摘 要：材料力学是机械、土木、材料等传统工学的一门专业基础课。针对目前材料力学课程教学的现状以及存在的问题，本文分析了材料力学课程的知识体系及其同课程教学目标的联系，提出了材料力学课程内容的模块化教学改革方案，并且详细地阐述了材料力学课程内容模块化教学的具体内容，分析了各模块之间的联系和该模块化教学改革的优点，及对材料力学课程教学的促进作用。通过材料力学课程内容模块教学改革，强化了对比，突出了规律性，且和工程实践衔接更紧密。
关键词：模块化教学；
知识体系；
材料力学
中图分类号：G642 文献标识码：A
Research on Modular Teaching Reform
of Material Mechanics Course Content
Hua Shaozhen
School of Mechanical Engineering，Henan Institute of Technology HenanXinxiang 453003
Abstract：Mechanics of Materials is a professional foundation course of mechanical engineering，civil engineering，materials engineering and other traditional engineering.In view of the current situation and problems of the teaching of Mechanics of Materials，this paper analyses the knowledge system of Mechanics of Materials and its connection with the teaching objectives of the course，and proposes a modular teaching reform plan for the content of Mechanics of Materials.It also elaborates on the specific contents of the mechanics of materials course，analyses the connection between the new and traditional teaching content，as well as the promotion effect on the teaching of the mechanics of materials course.Through the teaching reform of the mechanics of materials course，the contrast is strengthened，the regularity is highlighted，and the connection is closer to engineering practice.
Keywords：modular teaching；
knowledge system；
material mechanics
1 概述
材料力學主要研究杆件在受到外力作用后的力学性能，是一些如土木、建筑、车辆、材料、机械等传统工科的专业基础课，对学生专业能力以及创新能力培养方面起到重要作用。材料力学属于专业基础课，连接了高等数学、线性代数等基础课和后续专业课程，起到承上启下的作用。材料力学课程的特点是具有实践应用性与较强的抽象性和理论性。较强的抽象性使得学生难以将工程问题同材料力学课程相联系，无法用书本知识解决工程实践问题。彭雅轩［1］认为在新工科背景下材料力学课程改革应该向工程教育发展，以培养工程类专业人才的科学思维能力及创新能力为改革导向。基于材料力学课程教学的这一现状，宋瑞雪等［2］等提出了基于工程应用的材料力学课程教学，将材料力学课程和工程实践相结合，以培养工程应用复合型人才为目标。花少震等［3］将材料力学课程理论教学中引入工程实践案例，用CAE分析将理论和实践相联系，用案例分析验证理论。张波等［4］提出了“互联网+科研”的材料力学课程教学改革，通过引入工程实例，阐释材料力学的相关概念和原理，从而提高教学效果。
材料力学课程较强的理论性，对学生的数学功底以及逻辑思维能力提出了较高的要求。课程概念多、推导烦琐、易混知识点多使得传统知识体系教学中面临学生学习积极性不高、主动性不强、知识点理解不深入等问题。杨磊等［5］通过教学创新，引导学生主动思考材料力学课程，体会课程知识价值所在。郭春霞等［6］将BOPPPS教学模式引入材料力学课程教学，将讲授式教学转变为交互式，提高学生学习的参与度。尽管目前对材料力学课程较强的抽象性和理论性有一些教学方法或模式的探索，但是目前仍然缺少有效改进措施。针对材料力学教学中存在的这些问题，本文深入剖析当前材料力学课程教学知识体系，探寻材料力学课程内容模块化教学，提高学生学习材料力学的积极性，强化学生对材料力学课程内容的理解。
2 材料力学课程内容教学体系
材料力学课程主要研究杆件在受到外力后的承载能力。外力包括力与力偶，根据外力种类和方向不同，可把杆件受到外力后的基本变形总结为轴向拉压、剪切、圆轴扭转、弯曲四种形式。杆件受到两种以上变形称为组合变形，但是其研究方法和基本变形相同。此外，材料力学课程还涉及压杆稳定、应力状态分析等，但是大量的篇幅集中在基本变形分析。对于每一种基本变形，首先分析其受力，然后利用截面法求截面内力，绘制内力图。通过内力图确定危险截面及其内力，然后根据内力求解应力、应变与变形。最终通过最大应力、最大变形进行杆件的强度、刚度分析，确定其承载能力。
所以可以将基本变形的研究顺序总结为：受力分析→绘制内力图→确定危险截面→求解最大应力或变形→强度或刚度分析，对于每种基本变形，都遵循以上相同的五步骤。在第一步受力分析中，需要用到理论力学中静力学知识，通过列平衡方程，求解杆件受到的约束力，最终确定杆件受到的外力分析图。第二步则需要绘制内力图，内力图的绘制需要用截面法求得相应截面上的内力。截面法需要依次进行“截开→代替→平衡”三个步骤求得对应截面上的内力。第三、四步则需要利用相应计算公式，计算出危险截面上的最大正应力或切应力。第五步将最大应力或最大变形和许用应力或需用应变进行比较分析，通过刚度条件或强度条件，即可确定杆件的承载能力。
综上分析可得，每种基本变形所遵循的研究步骤、研究方法、研究内容均相同，例如在绘制内力图时均需要用到截面法。而目前材料力学的教学体系中，均是按照一种基本变形接另一种基本变形依次讲解，即对于每种基本变形均需重复上文提到的基本变形研究的五个步骤。这种材料力学知识教学体系的好处是通过多次讲解，能突出重点，加深学生对该种方法的印象。但是，这种不同知识点运用同种方法解决问题易使学生产生混淆，也不利于学对比归纳总结，而且多次讲解相同方法会对学生学习新知识的积极性产生消极影响。此外，这种教学体系适合多学时课程，对于少学时的材料力学，则需要进行教学内容改革以实现教学目标。因此，必须探索一种新的材料力学教学内容体系，以适应少学时材料力学课程。
3 材料力学课程内容模块化教学改革的内容
上节探讨了当下材料力学课程教学内容体系，分析了该体系下的优点和存在的问题。针对存在的问题，本节旨在不改变材料力学课程内容的前提下，探讨一种新的材料力学课程教学体系，通过调整材料力学课程内容模块，以适应少学时的材料力学课程，并且改善当下教学体系中的问题。
传統的材料力学课程教学体系以基本变形为大章节，每一种基本变形均沿着“外力→内力→应力→变形→强度→刚度”的顺序讲解。所以对于四种基本变形，则内力求解、应力应变求方法求解了四次，强度或刚度分析了四次。杆件基本变形不同，内力和应力也有很大区别，例如轴向拉压的内力为轴力，而圆轴扭转的内力为扭矩，两个内力的差别很大。材料力学学传统教学模块由杆件变形为主导，总结如图1。本文探索一种新的模块化教学，如图2所示，即材料力学课程改革后教学模块以内力、应力、变形、强度、刚度、稳定性为主导。和传统教学以杆件变形为模块相比，改革后以受力后所需要求解物理量为模块，在每一个模块下分别分析杆件各种基本变形和组合变形下所需要求解的物理量，即将杆件每种变形的同一概念放在同一个模块下学习。这样相比较材料力学课程传统教学内容模块，极大地减少了讲解同一概念的次数，而且更为重要的是，将不同杆件变形的同一元素放在同一模块下，更利于学生对比分析，找出共性和区别，以达到深层次的理解和记忆，从而提高学习效率。
4 材料力学课程内容模块化教学改革的优点
上文提出了材料力学课程改革后教学模块，如图2。相比较材料力学课程传统教学内容模块（见图1），材料力学课程教学改革后具有以下优点：
4.1 满足少学时材料力学课程
为了适应新一轮科技革命和产业变革，根据国家发展需求，教育部推进了新工科建设，深化工科专业综合改革，发展新兴工科专业。这些新兴工科专业具有较强的交叉学科属性，例如智能制造工程专业，要求具有机械工程、电气、计算机等学科的专业知识背景。和传统的工科专业相比，这些新兴工科专业要求具有一定的材料力学知识背景，但是对其深度和广度的要求要小于传统工科专业，所以在课时安排上这些新兴工科专业材料力学课时安排较少。以河南工学院智能制造工程专业和机械设计及其自动化专业为例，智能制造工程专业的材料力学理论课时安排为32课时，而机械设计及其自动化专业的材料力学理论课时安排为56课时，二者课时相差非常大，所以如果按照传统教学内容模块授课，多课时的材料力学课程可能影响不大，但是少课时材料力学课程则会给教师的授课以及学生的学习带来一定的挑战。教师忙于推进课程进度，学生疲于接受新知识。而改革后的材料力学课程教学减少了重复方法、重复内容的讲解，一定程度上缓解了这种赶进度式的教学和应接不暇地灌输新知识的模式，从而更加有利于精讲精练，达到教学效果。
4.2 强化对比，突出规律
改革后的材料力学课程教学模块不改变教学大纲内容，但是和传统的教学内容模块相比，强化了对比，突出了规律性，更加有利于学生理解。传统以杆件变形为模块，然后依“外力→内力→应力→变形→强度→刚度”次序讲解，讲解两个模块的同一元素之间时间间隔长，在后一个模块讲解时，可能对前一个模块下的元素有遗忘或理解不深入的情况，此时则会阻碍学生的理解，产生困惑甚至分歧，从而影响教学效果。例如，轴向拉压杆横截面上的应力为正应力，扭转圆轴上应力为切应力，如果在轴向拉压模块下学生不能理解正应力和切应力的区别，则在圆轴扭转横截面上切应力求解时需要重复讲解正应力和切应力的区别，而且需要再次讲解为什么轴向拉压杆横截面上是正应力，圆轴扭转横截面上是切应力。但是，改革后的材料力学教学模块以杆件变形的概念为模块，将多种杆件变形的同一概念放在一起讲解，既能区分同一概念在不同变形下的区别和联系，还能凸显规律，更加有利于理解和记忆。例如，对于实心圆形截面（直径为D）杆件的扭转变形和弯曲变形，在求解应力时需要涉及惯性矩Iz=πD4/64和极惯性矩Ip=πD4/32，在改革后的教学模块下即可将二者放在一起讲授，通过定义的对比、推导的分析，以及结论的探讨，强化了学生的理解与记忆，从而实现了教学目标。
4.3 更加有利于和工程实践接轨
传统的教学模块以杆件简单变形为主导，但是在实际工程实践中面临的往往是复杂变形，使学生遇到工程实际问题时，难以将复杂问题和材料力学杆件基本变形联系，甚至觉得材料力学课程不具有工程实践性。而改革后的材料力学课程教学内容模块以概念为模块，和实际工程问题接轨，无论是杆件简单的基本变形、组合变形，还是工程中的复杂变形，其面临的共性问题都是承载能力，都需要求解最大应力、最大变形等。所以，学生经历改革后的材料力学课程内容模块教学后，当其遇到工程问题时，即可联系到材料力学知识，无论是通过简化分析，还是联系材料力学知识进行问题深层次分析，都可以为工程复杂问题提供思路，提高对工程问题深层次的认知，从而促进工程问题的解决。
结语
传统材料力学课程内容以杆件基本变形为模块，存在对相同概念重复讲授的特点，而且和工程实践的联系不紧密。针对这些问题，本文提出了以内力、应力、变形、强度、刚度、稳定性为模块的教学内容体系，分析了改革后教学内容模块的优点，研究发现和传统教学内容模块相比，改革后教学内容模块突出知识点的对比，极具规律性，而且和工程实践衔接紧密，更加适用于新工科专业的材料力学课程教学需求。
参考文献：
［1］彭雅轩.新工科背景下材料力学课程教学改革探索［J］.科技视界，2019（32）：159160.
［2］宋瑞雪，张晓琴，吕超颖，等.基于工程应用的材料力学课程教学创新改革研究［J］.山西青年，2022（10）：2931.
［3］花少震，刘华博，段翠芳，等.新工科背景下材料力学课程理论与实践教学改革探讨［J］.教育现代化，2021，8（23）：6467。
［4］张波，蒋红.新工科背景下基于“互联网+科研”的材料力学课程教学改革［J］.西部素质教育，2021，7（23）：132133.
［5］杨磊，黄文，杨向龙，等.土木类本科专业材料力学课程教学创新探索与实践［J］.高教学刊，2022，8（32）：3538.
［6］郭春霞，董俊哲.新工科背景下BOPPPS教学模式在材料力学课程中的应用探究［J］.创新创业理论研究与实践，2022，5（13）：179181.
基金項目：河南工学院博士科研启动基金（KQ1857）
作者简介：花少震（1988— ），男，汉族，河南信阳人，工学博士，讲师，研究方向：计算力学。
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