卞侃

摘 ? 要：力學(xué)是工科專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，針對高等教育中工程思維能力培養(yǎng)的欠缺，本文以材料力學(xué)課程為例，從教師自身工程思維能力強(qiáng)化、教學(xué)過程中工程案例舉例以及改革實(shí)踐教學(xué)三個方面淺談了工程思維能力的培養(yǎng)方法，最后以生活中常見的金屬票夾為例，討論了該結(jié)構(gòu)與材料力學(xué)以及工程思維能力培養(yǎng)之間的關(guān)系，為工科高校機(jī)械、力學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)課程教學(xué)改革提供了一定的參考。

關(guān)鍵詞：材料力學(xué) ?工程思維 ?教學(xué)方法

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）07（c）-0223-02

隨著高等教育改革的深入進(jìn)行，人才培養(yǎng)已經(jīng)從以“傳授知識”為主的應(yīng)試教育向以“能力培養(yǎng)”為主的素質(zhì)教育、創(chuàng)新教育轉(zhuǎn)變。不少成功人士在談及大學(xué)生活時都認(rèn)為大學(xué)教育帶給他們的更多是一種思維方法的鍛煉。其中，工程思維能力的培養(yǎng)，對普通工科學(xué)生學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力的提升具有十分重要的作用[1-2]。

材料力學(xué)是工科專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，理論性強(qiáng)，同時又與工程技術(shù)聯(lián)系緊密。該學(xué)科雖然屬于傳統(tǒng)學(xué)科，但相關(guān)定理和結(jié)論仍然廣泛應(yīng)用于日新月異的當(dāng)今社會中，是解決航空航天、機(jī)械、土木等領(lǐng)域各類工程實(shí)際問題的重要基礎(chǔ)[3]。然而，材料力學(xué)作為力學(xué)的一個分支，其特點(diǎn)是數(shù)學(xué)分量重，在具體教學(xué)過程中，大家總習(xí)慣對經(jīng)典的假設(shè)模型進(jìn)行理論抽象，然后運(yùn)用一些定理和數(shù)學(xué)推導(dǎo)求解相關(guān)問題。久而久之，學(xué)生能精確地解答材料力學(xué)習(xí)題，卻不知實(shí)際工程應(yīng)用中的材料力學(xué)知識。在實(shí)際教學(xué)中還發(fā)現(xiàn)，過于抽象的理論模型，內(nèi)容往往比較枯燥，學(xué)生很容易走神、犯困，遇到稍帶有實(shí)際工程類問題的時候卻又束手無策。筆者曾經(jīng)就發(fā)現(xiàn)有學(xué)生將應(yīng)變片粘貼于懸臂梁自由端，用于校核懸臂梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，給出的解釋是懸臂梁自由端“變形”最大，所以應(yīng)變最大。上述解釋符合材料力學(xué)中變形與應(yīng)變的基本關(guān)系，卻混淆了實(shí)際懸臂梁結(jié)構(gòu)中“變形”和因變形引起的“位移”兩個基本概念。

材料力學(xué)的教學(xué)目標(biāo)不應(yīng)該僅限于使學(xué)生掌握一定的力學(xué)知識和簡單的工科基礎(chǔ)技能，更重要的是幫助學(xué)生建立和強(qiáng)化工程思維，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力以及工程實(shí)踐能力。從另一方面說，和工程實(shí)踐有密切聯(lián)系的材料力學(xué)課程的原動力和發(fā)展基本都是源于工程問題，在培養(yǎng)工程思維的同時，還可以顯著提高學(xué)生對材料力學(xué)理論知識的理解。

本文將從教師自身工程思維強(qiáng)化，工程案例舉例教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)三個方面淺談材料力學(xué)理論知識教學(xué)對工程思維能力培養(yǎng)方面所起到的作用，希望能起到拋磚引玉的效果，推動高等教育課程的教學(xué)改革，以更好地發(fā)揮力學(xué)基礎(chǔ)課程在工科學(xué)生能力培養(yǎng)方面的作用。

1 ?教師自身工程思維的強(qiáng)化

材料力學(xué)是工科機(jī)械類學(xué)生的基礎(chǔ)必修課程，一般安排在大二進(jìn)行授課，課時長、學(xué)生多，學(xué)校偏向于安排教學(xué)型教師進(jìn)行授課。但如果任課教師的科研經(jīng)歷少，素材積累少，僅靠吃透書本知識是很難強(qiáng)化自身工程思維的。教師可從文獻(xiàn)閱讀、綜合知識積累等方面不斷拓寬知識面，進(jìn)而強(qiáng)化與材料力學(xué)相關(guān)的工程思維。

以材料史方面的知識為例。材料力學(xué)主要是從伽利略時期不斷發(fā)展起來的實(shí)踐課程，在材料力學(xué)課程的不斷發(fā)展中，一些力學(xué)原理、經(jīng)典工程及古代社會對材料力學(xué)所作出的貢獻(xiàn)等都得到了不斷的積累和進(jìn)步[4]。很多公式和定律都是以科學(xué)家的名字命名的，如胡克定律、莫爾積分、泊松比等，教師能否通過對力學(xué)史的了解，知道這些命名的來龍去脈，并且通過講解激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，是培養(yǎng)學(xué)生力學(xué)工程思維的前提。

以材料力學(xué)和哲學(xué)的聯(lián)系為例。由于材料力學(xué)理論假設(shè)和工程實(shí)例會存在不一致的地方，學(xué)生們在學(xué)習(xí)過程中很容易陷入困頓。例如行架結(jié)構(gòu)的約束問題，學(xué)生們對鉸支和固支的簡化往往存在疑惑，這是因?yàn)樵趯?shí)際建筑結(jié)構(gòu)中行架給人的直觀印象就是“固定靜止”的;還比如求結(jié)構(gòu)自由端的位移量，明明拉力也起作用，但在實(shí)際工程計(jì)算中卻只考慮彎矩的作用。此時可聯(lián)系哲學(xué)問題中主要矛盾與次要矛盾的關(guān)系，透過現(xiàn)象看問題的本質(zhì)，教育學(xué)生上述模型簡化的原因。培養(yǎng)學(xué)生的哲學(xué)思維，找到普遍性與特殊性、主要因素與次要因素的關(guān)系，總結(jié)事物的基本規(guī)律，完成工程問題的正確簡化與估算這一重要的工程思維。

2 ?工程案例舉例教學(xué)

在材料力學(xué)的不斷發(fā)展過程中，會涉及到很多經(jīng)典或日常生活中常見的工程案例，應(yīng)注意這方面素材的積累，結(jié)合貼切的材料力學(xué)理論，陳述并講解相關(guān)的經(jīng)典案例。例如在講解應(yīng)力集中概念時，可以給學(xué)生普及現(xiàn)代飛機(jī)客艙弦窗形狀的發(fā)展歷程。早期最先進(jìn)的彗星式噴氣客機(jī)弦窗是方形的，但是在短短一年之內(nèi)它連續(xù)出現(xiàn)了3次飛機(jī)空中解體事故，調(diào)查發(fā)現(xiàn)主要的原因就是方形弦窗產(chǎn)生了應(yīng)力集中，使鋁合金結(jié)構(gòu)過早出現(xiàn)了疲勞失效。在講解非圓截面桿件扭轉(zhuǎn)時，可以舉塔科馬海峽大橋因顫振引起扭轉(zhuǎn)，進(jìn)而倒塌的例子;受此教訓(xùn)，現(xiàn)在的斜挎橋均采用鋼箱梁的結(jié)構(gòu)形式，極大地增強(qiáng)了扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度。

值得注意的是，雖然材料力學(xué)理論模型是對實(shí)際工程模型的簡化，但工程簡化估算思維還應(yīng)該透過現(xiàn)象看力學(xué)的本質(zhì)。例如我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷慕饘倨眾A結(jié)構(gòu)，其可以看作一種夾片彈簧，凡是彈簧均存在一個“剛度”屬性。若要計(jì)算夾片彈簧的等效剛度，學(xué)生首先想到的是胡克定律，即拉伸力比上夾片開口。其中拉伸力假設(shè)已知，夾片開口則可用材料力學(xué)中的單位載荷法和莫爾積分，將夾片結(jié)構(gòu)等效成帶彎折的桿件模型計(jì)算求得。由于模型必須考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性，因此計(jì)算得到的剛度仍十分復(fù)雜，且受夾片厚度、原始夾角等參數(shù)影響較大，難以獲得精確的剛度值。若實(shí)際工程中僅需得到平均等效剛度值，觀察胡克定律的本質(zhì)，可以用材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)中常見的萬能試驗(yàn)機(jī)拉伸該夾片彈簧，得到拉伸力-位移曲線后再線性擬合，根據(jù)直線斜率確定平均等效剛度。該思想就是常見的工程簡化計(jì)算思維，教師在教學(xué)過程中可以結(jié)合該實(shí)例進(jìn)行深入講解，甚至可用于后面所講的實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)。

3 ?實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)

材料力學(xué)的實(shí)踐教學(xué)一直被視為理論課程后的附屬，得不到應(yīng)有的重視，教學(xué)體系、模式和內(nèi)容的安排上也存在不盡合理的地方[5]。例如實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備數(shù)量少、更新慢，性能極為落后;實(shí)驗(yàn)大綱程式化、教條化、束縛性強(qiáng);等等。學(xué)生往往是稀里糊涂做實(shí)驗(yàn)，抄襲照搬完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，加上大多數(shù)實(shí)驗(yàn)都是對教材上基礎(chǔ)理論的驗(yàn)證，完全談不上對工程思維的培養(yǎng)。當(dāng)前世界科學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異，材料力學(xué)的實(shí)踐教學(xué)改革已經(jīng)刻不容緩。

首先要改革的是實(shí)踐教學(xué)的觀念更新，確定以創(chuàng)新教育和工程思維培養(yǎng)為核心的實(shí)踐教學(xué)思想，切實(shí)改變重知識、輕能力，重課堂理論知識傳授、輕工程思維拓展的舊思想。其次是實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的改革，添加更新具有時代特色典型工程應(yīng)用的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，若存在課時矛盾，可通過設(shè)計(jì)必修和選修實(shí)驗(yàn)、課程與課后實(shí)踐解決。最后是根據(jù)具體實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)科學(xué)的教學(xué)方法，并合理利用資源更新儀器設(shè)備或提高利用率，在軟、硬件上滿足實(shí)踐教學(xué)的基本需求。同樣以金屬票夾為例，若將其置于拉伸試驗(yàn)機(jī)，多次拉伸取平均后得到的拉伸試驗(yàn)結(jié)果幾乎是一條斜率恒定的直線，即在工程上僅估算其平均等效剛度是合理的，此時通過線性擬合求得的直線斜率即為金屬票夾的等效剛度。該實(shí)例很好地將材料力學(xué)理論知識和具體工程實(shí)例結(jié)合在了一起。

4 ?結(jié)語

布魯納說過：“認(rèn)知是一個過程，而不是一個結(jié)果?！币虼?，高等課程教學(xué)，不是教學(xué)生把結(jié)果記下來，而是教他知識建立的過程。我國大學(xué)工科畢業(yè)生數(shù)量約為美國的4倍，德國的10倍，但我國工程師人均創(chuàng)造GDP僅為美國、德國的1/10。原因之一就是我國高等教育在培養(yǎng)學(xué)生的工程思維上存在突出的問題，絕大多數(shù)工程師“上手快”，卻“后勁不足”，缺乏工程創(chuàng)新意識。在力學(xué)基礎(chǔ)課程教育過程中，注重培養(yǎng)學(xué)生的工程思維，可極大地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生自主思考，顯著提高教學(xué)質(zhì)量。這對工科類學(xué)生們從根本上理解、學(xué)習(xí)、應(yīng)用知識，最終培養(yǎng)工程創(chuàng)新思維是非常重要的。

參考文獻(xiàn)

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