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材料力学课程线上线下教学模式研究分析

2020-08-10 161 上传者：管理员

摘要：“材料力学”课程是高校理工科学生必修的专业课程，基于该课程教学中存在的问题，文章提出根据实际教学条件进行线上、线下混合教学模式探索。通过MOOC平台、腾讯会议等在线平台进行教学管理、理论教学与实验操作学习。在线教学过程中，弱化公式推导，配合适当的课程作业，帮助学生在结合“材料力学”理论与实验知识的基础上进行工程应用拓展。线下教学过程中，课程导入注意结合当前社会热点，重点知识辅助仿真教学，增加学生的感性认识。根据线上线下教学实际，创新考核方法，对学生的课程学习进行综合评价。结果表明，该混合教学模式创新突破了传统教学的平台和时间限制，增加了教学的灵活性，可以帮助教师对学生的课程学习进行全方位评估、提升学生解决实际工程问题的能力，为高校教师的课程教学提供一定的参考。

关键词：
MOOC平台
公式推导
力学
材料力学
线上线下混合教学模式
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“材料力学”课程是全国高等院校机械工程、土木建筑、车辆工程等专业的必修科目，根据国家对本科教育和人才培养的整改优化，国内高校对“材料力学”课程的教学课时做出相应调整[1]。“材料力学”课程因内容较抽象、研究问题较繁琐，因此对于基础较薄弱、理解能力较差的学生学习该课程会更加困难[2]。近年我国高校结合现代化社会的发展需求制定更人性化的培养计划，探索新的教学模式与科研实践平台[3]。王笛[4]等针对“材料力学”课程教学，将课堂教学与慕课平台有效结合，为学生提供在线学习方式。范建辉[5]将SPOC教学模式应用于“材料力学”课程，将教学模式转变为翻转课堂。周双喜等[6]采用CDIO-OBE工程教育模式对“材料力学”课程进行教学探索，对学生进行逆向式培养，为学生提供创新开放性的实验平台，提高学生的工程运用能力和创新实践能力。

“材料力学”课程主要针对柔性杆件变形体因拉伸压缩、剪切挤压、弯曲、扭转四种变形产生的一系列问题进行论述[7]。该课程教学存在问题有：课程导入抽象，课程内容难以理解[8]；教学方式单一，课堂教学枯燥；讲解例题难度较低，学生面对难题无从下手；考核方式固定，学生形成惯性思维，期末考试前突击复习应付考试。国内许多高校对实验教学环节的重视程度不够，学生的课程实验技能较差[9]。实验教学存在的问题：实验器材缺乏，因实验设备不齐全或者设备存在故障，无法保证每位学生都能进行实验操作；实验内容单一，教师只根据教学大纲进行实验教学，缺乏综合性与探索性的工程实验[10]。基于该课程的教学现状，针对现阶段国内疫情防控对教学活动的影响，本文探索将线上教学与线下教学相结合应用到课程教学中。

1、线下教学

1.1 以社会热点问题导入新课

教师在新课教学时往往会忽略新课导入，课程导入要求教师根据新课内容加入相关的人文背景，或者引入实事案例。例如，武汉疫情爆发期间，方舱医院建设是一个热点问题，在建设方舱医院时，需要考虑梁在自身均布载荷以及负载集中载荷作用下的弯曲扭转变形，根据材料以及尺寸校核部件的强度与刚度，保障工程应用的安全性与可靠性，因此，与此相关的理论知识点授课时，可以导入新课。现有一外径D=50mm，内径d=40mm的钢管，两端铰支，材料为Q235钢，承受轴向压力F，求解能用欧拉公式时压杆的最小长度以及当压杆为上述长度的3/4时压杆的临界应力（已知E=200GPa,σP=200MPa,σs=240MPa，用直线公式时a=304MPa,b=1.12MPa）。

应用欧拉公式时压杆的最小长度为：

当压杆长度为3/4倍的lmin时，即l=1.2m，则有：

用直线公式计算临界应力为：

通过上述计算得知Q235材料的钢管在特定大小和特殊条件下的长度要求以及临界应力，帮助建筑施工在保障工程安全的前提下节省材料。教师以热点问题为背景，将课程内容具象化为以简单计算题带领学生认识材料力学课程的重要性，以实际工程问题为导向，激发学生对课程的求知探索兴趣。

1.2 课堂教学中适合了入仿真教学

线下课堂教学时，教师要善于运用互联网资源，利用多媒体视频帮助学生理解材料力学中的动态变化，并利用模型教具进行实体演示。结合“材料力学”教学内容，教师需要合理分配课堂时间，弱化公式推导，强化例题讲解，包括教材简单例题、课后习题、竞赛习题以及热点工程问题，其中与“材料力学”专业相关的竞赛是全国大学生周培源力学竞赛[11]。教师可以根据科研项目适当开展研讨课，让学生能从科研角度灵活运用“材料力学”课程知识。同时，教师可采用ANSYS软件对构件变形过程进行教学展示，帮助学生从模拟仿真的变化效果深入理解材料的强度、刚度以及稳定性问题等[5]。

例如“材料力学”中分析在外力作用下构件的应力变化趋势，教师可以借助ANSYS软件进行模拟仿真。图1为某支架零件结构中间圆孔能够绕着中间轴转动，面1完全固定，面2受到一个与该面垂直、方向向下的载荷力F，大小为200N。假设零件工作时承受最大应力为10MPa，分析其应力和位移变形情况，校核零件强度。

图1某支架零件结构示意图

根据已知条件，通过三维建模并导入ANSYS中划分网格，设置相关材料参数，添加相应的约束与载荷条件，最后求解并查看变形结果如图2所示。

图2ANSYS分析结果

教师通过多媒体展示ANSYS仿真分析结果，让学生不仅可以观察支架零件动态变化，还通过变形区域得知最小应力为0.0045838MPa，最大应力为13.689MPa，最大位移变形为0.06672mm，由最大应力大于假设的最大应力，确定零件强度在该工况下不能安全工作。

2、线上教学

当前因疫情等客观因素导致教师无法进行线下课堂教学时，师生在家可利用慕课平台开展线上教学活动，充分利用网络资源扩充学生的在线学习功能。

(1）线上管理。教师开展线上教学活动时，可在线上平台对学生进行签到点名，图3(a）为慕课堂的学生出勤管理界面，教师可以实时了解班级学生的出勤、迟到以及缺勤人数名单。由于线上教学无法保证教师与学生进行面对面交流讨论，因此教师可以根据班级人数对学生进行适当分组，如图3(b）所示，学生根据自己的组别在线上教学平台的讨论区进行学习讨论，教师帮助学生进行答疑解惑，让学生对自己所学内容进一步查漏补缺。

(2）线上教学。教师进行线上语音教学时，可以通过播放幻灯片和视频的方式进行教学演示，在线上课堂提出问题后，学生可以通过线上平台的举手选项来回答教师提出的问题。由于线上教学时间有限，教师在课堂教学时可以弱化“材料力学”课程公式的推导论证，将更多的课堂时间用于经典例题和竞赛例题的讲解，并指导学生利用网络视频学习“材料力学”中复杂公式的推导论证。

图3线上平台管理

(3）实验视频学习。“材料力学”课程的基本实验：低碳钢与铸铁两种材料的拉伸与压缩破坏实验（测定低碳钢的弹性模量）、低碳钢与铸铁两种材料的扭转破坏实验（测定低碳钢的剪切弹性模量）、梁弯曲正应力实验（电测法）、弯曲与扭转组合变形实验、压杆稳定实验以及冲击疲劳演示实验。考虑到一些高校缺乏实验设备，故学生可在慕课平台观看实验视频，利用网络资源理解掌握“材料力学”实验的操作流程，图4为MOOC实验教学视频示意图。

图4MOOC平台实验学习

学生可以利用MOOC平台学习实验原理，掌握课程知识和基本实验要点。教师在线下实验课堂结合学校实验设备的实际情况，合理安排学生的实验课程，通过线上线下相结合，让学生快速熟悉实验的主要操作流程与注意事项，更好地完成实验教学内容。

(4）线上测试。学生在网络平台学习情况，教师可在慕课平台进行查询。教师可以组织学生在慕课平台进行网上测验，图5为学生线上测试示意图。

教师根据课程单元测试结果，可以清楚地把握班级每个学生对于知识点的实际掌握程度，采用线上测试的方式可以使学生不受考试时间和考试场地的限制，帮助学生及时了解课程学习中的不足，对自己掌握薄弱的知识点进一步加强巩固。

图5线上测试示意图

3、课程作业

“材料力学”课程的作业包含三个方面：（1）课后习题，相关竞赛习题，例如全国大学生周培源力学竞赛习题；（2）根据教师科研课题布置建模仿真作业，例如在研究机构静态应力变形或动态变形时可指导学生进行ANSYS静力学或者Adams动力学仿真，设置不同的求解参数，让学生通过建模作业将理论计算与软件分析相结合，提高学生的综合应用能力；（3）结合本校建筑设施特点，将学生分组负责校园建筑的实地考察，利用测量工具进行数据采集，结合理论建模与仿真求解，完成实际工程的力学分析。

图6中紫色折线为三届学生的平时成绩记录，教师根据学生平时表现以及作业完成质量进行打分，根据图中所示，学生的平时成绩呈上升趋势，班级平时成绩的平均分由81.48上升至87.03，其中90分以上学生比例由25.7%增长至34.3%，且80分以下学生比例由40%下降至8.5%。

教师结合科研项目指导学生以自身课题内容为框架，进行相关实验验证与分析，并根据学生的实际掌握情况，引导学生进行探索性实验，利用网络资源和校园场地，设计开展探索性实验，将“材料力学”课程应用到实际生活中，图6中蓝色折线则是三届学生的实验成绩分布。图中显示学生的课程实验成绩整体呈上升趋势，学生平均分由81.08上升到85.31，其中90分以上的学生比例由8.6%增长到34.3%。

图6中绿色折线为三届学生的期末考试成绩分布情况，学生的期末考试成绩总体水平呈上升趋势，班级期末考试平均分由65.57上升至77.77，其中90分以上学生比例由5.7%增长至25.7%，不及格学生比例由34.28%下降至14.2%。

图6三届机械专业学生各项成绩示意图

4、综合考核

考试是检验学生对课程知识的掌握程度，因此针对学生进行的课程考核内容应全方位、多角度。结合线上线下混合教学实际，创新考核方式：（1）课堂出勤率，教师对于学生的出勤率考核可以根据理论课堂以及实验课堂的点名或者签到记录进行综合评价；（2）作业考核，根据四类作业：课后作业、课题作业、建模作业以及校园作业对学生的完成情况进行考核计分；（3）期中考核，教师根据自己的实际教学进度在学期中期阶段进行期中考试，记录每位学生小测验的得分情况；（4）期末考核，学期课程结束后，教师可将学生的期末考试得分作为期末总分的重点考核对象；（5）实验考核，教师需要根据所在学校的实验设备条件以及相应的实验教学安排来对学生的实验完成情况进行综合评价。这5个方面的考核权重分别为：课堂出勤率10%，作业考核20%，期中考核5%，期末考核50%，实验考核15%。综合以上5个考核方面的权重进行综合考核计分，结合每位学生的课程掌握程度做出综合评估并给出相应的期末总成绩。

5、结论

综上所述，本文分析了“材料力学”课程教学过程中存在的问题，通过线上教学平台选择和智慧教学模式的探索，让理工类的学生能够更加深入理解“材料力学”课程的重要性及工程应用价值。教师根据实际教学条件进行线上、线下混合教学，指导学生利用MOOC平台学习理论推导和实验操作，通过作业创新以及考核创新对学生进行课程教育和全面考核，让学生在结合“材料力学”理论知识与实验知识的基础上进行工程应用拓展，不仅帮助教师对学生的课程学习情况进行全方位评估，更是帮助学生提升解决实际问题的能力和学术研究的综合素养。

参考文献：

[1]郭晖.“材料力学”课程的翻转课堂实践探究[J].教育时空,2019(8):96,98.

[2]王丽娟,谢涛.《材料力学》课程教学改革的探讨[J].才智,2018(25):82.

[3]熊琴琴,迟洪忠.《材料力学性能》课程教学探索[J].广州化工,2018,46(13):141-142.

[4]王笛,李杰如.《材料力学》慕课平台建设探索与研究[J].现代教育技术,2018(1):27.

[5]范建辉.SPOC教学模式在《材料力学》课程中的应用研究[J].教育时空,2019(17):97,99.

[6]周双喜,韩震,黄强.CDIO-OBE工程教育模式的材料力学实践教学研究与探索[J].实验室研究与探索,2018,37(8):176-179.

[7]肖新科,赵冰,吴帅涛.材料力学课程教学方法的实践[J].课程教育研究,2016(28):218.

[8]姚胜卫,倪维宇.材料力学实验教学方法的研究与创新[J].教育教学论坛,2019(15):279-280.

[9]赵辛,王勇,刘华新.材料力学实验的开放性探究[J].辽宁工业大学学报(社会科学版),2018,20(5):124-126.

[10]刘俊丽,李俊峰.全国周培源大学生力学竞赛发展历程[J].力学与实践,2019,41(3):357-365.

[11]许磊,黄菊.材料力学课堂教学与有限元方法融合的探讨研究[J].中国现代教育装备,2019(13):77-80.

袁圆.材料力学课程的线上线下教学模式探索[J].安庆师范大学学报(自然科学版),2020,26(03):96-101.

基金:安庆师范大学质量工程校级重点教研项目(2019aqnujyxm11).

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期刊名称：力学学报

期刊人气：2503

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主办单位：中国科学院力学研究所

出版地方：北京

专业分类：科学

国际刊号：0459-1879

国内刊号：11-2062/O3

邮发代号： 2-814

创刊时间：1957年

发行周期：双月刊

期刊开本：大16开

见刊时间：一年半以上

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