倪曉宇　劉英

摘 要：《材料力學(xué)》是工科學(xué)校土木、機(jī)械等專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，但由于材料力學(xué)理論的抽象、學(xué)時(shí)的短缺以及學(xué)生前期知識(shí)積累的差異等因素的存在，有必要在教學(xué)內(nèi)容、方法等方面進(jìn)行深入思考和探討，使學(xué)生能高效率地理解并掌握材料力學(xué)知識(shí)，同時(shí)也具有較高工程實(shí)踐應(yīng)用能力和良好的工程素質(zhì)。如何采用有效的教學(xué)手段去切實(shí)提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率，如何讓學(xué)生扎實(shí)地掌握課程基礎(chǔ)理論知識(shí)并將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到工程實(shí)際中去，是該文討論的主要方向。

關(guān)鍵詞：材料力學(xué) 工程應(yīng)用 實(shí)驗(yàn) 教學(xué)方法

中圖分類(lèi)號(hào)：TB301-4；G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）12（a）-0144-02

材料力學(xué)是機(jī)械、土木類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課之一，以桿、梁、軸等簡(jiǎn)單構(gòu)件作為研究?jī)?nèi)容，卻又是力學(xué)理論與工程實(shí)際問(wèn)題緊密結(jié)合的一門(mén)橋梁課程。但簡(jiǎn)單的概念介紹、理論推導(dǎo)以及脫離實(shí)際問(wèn)題的題目練習(xí)，已經(jīng)讓多數(shù)學(xué)生，尤其是工科成績(jī)不理想的學(xué)生感覺(jué)整個(gè)材料力學(xué)的學(xué)習(xí)過(guò)程十分枯燥；加之目前學(xué)校對(duì)各個(gè)專(zhuān)業(yè)課程的調(diào)整，材料力學(xué)學(xué)時(shí)縮短，課堂內(nèi)容較多且授課速度較快，而使得學(xué)生在枯燥無(wú)味的學(xué)習(xí)過(guò)程中失去了學(xué)習(xí)材料力學(xué)的興趣，久而久之，很多學(xué)生養(yǎng)成硬背公式等考前突擊來(lái)應(yīng)付考試的不良心理。然而，對(duì)于土木和機(jī)械專(zhuān)業(yè)的本科生來(lái)說(shuō)，材料力學(xué)是學(xué)好土木、機(jī)械工程其他相關(guān)課程以及培養(yǎng)較高工程素質(zhì)的前提條件。因此根據(jù)該課程的特點(diǎn)和教學(xué)對(duì)象的特點(diǎn)，改善教學(xué)方法，結(jié)合實(shí)際工程問(wèn)題，使學(xué)生能靈活高效、系統(tǒng)且創(chuàng)造性地學(xué)習(xí)。而如何采用有效的教學(xué)手段去切實(shí)提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率，如何讓學(xué)生扎實(shí)地掌握課程基礎(chǔ)理論知識(shí)并將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到工程實(shí)際中去，都是目前應(yīng)用型高校土木、機(jī)械類(lèi)工程專(zhuān)業(yè)材料力學(xué)課程教學(xué)改革中急需解決的問(wèn)題[1]。

1 教學(xué)方法的研究與思考

材料力學(xué)是一門(mén)理論性較強(qiáng)，但又是應(yīng)用于工程實(shí)際的基礎(chǔ)課程，要求授課的老師有很深的理論基礎(chǔ)，以及較為豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。授課時(shí)，既能將理論講活，又能培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手、分析和解決問(wèn)題的能力。因此，針對(duì)我們學(xué)校的材料力學(xué)課堂教學(xué)效果，以及針對(duì)我們學(xué)校的土木、機(jī)械專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，筆者認(rèn)為在目前的材料力學(xué)課程的教學(xué)過(guò)程中需要注重以下幾點(diǎn)。

1.1 重視課程的整體性與系統(tǒng)性

材料力學(xué)的整體性可以歸結(jié)為構(gòu)件的內(nèi)力、應(yīng)力和變形，而系統(tǒng)性則表現(xiàn)為桿件各種基本變形過(guò)程中內(nèi)力、應(yīng)力和變形的求解。若采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法，即每堂課都是按照課本上的內(nèi)容逐一講解，則會(huì)產(chǎn)生“照本宣科”的效果，無(wú)法體現(xiàn)出材料力學(xué)知識(shí)的整體性和系統(tǒng)性，學(xué)生學(xué)習(xí)會(huì)缺少主線，理解不透，學(xué)習(xí)積極性逐步削減，學(xué)生無(wú)法對(duì)知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)性學(xué)習(xí)，也無(wú)法對(duì)所學(xué)知識(shí)有整體性上的理解和掌握。因此，教師在教學(xué)方法上需注重課程的整體性和系統(tǒng)性，可以在縱向和橫向兩個(gè)方面來(lái)體現(xiàn)。

在縱向方向上，讓學(xué)生了解本科階段材料力學(xué)要處理的基本問(wèn)題和方法，引入內(nèi)力、應(yīng)力、應(yīng)變等基本概念，將各章節(jié)內(nèi)容的重點(diǎn)以及各章節(jié)內(nèi)容之間的內(nèi)在聯(lián)系明確處理，比如從簡(jiǎn)單的拉伸（正應(yīng)力——截面法向方向的應(yīng)力），扭轉(zhuǎn)（剪切應(yīng)力——截面切向方向的應(yīng)力），彎曲（軸向應(yīng)力和剪切應(yīng)力），橫截面上的應(yīng)力從一個(gè)方向變?yōu)閮蓚€(gè)方向，課程是由簡(jiǎn)入難的。在橫向方向上，讓學(xué)生了解材料力學(xué)包括兩大部分，一是材料的力學(xué)性能（或稱(chēng)機(jī)械性能）的研究，是固體力學(xué)其他分支的計(jì)算中必不可缺少的依據(jù)。另一部分是對(duì)桿件進(jìn)行力學(xué)分析，而桿件按受力和變形又可分為拉桿、壓桿、受彎曲（有時(shí)還應(yīng)考慮剪切）的梁和受扭轉(zhuǎn)的軸等幾大類(lèi)；桿中的內(nèi)力有軸力、剪力、彎矩和扭矩；桿的變形可分為伸長(zhǎng)、縮短、撓曲和扭轉(zhuǎn)。

但不管是橫向還是縱向，若體現(xiàn)出材料力學(xué)的整體性和系統(tǒng)性，學(xué)生則會(huì)在課程的開(kāi)始就意識(shí)到每個(gè)章節(jié)之間并非孤立的。后續(xù)的學(xué)習(xí)中，學(xué)生自然而然地會(huì)將所學(xué)內(nèi)容串聯(lián)起來(lái)，并找到材料力學(xué)的規(guī)律，體會(huì)知識(shí)的整體性和系統(tǒng)性，從而加深并鞏固所學(xué)的知識(shí)。

1.2 圍繞工程實(shí)例授課，強(qiáng)調(diào)課程的工程意義，培養(yǎng)學(xué)生工程意識(shí)

有興趣的學(xué)習(xí)心理可以讓學(xué)生更主動(dòng)、積極地完成學(xué)習(xí)，就可以擁有很高的學(xué)習(xí)效率。對(duì)于材料力學(xué)學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)，很大程度上取決于理論聯(lián)系實(shí)際。強(qiáng)調(diào)材料力學(xué)所具有的工程意義無(wú)疑是最佳途徑，但僅僅局限于課堂理論的教學(xué)模式，是無(wú)法真正體現(xiàn)材料力學(xué)工程應(yīng)用價(jià)值的。因此，在課程的前期，就需要讓學(xué)生在直觀上感受到課程的工程意義，才能很好地激發(fā)學(xué)生的好奇心，從而提升學(xué)習(xí)興趣。比如在講解緒論時(shí)就可提出類(lèi)似于“美國(guó)911事件中的世貿(mào)大廈被炸毀，整個(gè)建筑倒塌的根本原因是什么”或者“菲爾普斯的泳衣到底能否為他獲得游泳冠軍發(fā)揮了一定的力學(xué)作用”等涉及材料力學(xué)中關(guān)于材料性能的問(wèn)題。問(wèn)題的提出肯定能帶動(dòng)學(xué)生積極的思考，于是材料力學(xué)的相關(guān)研究?jī)?nèi)容便可在學(xué)生的積極思考中引出來(lái)。此外，問(wèn)和答的互動(dòng)也能活躍課堂氣氛，使學(xué)生的學(xué)習(xí)樂(lè)趣和興趣大大提高。

課程中期和后期同樣也需要較多的工程實(shí)例來(lái)支撐，并且需側(cè)重于工程實(shí)例問(wèn)題的分析和求解。授課過(guò)程中，讓學(xué)生直觀地看到實(shí)際的工程結(jié)構(gòu)及其受力狀態(tài)，再采取正確的方法和步驟，運(yùn)用材料力學(xué)知識(shí)一步一步且快速地對(duì)工程實(shí)例中的問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化、歸類(lèi)，獲得求解模型。綜合目的是指導(dǎo)學(xué)生從力學(xué)原理角度來(lái)完成實(shí)際工程問(wèn)題的分析與求解，讓學(xué)生真正懂得如何運(yùn)用相應(yīng)的理論知識(shí)解決工程問(wèn)題。當(dāng)然，整個(gè)過(guò)程中，需要突出工程意義，這對(duì)學(xué)生認(rèn)識(shí)力學(xué)學(xué)科的重要性具有較強(qiáng)的影響力。

除此之外，授課教師可以根據(jù)自己的科研項(xiàng)目，選取并設(shè)計(jì)多個(gè)完整的項(xiàng)目進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)，在課堂教學(xué)中把理論知識(shí)能夠較好地應(yīng)用于工程實(shí)際，充分挖掘?qū)W生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

1.3 適當(dāng)擴(kuò)充課程內(nèi)容，拓寬學(xué)生知識(shí)面，提升學(xué)習(xí)興趣

根據(jù)不同的專(zhuān)業(yè)方向，材料力學(xué)本科教學(xué)分為多學(xué)時(shí)和少學(xué)時(shí)課程。少學(xué)時(shí)的課程一般只講解桿件軸向拉伸壓縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲及壓桿穩(wěn)定等幾方面的內(nèi)容，而多學(xué)時(shí)的課程則是在少學(xué)時(shí)的基礎(chǔ)上，相應(yīng)增加能量法等內(nèi)容。針對(duì)多學(xué)時(shí)和特定專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，有必要對(duì)所授內(nèi)容在深度和廣度上同時(shí)擴(kuò)充。endprint

本科階段的材料力學(xué)研究的問(wèn)題都是在滿(mǎn)足幾個(gè)基本假設(shè)，材料在服從胡克定律的前提下求解線性問(wèn)題的，若桿件在多種外力共同作用下的變形（或內(nèi)力），可采用疊加原理來(lái)獲得最終結(jié)果，這是線性問(wèn)題。而類(lèi)似于訂書(shū)釘和釣魚(yú)竿等日常生活中很常見(jiàn)的非線性問(wèn)題則能引起學(xué)生更大的注意力，因此，在介紹線性問(wèn)題時(shí)，有必要對(duì)一些非線性問(wèn)題進(jìn)行解釋并給出簡(jiǎn)單的求解思路，即可提出幾何非線性問(wèn)題。于此同時(shí)，還可以進(jìn)一步引入物理非線性問(wèn)題（材料不服從胡克定律），并說(shuō)明在幾何和物理非線性問(wèn)題中，疊加原理失效，而解決這類(lèi)問(wèn)題可用卡氏第一定理、克羅蒂·恩蓋塞定理或單位載荷法等。從線性問(wèn)題深入到非線性問(wèn)題，能讓學(xué)生進(jìn)一步感知課程知識(shí)的完整性和系統(tǒng)性。

面對(duì)更多更復(fù)雜的工程問(wèn)題，無(wú)論是線性還是非線性，僅用書(shū)上的材料力學(xué)知識(shí)是無(wú)法滿(mǎn)足模型求解的，因此除了在深度上擴(kuò)展相關(guān)內(nèi)容外，授課教師仍需要在寬度方向上拓寬學(xué)生的知識(shí)面?？梢越栌糜邢拊治鲕浖?，讓學(xué)生從仿真的角度了解構(gòu)件變形規(guī)律，比如懸臂梁彎曲時(shí)的彎矩分布以及應(yīng)力分布規(guī)律。學(xué)生可以通過(guò)仿真分析結(jié)果更加深入地了解材料力學(xué)理論知識(shí)，更重要的則是能讓本科學(xué)生盡早接觸有限元等工程應(yīng)用軟件，了解有限元的簡(jiǎn)單理論，可以鞏固并延展其材料力學(xué)和數(shù)學(xué)等方面的知識(shí)，也能增強(qiáng)學(xué)生對(duì)工程問(wèn)題的求知欲。

對(duì)知識(shí)深度和寬度的擴(kuò)充也是讓學(xué)生能有更多的知識(shí)積累，能為他們的后續(xù)課程，如板殼力學(xué)、斷裂力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)等的深入學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)也能為解決實(shí)際問(wèn)題提供他們前所未知的技術(shù)方法，如ANSYS、LS—DYNA、MATLAB等數(shù)學(xué)仿真軟件。

除此之外，積極鼓勵(lì)學(xué)生參加材料力學(xué)競(jìng)賽，如全國(guó)周培源大學(xué)生力學(xué)競(jìng)賽以及基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽等，而知識(shí)的擴(kuò)展則能幫助學(xué)生提升在力學(xué)競(jìng)賽中的自信，反之，競(jìng)賽也能促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)力學(xué)的興趣，培養(yǎng)分析、解決實(shí)際問(wèn)題的能力，并充分展示學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)和思維能力，對(duì)培養(yǎng)應(yīng)用型人才和研究創(chuàng)造型人才將十分有益。

1.4 發(fā)揮實(shí)驗(yàn)作用，充分保證教學(xué)效果

材料力學(xué)的學(xué)習(xí)方法是理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，因此，實(shí)驗(yàn)課是不可或缺的。通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)的結(jié)合，讓學(xué)生知道實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證理論的重要手段，授課教師需要充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)課的效果，在增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力的同時(shí)，更好地理解理論知識(shí)。除此之外，授課教師還可以設(shè)計(jì)多種不同的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生通過(guò)不同的實(shí)驗(yàn)方案，獲得成功解決實(shí)際問(wèn)題的思路和方法，能夠增強(qiáng)學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)和解決問(wèn)題的能力。

授課老師也可以利用虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)教學(xué)交互，滿(mǎn)足學(xué)生與媒體界面操作的交互、學(xué)生與教學(xué)內(nèi)容的交互，讓課堂教學(xué)更為豐富和靈活。與此同時(shí)，學(xué)生在不受時(shí)間、地點(diǎn)以及實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備等限制條件下進(jìn)行個(gè)性化學(xué)習(xí)，則能自主制定學(xué)習(xí)進(jìn)程，發(fā)揮主觀能動(dòng)性[2]，能與真實(shí)實(shí)驗(yàn)一樣鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力以及培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立性，從而提高學(xué)習(xí)效率，并促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)造力的發(fā)展。例如：每個(gè)學(xué)生都可以不依賴(lài)于實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)硬件資源，對(duì)低碳鋼和鑄鐵材料力學(xué)性能進(jìn)行多次測(cè)定，充分了解載荷與變形，應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系，對(duì)材料的幾個(gè)基本特征點(diǎn)（比例極限、屈服極限、強(qiáng)度極限等），相信對(duì)材料力學(xué)中的強(qiáng)度以及剛度問(wèn)題會(huì)有更透徹的理解和認(rèn)識(shí)。

2 結(jié)語(yǔ)

教學(xué)方法改善是提高教學(xué)質(zhì)量的一個(gè)重要手段，培養(yǎng)現(xiàn)代工程人才，需要體現(xiàn)現(xiàn)代的教育理念。材料力學(xué)雖然是一門(mén)經(jīng)典老課，但可以通過(guò)創(chuàng)新教育教學(xué)的方法，來(lái)完成該課程的現(xiàn)代教學(xué)。在促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性、積極性的同時(shí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)能力，使學(xué)生能夠真正掌握材料力學(xué)的理論知識(shí)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)和工程問(wèn)題相結(jié)合，使學(xué)生真正擁有解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，成為真正有用的應(yīng)用型或創(chuàng)造型高級(jí)人才。

參考文獻(xiàn)

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