用,进而提高学生的学习兴趣。

3.教学手段注重结合性、细节性建设。本文着重介绍的是作者采用多媒体课件教学时,认为应该注意的一些细节性问题。(1)多媒体课件形声、动画兼备,对于抽象的应力、应变、变形过程等更容易展示出来,学生也容易理解,但制作课件时要注意排版、字体大小、颜色等,最好多图片少汉字,能用动画表述不用文字描述。排版不宜过于花哨,否则会喧宾夺主,学生会把过多的注意力放在课件上,而不是教学内容上。(2)多媒体课件内容选择上,辐射面要广,不仅包含教材上的知识,尚应涵盖教材没有涉及到的知识。但除重点内容外,一般不必过于详细,否则学生会认为“课件”就是材料力学,降低他们主动学习的积极性。细节决定成败,一个好的多媒体课件可以让学生在愉悦中掌握知识,优化课堂教学,提高教学质量。

4.教学方法上注重灵活性建设。为改善传统的教师讲、学生听这种学生“被动学习”的教学方法,将“启发式学习”“学生自主学习”与传统的教学方法相结合,引导学生积极思考,增强了教与学的互动,使学生参与到教学活动中来,而不是被动地接受。“启发式学习”的核心是引导学生学习,结合材料力学每章节课程内容,教师在导课时都结合具体的工程案例或相关科研成果,首先让学生知道要学什么,相关的问题在哪?带着问题去学习,学完相关内容后,师生共同对问题进行归纳总结,加深学生对学习内容的理解。比如在讲解压杆稳定问题时,教师首先提出问题:仅长度不同的钢柱,其余均相同,哪个承载力会高一些呢?学生从生活常识的角度一般能知道短柱一般承载力会高一些,但不知道原因在哪儿。在讲解完压杆稳定问题后,学生就知道原因所在了。“学生自主学习”就是给学生站上讲台并充当教师角色的机会。材料力学课程安排中一般会有2~4个学时的机动课时,我们利用这几个学时的时间,让学生站上讲台,规定每个学生授课时间一般在8分钟左右,从授课章节、多媒体课件制作、素材收集等等全部由学生自主完成,在“学生教师”授课的过程中,教师充当学生,最后由教师进行点评。以前,教学过程中,我们一般把这几个学时安排成答疑,效果并不理想。基于此,我们把答疑全部改为课下进行,不占用课堂时间,把节约下来的课时用来给学生展示,这样提高了他们学习的主观能动性和在众人面前表达自己的能力,也让他们体会到了教师工作的辛苦。

5.实验教学注重层次性建设。针对之前实验教学的弊端,我们作了如下改进:(1)除实验室专门配备的教师外,要求材料力学授课教师全程参与实验教学。(2)将实验分层,第一层次为基础性实验,包括拉伸、压缩、平面弯曲实验。第二层次为综合性实验,可以由学生自拟题目或结合教师个人科研项目确定。(3)基础性实验教学过程中,授课教师首先把与实验有关的多媒体课件等相关素材提供给学生。进入实验室进行实验时,由实验室教师对授课教师事先提供给学生的素材(多媒体课件等)进行详细讲解,并预留下一些问题。因学生课下已经做好了预习,这样有效地节省了准备时间。为提高学生的动手能力,实验按每2~3人一组进行分组,撰写实验报告时,学生除需对实验数据进行整理分析外,尚需对实验室教师预留的问题进行解答。对实验过程中不懂的问题,也可以在实验报告上提出,最后由实验室教师汇总交给授课教师,由授课教师统一解答。同时,实验报告上必须注明小组每个人的分工。(4)综合性实验为选做性实验,可以是真实的物理性实验也可以是数值性实验,主要是针对学有余力的同学开展的。截至作者发稿前,学生自拟了轴向压杆稳定承载力的测定、焊接构件残余应力测量等多个实验项目;参与到教师的科研项目中的实验就更多了,诸如一些实际检测类的工程项目、实验室的科研试验项目等。6.课程考核注重多样性建设。课程考核过程中,摒弃了平时成绩+实验课程成绩+期末考试成绩加权计算总成绩、期末考试闭卷的传统作法。相关改进如下:(1)针对材料力学公式多、概念多的实际情况,考试时允许学生自备半张A4纸,半张A4纸单面(另一面空白)可以撰写自己认为重要的公式、概念等等,但只能自用不可互相传阅,考试结束时该半张A4纸写上姓名随同试卷上交。(2)减小主观性成绩在总成绩中所占比重,平时成绩主要依靠作业质量、出勤率等来确定,但仅占总成绩的10%;实验课程成绩分为A(优秀,对应90分及以上)、B(良好,对应80~90分)、C(中等,对应70~80分)、D(及格,对应60~70分)、E(不及格,对应60以下)五个等级,若实验成绩等级为E,则采用一票否决制,总成绩不合格;若等级为C或D,实验课程成绩占总成绩的30%;若等级为A或B,实验课程成绩占总成绩的20%。总体上,实验成绩越低,在总成绩中所占比重越大,就会导致总成绩越低,进而促进学生重视实验教学。

三、结束语

经过几轮的教学实践改革,针对我校土木工程专业材料力学的教学改革取得了初步成效,学生对材料力学的理解逐渐由一门抽象、难懂的“力学课”转变为土木工程专业的一门“专业基础课”,学生的学习兴趣、学习动力、动手能力、解决实际问题的能力大幅提高,学习过程中的参与感逐渐增强。但我们也意识到,材料力学教改工作是一项长期工程,需要我们顺应形势,进一步地探索和实践。

参考文献:

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[2]孙训方,方孝淑,关来泰.材料力学I[M].第5版.北京:高等教育出版社,2009.

[3]刘鸿文.材料力学I[M].第5版.北京:高等教育出版社,2011.

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[5]王涛,罗洪峰,王娟,等.材料力学教学改革的探索与实践[J].实验科学与技术,2016,14(3):116-118.

[6]闫冰洁.浅谈基于地方本科高校应用型人才培养的材料力学教学改革[J].大学教育,2015:144-146.

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[12]蒋持平.为明天的探索奠基―――北京航空航天大学材料力学精品课程建设[J].力学与实践,2006,28(4):73-75.

作者:于海丰 邹丹丹 张华

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