原创《基于数值分析和热点工程案例的材料力学探究式教学方法》
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【摘
要】为了缓解材料力学某些关键知识点难以理解的窘境,实现教学知识传授和能力培养的双重目标,提出了基于数值分析和工程案例的材料力学探究式教学方法,并展示了整个完整的实施过程.通过数值试验将抽象的力学概念利用图形和动画直观地展示给学生,加深学生对材料力学关键知识点的认识和理解；通过设计合理的热点专业工程案例,利用相关的材料力学理论解决工程问题,促进学生对材料力学理论体系的掌握,实现材料力学的专业落地.该教学方法对激发学生的学习自主性、提高学习效果具有一定的推动作用.
【关键词】材料力学；数值分析；工程案例；探究式教学
【基金项目】本文系中国矿业大学（北京）本科教育教学改革与研究项目“课程建设与教学改革”“结合工程案例的材料力学探究式教学方法研究”（编号：J170604）的研究成果.
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1671-0568（2017）29-0052-03
探究式教学法由约翰·杜威提出,又被称为研究性教学法,是指在教学中教师给学生提供一些学科领域或现实生活中的相关主题,架构类似于学术研究的情境,学生通过独立自主地发现问题、解决问题、总结交流等探索活动,掌握相应的原理和结论,并培养发展探索精神与创新能力的一种方法.探究式教学法以“教师为主导,学生为主体”为教学理念,主要包括以下步骤：①创设情境,激发自主探究；②开放课堂,发觉自主探究潜能；③适时点拨,诱导探究的方向；④课堂合作探究,训练自主学习的能力；⑤课后留创新作业,激励学生自主学习.通过以上基本步骤,实现让学生学习知识的同时也掌握科学研究的过程或方法的目的.
与其他教学方法相比,探究式教学方法具有以下特征内涵：①教师提出问题,学生在原有的知识基础上不断探索发现新知识,主动思考解决问题,充分发挥学生的主观能动性,培养学生的创新能力和解决实际问题的能力；②面向范围广,学生参与度高；③以合作探究方式进行,增强学生的团队合作意识；④教学组织灵活,充分考虑学生的个性发展,实现因材施教；⑤课程结构是多学科相互渗透与综合,扩展了学生的知识面；⑥在传统与继承的基础上,教学内容适应科技发展新潮流,吸收当今科技发展的新成果,扩展了学生视野；⑦强调使用研究法、发现法等教学方法,实现了多种教学方法的优化组合.
材料力学是工科专业非常重要的基础课,具有理论性强、实践性弱的特征,部分理论概念及推导过程学生难以建立直观认识.另外,材料力学教学大纲也明确了“在传授学生力学基本概念和理论同时,还要尽可能培养学生分析和解决实际问题的能力”.针对材料力学教学面临的难点和任务,借鉴探究式教学方法,引入数值试验和热点专业工程案例相结合的教学手段,解决材料力学教学中存在的窘境.
一、材料力学探究式教学方法实施内容和步骤
图1（P53）为综合数值分析和工程案例的材料力学探究式教学方法内容及步骤.在该教学方法中包含以下3方面的关键内容：①建立材料力学试验单元体系.分析材料力学教学知识体系,提炼学生难以理解和掌握的教学难点与重点,设计数值试验单元,通过数值试验方法将抽象的力学概念形象化,提高学生对关键知识点的认识与理解；②构建学科领域热点案例库.根据教授材料力学的学生学科方向,收集关注度较高的专业工程案例,构建材料力学学科领域案例库；③热点学科领域案例探究式教学.以课后作业形式开展,首先学生根据自己的爱好选取感兴趣的案例并进行分组,然后教师提示学生解决问题所需要的相关知识,接着学生课后自行解决问题,最后学生汇报交流,教师进行归纳总结并点评.
二、材料力学探究式教学方法案例
本文以土木工程专业为授课对象,以材料力学中的弯曲和压缩（拉伸）组合变形为实例,示意材料力学探究式教学方法的具体实施.
1. 弯曲和拉伸（压缩）的定义及受力变形特征
首先回顾轴向拉伸（压缩）、弯曲的基本概念和变形特征,在此基础上讲解弯曲和拉伸（压缩）组合变形的概念：在外力作用下,构件同时产生弯矩和拉伸（压缩）变形的情况,并列举现实生活中的相关实例.构件的危险点位于危险截面的上边缘或下边缘处,分别处于受拉或受压状态.此时构件上的最大应力为：
?滓max等于■+■
（1）
2. 数值实验单元加深学生对知识点的认识与理解
以偏压短柱为实例,采用Abaqus软件分析偏压短柱在偏压荷载作用下的变形及应力分布规律,让学生建立弯曲和拉伸（压缩）组合变形的直观认识,从而加深对该知识点的理解和认识.
图2为偏压短柱加载示意及应力变化趋势图.图中偏心距为50mm,则受拉最外侧和受压最外侧的应力分别为：
?滓t max等于■-■等于■-■（2）
?滓c max等于■+■等于■+■（3）
式中ＦＮ为偏压荷载.数值分析分析表明,在偏心荷载的作用下,偏压短柱柱中截面一侧受拉（图2中左侧红外部分）,一侧受压（图2中右侧）,为典型的弯矩和压缩作用下的组合变形模式.另外,给学生深入介绍：随着偏压荷载的增大,柱中截面的最大拉应力和最大压应力均增大,但受压区逐渐减小,受拉区逐渐增大.授课讲解中,将数值模拟所得到的应力、应变和变形等结果以动画形式呈现给学生,加深对弯矩和压缩组合变形的理解.
3. 热点学科领域案例探究式教学
目前,我国已经成为世界上隧道工程数量最多、最复杂、发展最快的国家.这些隧道普遍采用新奥法设计施工技术,结构的主流形式是以锚喷支护作为初期支护,以模筑混凝土作为二次永久衬砌的复合衬砌结构.然而,由于隧道是修建在地下岩土介质中的半隐蔽工程,而且我国隧道是在不同时期、不同地质条件和不同技术水平下修建的,经过多年运营,许多隧道已出现多种病害,其中裂缝是其中最主要的一种.因此,隧道衬砌裂缝的产生机理及加固治理成了隧道及地下建筑工程专业学科的一个研究热点.探究式教学方法按照以下步骤实施：
（1）专业案例：隧道在松弛地压作用下,隧道衬砌顶拱的裂缝分布及成因分.
（2）知识点提示：弯曲和压缩（拉伸）组合变形；松弛地压（现场实例及作用模式分别见图3中的a和b）；截面受力分析；Abaqus扩展有限元分析.
（3）学生分组及课后自行探究完成,学生汇总交流；
（4）教师归纳点评,讲解.
顶拱微端受力分析：
取隧道顶拱受拉微段进行受力分析见图4（P53）.在外荷载作用下,衬砌顶拱部位内表面受拉,外表面受压.根据平截面假设,由图4（P53）可知,衬砌内侧表面应力与截面内力满足如下关系：
?滓t 等于■-■（3）
式中：?滓t 为衬砌内表面混凝土应力；ＷＺ为截面抗弯系数；Ａ为横截面面积；M1（?兹）,N1（?兹）分别为截面所承受的弯矩和轴力.当?滓t 超过混凝土的抗拉强度时,衬砌顶拱内表面开始产生裂缝,并随着松弛地压的增大,逐渐内部扩展.
裂缝产生、扩展过程动画演示：
图5为在不同范围松弛地压作用下的衬砌裂缝分布及破坏图.从分析结果可知,在松弛地压的作用下,衬砌拱顶内表面首先发育一条主裂缝,随着荷载的增大,接着在拱肩外表面两侧分别发育一条主裂缝.除此之外,在衬砌拱肩部位内表面两侧分别存在一处受压集中区,并随着松弛压力作用范围的增大受压集中效应越明显.最后给学生展示裂缝扩展过程的动画演示,结合受力分析进一步巩固学生对弯曲和压缩组合变形的理解.
为了缓解材料力学关键知识点难以理解的窘境,实现教学的知识传授和能力培养双重目标,本文提出了基于数值分析和工程案例的材料力学探究式教学方法,并展示了整个完整的实施过程.通过该教学方法,可以提高学生学习的自主性和积极性,培养学生学以致用的能力和自主思考式的学习习惯,使学生形成探索问题、提炼问题、解决问题的认识体系,达到专业基础课的教学目的.在实践教学中,学生主观能动性的发挥程度和教学成果的有效评价也需要进一步探讨分析.
参考文献：
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（编辑：秦俊嫄）
探究式教学论文参考资料：
此文总结:此文是关于探究式教学方面的大学硕士和本科毕业论文以及材料力学和数值分析和热点工程案例相关探究式教学论文开题报告范文和职称论文写作参考文献资料。
