黃元辰　翁國華

【關(guān)鍵詞】 材料力學(xué)；青年教師；思考

【中圖分類號(hào)】 G623.2 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

【文章編號(hào)】 1004—0463（2017）05—0066—02

材料力學(xué)是工學(xué)學(xué)科中力學(xué)類、機(jī)械類、土木類、航空航天類等專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。在上述專業(yè)課程體系當(dāng)中，按照授課時(shí)間排序，材料力學(xué)是第一門系統(tǒng)性講解變形體（桿件）在外部載荷（以集中力、布力、集中力偶與溫度為主）作用下形變與內(nèi)部應(yīng)力相關(guān)計(jì)算的課程，內(nèi)容上完成了從質(zhì)點(diǎn)、剛體到變形體的過渡，上承高等數(shù)學(xué)、理論力學(xué)，下啟彈性力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、巖土力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)等專業(yè)課程，是連接基礎(chǔ)課與專業(yè)課的不可或缺的一環(huán)。目前，以建設(shè)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科為目標(biāo)，筆者所在的上海理工大學(xué)正實(shí)施“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”，同時(shí)大力推進(jìn)多個(gè)專業(yè)的工程教育專業(yè)認(rèn)證。在這樣的背景下，如何將材料力學(xué)這門由于內(nèi)容相對(duì)經(jīng)典且邏輯性強(qiáng)，而在部分學(xué)生眼中顯得抽象枯燥的課程講好，使得學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)能夠掌握材料力學(xué)中的思想方法及重要結(jié)論，并具備將其應(yīng)用于解決實(shí)際工程問題的能力，是值得從事材料力學(xué)教學(xué)工作的青年教師思考的一個(gè)重大問題。下面，筆者結(jié)合工作實(shí)踐談幾點(diǎn)自己的看法。

一、講好緒論課

材料力學(xué)的緒論部分一般包括對(duì)本課程研究對(duì)象、研究內(nèi)容、研究方法、基本概念、實(shí)際應(yīng)用，以及歷史沿襲、最新進(jìn)展、未來趨勢(shì)等的介紹。由于緒論并不涉及具體的公式推導(dǎo)與問題求解，容易被相當(dāng)數(shù)量的習(xí)慣于應(yīng)試導(dǎo)向性學(xué)習(xí)的學(xué)生貼上“內(nèi)容空洞，學(xué)而無用”的標(biāo)簽，甚至一些授課教師也持有類似觀點(diǎn)，以幾句話將緒論匆匆?guī)н^，進(jìn)入相對(duì)“言之有物”的后續(xù)內(nèi)容。實(shí)際上，緒論的重要性并不亞于其他章節(jié)，一堂好的緒論課不但應(yīng)當(dāng)能夠使學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容產(chǎn)生清晰的整體印象，還應(yīng)起到拓寬其視野，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣的目的。緒論課的作用就好比“藏寶圖”加“指南針”，使學(xué)生在后續(xù)的學(xué)習(xí)過程中可以主動(dòng)地按圖索驥而不至迷失方向，最終獲得“寶藏”——即解決問題的思想方法與需要掌握的知識(shí)點(diǎn)。

材料力學(xué)教材緒論部分所包含的知識(shí)點(diǎn)之間聯(lián)系相對(duì)松散，不存在能夠串起全部知識(shí)點(diǎn)的較長邏輯鏈，因而在講課方面留給教師自由發(fā)揮的余地較大；但也正是由于無定式可循，講好緒論課的難度甚至還要高出講好具體理論課程的難度。為了使緒論課發(fā)揮其應(yīng)有的作用，組織課程內(nèi)容時(shí)不妨考慮以下幾點(diǎn)：

1. 以現(xiàn)實(shí)生活中常見實(shí)例作為開頭，以設(shè)問的形式引出材料力學(xué)的研究內(nèi)容，即強(qiáng)度、剛度與穩(wěn)定性的概念。如，由建筑地基不均勻沉降導(dǎo)致的墻體裂縫多與地面呈45°的現(xiàn)象，以及2012年8月24日發(fā)生的哈爾濱陽明灘大橋垮塌事故，引出強(qiáng)度的概念與重要性；由客機(jī)起飛時(shí)通過舷窗所觀察到的機(jī)翼彎曲現(xiàn)象，以及1998年6月17日發(fā)生的因Ka-50直升機(jī)上下兩副反向旋轉(zhuǎn)的旋翼槳葉碰撞而導(dǎo)致的墜機(jī)事故為例，引出剛度的概念及重要性。

2. 以材料力學(xué)的發(fā)展史為主線，重點(diǎn)介紹做出過突出貢獻(xiàn)的著名科學(xué)家及其工作，如伽利略、胡克、歐拉、拉格朗日、納維等人，使學(xué)生在深入學(xué)習(xí)具體理論之前即對(duì)課程內(nèi)容的背景及歷史沿革有所了解，對(duì)課程產(chǎn)生更加立體的第一印象。與此同時(shí)，還應(yīng)適當(dāng)增加與中國古代材料力學(xué)成就相關(guān)的部分內(nèi)容，如東漢末年經(jīng)學(xué)家鄭玄對(duì)于胡克定律的等價(jià)描述0，建于公元600年前后、世界現(xiàn)存第二古老的單孔敞肩圓弧石拱橋——趙州橋，以及建成于公元1056年、世界現(xiàn)存最高大的古代木構(gòu)建筑——山西應(yīng)縣佛宮寺釋迦塔等等。

3. 在講解材料力學(xué)基本假設(shè)時(shí)，不但需強(qiáng)調(diào)其在理論推導(dǎo)方面的意義，同時(shí)還應(yīng)從正反兩個(gè)方面舉例說明其適用范圍，使學(xué)生對(duì)真實(shí)世界的復(fù)雜性與理論的局限性產(chǎn)生一定的感性認(rèn)識(shí)，為將來進(jìn)一步學(xué)習(xí)更高層次的課程做一鋪墊。如，對(duì)于連續(xù)性假設(shè)，可指出只有物體所占據(jù)的空間內(nèi)均充滿物質(zhì)不存在空隙，且物體變形后不發(fā)生重疊或開裂現(xiàn)象時(shí)，物體的變形及內(nèi)力才能表示為物體內(nèi)部每一個(gè)物質(zhì)點(diǎn)的坐標(biāo)的連續(xù)函數(shù)，便于利用數(shù)學(xué)分析的方法進(jìn)行研究。盡管此假設(shè)在原子尺度上、甚至對(duì)于某些多孔材料在微米尺度上不再成立，但只要作為研究內(nèi)容的材料的力學(xué)行為所發(fā)生的尺度遠(yuǎn)大于上述范圍，則仍然可以應(yīng)用此假設(shè)。如果物體的確包含宏觀裂紋或類似缺陷，那么采用斷裂力學(xué)的分析方法則更為適合。對(duì)于均勻性假設(shè)，可指出此假設(shè)意味著物體內(nèi)部各物質(zhì)點(diǎn)處均有相同的力學(xué)性能，所以材料屬性可以是獨(dú)立于物質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)的常數(shù)。盡管此假設(shè)對(duì)于金屬材料在晶粒尺度上、對(duì)于某些包含顆?；蚶w維組分的復(fù)合材料甚至在10 μm的尺度上不再成立，但在宏觀尺度上仍可應(yīng)用均勻性假設(shè)。對(duì)于各向同性假設(shè)，可指出其適用于大多數(shù)金屬與高分子聚合物工程材料，但同時(shí)也存在大量不滿足此假設(shè)的常見材料，典型如竹子、木材、連續(xù)纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料單層板等。另外，還可舉例說明宏觀尺度上各向同性的材料在細(xì)觀或介觀尺度上并非各項(xiàng)同性。最后，應(yīng)特別強(qiáng)調(diào)各向同性只是針對(duì)材料的彈性行為而言，并不包括強(qiáng)度，避免學(xué)生混淆概念。

二、優(yōu)化課堂內(nèi)容

現(xiàn)階段我國高校中材料力學(xué)的教學(xué)進(jìn)程大多沿著“直桿軸向拉壓→圓截面軸扭轉(zhuǎn)→直梁對(duì)稱彎曲→應(yīng)力狀態(tài)與強(qiáng)度理論→組合變形”的主線展開，再附加壓桿穩(wěn)定與能量法有關(guān)內(nèi)容；對(duì)于桿件的三種基本變形（拉壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲），又多沿著“變形假設(shè)→幾何關(guān)系→本構(gòu)關(guān)系→平衡條件→應(yīng)力公式→變形公式”的順序進(jìn)行演繹推導(dǎo)。國內(nèi)外多種教材的內(nèi)容也基本按照上述思路編排或略加調(diào)整0-0。這種整體進(jìn)程安排符合由淺入深、從易到難、循序漸進(jìn)的一般教育原則，同時(shí)通過講解桿件的三種基本變形問題，可加深學(xué)生對(duì)于材料力學(xué)中普遍采用的分析方法的理解與記憶。但是另一方面，這種傳統(tǒng)安排的不足之處表現(xiàn)為教學(xué)內(nèi)容重復(fù)性較大，且各部分之間的邏輯聯(lián)系不夠緊密，不利于學(xué)生在較短時(shí)間內(nèi)掌握材料力學(xué)的核心內(nèi)容0， 0，影響學(xué)習(xí)效率與積極性的提高。面對(duì)傳統(tǒng)的教學(xué)進(jìn)程安排、有限的課時(shí)（根據(jù)學(xué)生專業(yè)不同通常為64或48）與不斷增長的對(duì)實(shí)際傳授知識(shí)量的需求三者之間的矛盾，優(yōu)化課堂內(nèi)容顯得十分必要。

1. 由于生活在信息時(shí)代、習(xí)慣于在若干目標(biāo)間快速轉(zhuǎn)移注意力的學(xué)生難以被包含較長邏輯鏈的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程長時(shí)間吸引，所以需要將傳統(tǒng)的“連續(xù)式”教學(xué)過程變?yōu)椤懊}動(dòng)式”教學(xué)過程，將每堂課所應(yīng)覆蓋的內(nèi)容歸納劃分為若干個(gè)知識(shí)點(diǎn)，每個(gè)知識(shí)點(diǎn)都包括設(shè)問形式的開頭、具體內(nèi)容講解、為下一個(gè)知識(shí)點(diǎn)鋪墊的結(jié)尾所構(gòu)成?？紤]到學(xué)生一般可持續(xù)集中注意力的最長時(shí)間約為10 分鐘左右，每個(gè)知識(shí)點(diǎn)所需講授時(shí)間在10～15 分鐘左右為宜，這樣一節(jié)時(shí)長45分鐘的課程中即可安排3～4個(gè)知識(shí)點(diǎn)。

2. 對(duì)于桿件的基本變形，除按照現(xiàn)有教學(xué)順序進(jìn)行講授之外，還可在每一種基本變形相關(guān)內(nèi)容講授完畢之后，沿“外力→內(nèi)力→應(yīng)力→應(yīng)變→能量”的主線0重新演繹所學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生從不同角度觀察分析問題，拓寬思路。在所有基本變形講授完畢之后，應(yīng)充分比較直桿在軸向拉壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲時(shí)的分析方法與重要結(jié)論，并歸納提煉出共同特征，使學(xué)生從更高層次上整體理解與掌握課程內(nèi)容。另外在不改變基本教學(xué)順序的情況下，還可適量增加教材以外的內(nèi)容，目的在于加強(qiáng)學(xué)生對(duì)于解決材料力學(xué)問題的一般方法的理解，不求艱深。例如，可利用推導(dǎo)直梁橫力彎曲時(shí)平衡微分方程的微元法，推導(dǎo)直桿軸向拉壓與圓截面軸扭轉(zhuǎn)時(shí)的控制方程0，而后兩者在現(xiàn)行教材中一般較少出現(xiàn)。

3.形形色色的有限元分析軟件已經(jīng)在工業(yè)界得到了大規(guī)模應(yīng)用，而材料力學(xué)的知識(shí)又是掌握有限元軟件使用方法的必要前提。為了培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，同時(shí)加深對(duì)于材料力學(xué)所學(xué)內(nèi)容的理解，可以在課程中增加有限元軟件的簡單介紹與實(shí)際操作模塊，使學(xué)生具備利用ANSYS或者Abaqus解決簡單材料力學(xué)問題的能力。

三、合理運(yùn)用現(xiàn)代化教學(xué)手段

目前，以微軟公司的PowerPoint（簡稱PPT）為代表的電子演示文稿已經(jīng)成為各高校必不可少的多媒體教學(xué)手段。傳統(tǒng)的以板書為主的教學(xué)模式中，授課教師需花費(fèi)大量時(shí)間在黑板上寫字繪圖，期間背對(duì)學(xué)生，無法觀察學(xué)生的反應(yīng)，與學(xué)生的互動(dòng)時(shí)間也會(huì)相應(yīng)減少。而且板書的表現(xiàn)力有限，難以用生動(dòng)的形式解釋某些較難理解的概念。同時(shí)，以板書為主的教學(xué)模式要求授課教師對(duì)于在課堂上所要呈現(xiàn)的全部內(nèi)容都爛熟于心，否則一旦記憶不牢，就有可能在面對(duì)空白的黑板時(shí)無從下手，致使教學(xué)效果大打折扣，而這也正是許多初上講臺(tái)的青年教師所要面對(duì)的問題。板書的弱項(xiàng)卻是PPT的長項(xiàng)，若以PPT為主要教學(xué)手段，由于不用花費(fèi)時(shí)間在黑板上寫字繪圖，授課教師可一直面對(duì)學(xué)生，便于師生互動(dòng)，提高教學(xué)效率。另外，因?yàn)榇蟛糠种v授內(nèi)容均已預(yù)先記錄在PPT上，教師不用為偶爾忘記內(nèi)容擔(dān)心，實(shí)際上減輕了教師的負(fù)擔(dān)。不過另一方面，PPT在展示數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程方面也有自身的局限性，由于所有內(nèi)容均為事先制作，缺乏根據(jù)需求臨場改變的自由度，不便于教師根據(jù)學(xué)生的反饋而從多個(gè)角度解釋部分推導(dǎo)過程。此外，較快的顯示速度也不利于學(xué)生對(duì)于推導(dǎo)邏輯的理解消化，而高度集中的注意力也容易造成學(xué)生的疲勞。在這方面，板書的優(yōu)點(diǎn)顯而易見，理論推導(dǎo)過程明晰，節(jié)奏適中，便于學(xué)生理解。因此，青年教師應(yīng)合理結(jié)合傳統(tǒng)板書與以PPT為代表的現(xiàn)代教學(xué)手段，利用自身熟悉多媒體素材與手段的優(yōu)勢(shì)，用大量可視化的內(nèi)容解釋材料力學(xué)中理論性較強(qiáng)、相對(duì)晦澀的概念；而在進(jìn)行理論推導(dǎo)時(shí)，則依靠板書，詳細(xì)講解思路與每一步的依據(jù)，并結(jié)合學(xué)生的反饋，重復(fù)重點(diǎn)步驟，這樣才能取得更好的教學(xué)效果。

智能手機(jī)是另一個(gè)可以利用的教學(xué)手段。盡管目前智能手機(jī)的濫用已經(jīng)成為一個(gè)普遍存在的影響課堂教學(xué)效果的因素，但不可否認(rèn)的是智能手機(jī)與互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合的確大大加快了信息傳播的速度，也大大方便了人與人之間的交流。正如大禹治水，堵不如疏，與其禁止學(xué)生在課堂上使用手機(jī)，不如引導(dǎo)其適度“正面”地使用手機(jī)或其他移動(dòng)通信終端，使手機(jī)為提高課堂教學(xué)效果服務(wù)。

材料力學(xué)作為工學(xué)學(xué)科多個(gè)專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，隨著“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的實(shí)施與工程教育專業(yè)認(rèn)證的推進(jìn)，對(duì)這門經(jīng)典力學(xué)課程的教學(xué)效果提出了更高的要求。作為從事材料力學(xué)教學(xué)工作的青年教師，在不改變現(xiàn)行教學(xué)體系的前提下，可充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性與熟悉新興教學(xué)方法與傳播手段的優(yōu)勢(shì)，從講好緒論課、優(yōu)化課堂內(nèi)容、合理運(yùn)用現(xiàn)代化教學(xué)手段三個(gè)方面著手，精心打磨材料力學(xué)，使其在新形勢(shì)下煥發(fā)生機(jī)，為培養(yǎng)適應(yīng)時(shí)代發(fā)展要求的創(chuàng)新型工程技術(shù)人才作出自身的貢獻(xiàn)。

編輯：郭裕嘉