林遠(yuǎn)東 劉丹丹 盧小雨 張宏學(xué)

摘 要：材料力學(xué)以“四大基本變形”和“組合變形”的強(qiáng)度計(jì)算、變形計(jì)算及壓桿的穩(wěn)定性為目標(biāo)內(nèi)容。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)教法中復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下“基本變形”的強(qiáng)度條件和“強(qiáng)度理論”的強(qiáng)度條件不一致。基于新工科建設(shè)對(duì)通識(shí)課程的要求和理順材料力學(xué)各章節(jié)內(nèi)容的關(guān)聯(lián)性，將材料力學(xué)授課內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：根據(jù)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)性安排授課內(nèi)容及順序，使章節(jié)和節(jié)次間的內(nèi)容環(huán)環(huán)相扣、層層推進(jìn)，符合一般到特殊的認(rèn)知規(guī)律，形成一個(gè)具有嚴(yán)密邏輯的完整教學(xué)系統(tǒng);將實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和理論教學(xué)合二為一，提高課時(shí)的利用率，為課程學(xué)時(shí)的精簡(jiǎn)提供了可能。由現(xiàn)象到本質(zhì)、經(jīng)邏輯演繹上升到理論高度而獲得相關(guān)理論的教學(xué)模式，有助于培養(yǎng)和提高學(xué)生的科研素養(yǎng)，符合新經(jīng)濟(jì)條件下“新工科”建設(shè)的要求。

關(guān)鍵詞：課程內(nèi)容優(yōu)化; 教學(xué)改革;材料力學(xué);新工科

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 收稿日期：2019-04-08 文章編號(hào)：1674-120X（2019）23-0114-02

一、引言

我國(guó)在2016年成為《華盛頓協(xié)議》的第18個(gè)正式成員。2017年教育部啟動(dòng)了“新工科”發(fā)展研究工作，同年形成了“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”及“北京指南”，為新時(shí)期我國(guó)工程教育改革指明了方向。

新工科建設(shè)將目光聚焦在畢業(yè)生的基本素質(zhì)上，要求畢業(yè)生基礎(chǔ)寬厚、扎實(shí)，專(zhuān)業(yè)知識(shí)精、深，具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的設(shè)計(jì)和研發(fā)能力，這勢(shì)必導(dǎo)致包括力學(xué)課程在內(nèi)的基礎(chǔ)課程學(xué)時(shí)受到削減。力學(xué)課程作為“新工科”的通識(shí)課程，要求工科從業(yè)人員具備扎實(shí)的力學(xué)計(jì)算和分析能力，以適應(yīng)新經(jīng)濟(jì)對(duì)創(chuàng)新型人才的需要。力學(xué)教育工作者須以培養(yǎng)學(xué)生的力學(xué)思維和創(chuàng)新能力為目標(biāo)，通過(guò)梳理課程的組織構(gòu)架，提煉力學(xué)思維;以力學(xué)思維培養(yǎng)為導(dǎo)向構(gòu)建新工科力學(xué)通識(shí)課程的教學(xué)體系，提高學(xué)生嚴(yán)密的邏輯思維能力和創(chuàng)新能力。這些目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，需要力學(xué)教育工作者積極構(gòu)建學(xué)時(shí)少而內(nèi)容精練的教學(xué)內(nèi)容。

二、材料力學(xué)傳統(tǒng)教法及不足

材料力學(xué)課程內(nèi)容常見(jiàn)的設(shè)置順序?yàn)椋骸熬w論”→“基本變形”→“應(yīng)力與應(yīng)變分析”→“強(qiáng)度理論”→“組合變形”→“壓桿穩(wěn)定”→“能量法”→“動(dòng)載荷”→“交變應(yīng)力”→“超靜定結(jié)構(gòu)”，本文稱(chēng)之為傳統(tǒng)教法（如圖1所示）。

由圖1可見(jiàn)，傳統(tǒng)教法涵蓋內(nèi)容較多，其中“基本變形”包括軸向拉（壓）、剪切和擠壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲四種變形，常稱(chēng)為“四大基本變形”。目前國(guó)內(nèi)各高校根據(jù)各專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的不同，本課程學(xué)時(shí)安排不一，常見(jiàn)的有70學(xué)時(shí)和80學(xué)時(shí)（一般含實(shí)驗(yàn)6～10學(xué)時(shí)）。其中，動(dòng)載荷、交變應(yīng)力和超靜定結(jié)構(gòu)這些章節(jié)內(nèi)容，可根據(jù)專(zhuān)業(yè)情況和學(xué)時(shí)安排選講或不講。

傳統(tǒng)教法在內(nèi)容的安排上，是一個(gè)由淺入深的漸進(jìn)過(guò)程，符合認(rèn)知規(guī)律的要求，但其邏輯性不強(qiáng)。在“緒論”中交代了基本假設(shè)和應(yīng)力與應(yīng)變的概念后，依次安排“軸向拉（壓）”“剪切和擠壓”“扭轉(zhuǎn)”和“彎曲”這“四大基本變形”的應(yīng)力和變形計(jì)算。在講述“四大基本變形”的章節(jié)中進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，若構(gòu)件橫截面上只有正應(yīng)力而無(wú)切應(yīng)力時(shí)，對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度條件為

若構(gòu)件橫截面上只有切應(yīng)力時(shí)，對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度條件為

對(duì)構(gòu)件的橫截面上既有正應(yīng)力也有切應(yīng)力，在進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)則要求式（1）和式（2）同時(shí)滿足。

然而，在傳統(tǒng)教法的“強(qiáng)度理論”中，對(duì)單元體上既有正應(yīng)力也有切應(yīng)力的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，介紹的四個(gè)強(qiáng)度理論的強(qiáng)度條件如下：

通過(guò)前后內(nèi)容的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)“四大基本變形”中除了“軸向拉（壓）”的應(yīng)力狀態(tài)為單向應(yīng)力狀態(tài)，其余變形情況往往是復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。對(duì)這些復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，傳統(tǒng)教法在“基本變形”部分進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)是按式（1）和式（2）來(lái)處理的，而“強(qiáng)度理論”部分卻是按式（3）～（6）進(jìn)行的，前后不一，無(wú)邏輯性可言。另外，在新形勢(shì)下材料力學(xué)課程的學(xué)時(shí)數(shù)有可能還會(huì)被削減。因此，在新形勢(shì)下面向新工科建設(shè)的要求，力學(xué)教育工作者應(yīng)著手構(gòu)建符合學(xué)時(shí)少、內(nèi)容精練和具有嚴(yán)密邏輯性的系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容。

三、材料力學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)

（一）優(yōu)化設(shè)計(jì)的材料力學(xué)教學(xué)內(nèi)容

以已立項(xiàng)項(xiàng)目所擬定的目標(biāo)為推力，比較目前在各高校材料力學(xué)教學(xué)中用量較大的教材內(nèi)容，并根據(jù)新工科建設(shè)的內(nèi)在要求，整合項(xiàng)目研究的階段性成果，就材料力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化，為廣大力學(xué)教育工作者在教學(xué)內(nèi)容的安排上提供參考和借鑒（如圖2所示）。

由圖2可見(jiàn)，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，擬定的材料力學(xué)教學(xué)內(nèi)容及順序?yàn)椋骸熬w論”→“應(yīng)力應(yīng)變分析”→“強(qiáng)度理論”→“基本變形”→“組合變形”→“壓桿穩(wěn)定”→“專(zhuān)題”。“專(zhuān)題”部分可根據(jù)專(zhuān)業(yè)特性和學(xué)時(shí)情況選講或不講，以適用、夠用為原則，僅設(shè)置能量法和動(dòng)載荷內(nèi)容;把重點(diǎn)放在“基本變形”“組合變形”及“壓桿穩(wěn)定”這些內(nèi)容上。“緒論”“應(yīng)力應(yīng)變分析”及“強(qiáng)度理論”則為重點(diǎn)內(nèi)容的理論鋪墊;強(qiáng)調(diào)掌握基本概念、基本理論和基本方法。

（二）優(yōu)化后材料力學(xué)授課內(nèi)容的主要特點(diǎn)

1.優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容嚴(yán)格遵循一般到特殊的原理，各章節(jié)間具有嚴(yán)密的邏輯性和關(guān)聯(lián)性

“緒論”介紹變形固體的基本假設(shè)及應(yīng)力、應(yīng)變的概念，在此基礎(chǔ)上安排“應(yīng)力應(yīng)變分析”;“應(yīng)力應(yīng)變分析”又是“強(qiáng)度理論”的知識(shí)鋪墊，且“應(yīng)力應(yīng)變分析”和“強(qiáng)度理論”又為“基本變形”和“組合變形”在進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)提供了理論基礎(chǔ)。如此這般設(shè)置，不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)教法中前后內(nèi)容不一致性和邏輯性不強(qiáng)的情況;“壓桿穩(wěn)定”則論證了結(jié)構(gòu)要正常、安全地工作，除了滿足強(qiáng)度、剛度的要求外，還需滿足穩(wěn)定性方面的要求，形成了一個(gè)完整的系統(tǒng)。

2.優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容具有典型的行知合一性

材料力學(xué)課程設(shè)有實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)教法往往是先安排學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識(shí)之后，再進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)，從功能的角度，實(shí)驗(yàn)具有驗(yàn)證性兼測(cè)試相關(guān)物理量的功能。然而，相當(dāng)比重的理論知識(shí)是通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和系列假設(shè)的基礎(chǔ)上提煉升華演繹而來(lái)。故傳統(tǒng)教法不符合認(rèn)知的一般規(guī)律，屬本末倒置。優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容，摒除了傳統(tǒng)教法在實(shí)驗(yàn)和理論教學(xué)環(huán)節(jié)脫節(jié)的現(xiàn)象，將實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和理論教學(xué)合二為一，大大提高了課時(shí)的利用率，為課程學(xué)時(shí)的精簡(jiǎn)提供了可能;將傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)換為探索（研究）性實(shí)驗(yàn)，即在“基本變形”部分先安排相關(guān)實(shí)驗(yàn)，用觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行歸納總結(jié)，經(jīng)邏輯演繹上升到理論高度而獲得相關(guān)理論。這種由現(xiàn)象到本質(zhì)的教學(xué)模式，有助于培養(yǎng)和提高學(xué)生的科研素養(yǎng)。

四、 結(jié)語(yǔ)

對(duì)材料力學(xué)課程的授課內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)性安排授課內(nèi)容及順序，使章節(jié)和節(jié)次間的內(nèi)容環(huán)環(huán)相扣、層層推進(jìn)，符合一般到特殊的認(rèn)知規(guī)律，形成一個(gè)具有嚴(yán)密的完整教學(xué)系統(tǒng);將實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和理論教學(xué)合二為一，提高了課時(shí)的利用率，為課程學(xué)時(shí)的精簡(jiǎn)提供了可能;由現(xiàn)象到本質(zhì)、經(jīng)邏輯演繹上升到理論高度而獲得相關(guān)理論的教學(xué)模式，有助于培養(yǎng)和提高學(xué)生的科研素養(yǎng)，符合新經(jīng)濟(jì)條件下“新工科”建設(shè)的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國(guó)正式成為《華盛頓協(xié)議》第 18 個(gè)正式成員[EB/OL].http：//www.Cankaoxiaoxi.com/edu /20160602/1179860.shtml.2016-06-02.

[2] 陳 濤，邵云飛.《華盛頓協(xié)議》：內(nèi)涵闡釋與中國(guó)實(shí)踐——兼談與“新工科”建設(shè)的實(shí)質(zhì)等效性[J].重慶高教研究，2018（1）：56-64.

[3] 馬宏偉，張偉偉.新工科力學(xué)課程體系的幾點(diǎn)思考[J].高等工程教育研究，2018（3）：6-12.