倪曉宇　劉英

摘 要：《材料力學(xué)》是工科學(xué)校土木、機(jī)械等專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，但由于材料力學(xué)理論的抽象、學(xué)時的短缺以及學(xué)生前期知識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，同時也具有較高工程實(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)理論知識并將所學(xué)知識應(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

中圖分類號：TB301-4；G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）12（a）-0144-02

材料力學(xué)是機(jī)械、土木類專業(yè)學(xué)生重要的專業(yè)基礎(chǔ)課之一，以桿、梁、軸等簡單構(gòu)件作為研究內(nèi)容，卻又是力學(xué)理論與工程實(shí)際問題緊密結(jié)合的一門橋梁課程。但簡單的概念介紹、理論推導(dǎo)以及脫離實(shí)際問題的題目練習(xí)，已經(jīng)讓多數(shù)學(xué)生，尤其是工科成績不理想的學(xué)生感覺整個材料力學(xué)的學(xué)習(xí)過程十分枯燥；加之目前學(xué)校對各個專業(yè)課程的調(diào)整，材料力學(xué)學(xué)時縮短，課堂內(nèi)容較多且授課速度較快，而使得學(xué)生在枯燥無味的學(xué)習(xí)過程中失去了學(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應(yīng)付考試的不良心理。然而，對于土木和機(jī)械專業(yè)的本科生來說，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)對象的特點(diǎn)，改善教學(xué)方法，結(jié)合實(shí)際工程問題，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)理論知識并將所學(xué)知識應(yīng)用到工程實(shí)際中去，都是目前應(yīng)用型高校土木、機(jī)械類工程專業(yè)材料力學(xué)課程教學(xué)改革中急需解決的問題[1]。

1 教學(xué)方法的研究與思考

材料力學(xué)是一門理論性較強(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，既能將理論講活，又能培養(yǎng)學(xué)生動手、分析和解決問題的能力。因此，針對我們學(xué)校的材料力學(xué)課堂教學(xué)效果，以及針對我們學(xué)校的土木、機(jī)械專業(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，則會產(chǎn)生“照本宣科”的效果，無法體現(xiàn)出材料力學(xué)知識的整體性和系統(tǒng)性，學(xué)生學(xué)習(xí)會缺少主線，理解不透，學(xué)習(xí)積極性逐步削減，學(xué)生無法對知識進(jìn)行系統(tǒng)性學(xué)習(xí)，也無法對所學(xué)知識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方面來體現(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)力從一個方向變?yōu)閮蓚€方向，課程是由簡入難的。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（或稱機(jī)械性能）的研究，是固體力學(xué)其他分支的計算中必不可缺少的依據(jù)。另一部分是對桿件進(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（有時還應(yīng)考慮剪切）的梁和受扭轉(zhuǎn)的軸等幾大類；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、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)生則會在課程的開始就意識到每個章節(jié)之間并非孤立的。后續(xù)的學(xué)習(xí)中，學(xué)生自然而然地會將所學(xué)內(nèi)容串聯(lián)起來，并找到材料力學(xué)的規(guī)律，體會知識的整體性和系統(tǒng)性，從而加深并鞏固所學(xué)的知識。

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

有興趣的學(xué)習(xí)心理可以讓學(xué)生更主動、積極地完成學(xué)習(xí)，就可以擁有很高的學(xué)習(xí)效率。對于材料力學(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疑是最佳途徑，但僅僅局限于課堂理論的教學(xué)模式，是無法真正體現(xiàn)材料力學(xué)工程應(yīng)用價值的。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。比如在講解緒論時就可提出類似于“美國911事件中的世貿(mào)大廈被炸毀，整個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)于材料性能的問題。問題的提出肯定能帶動學(xué)生積極的思考，于是材料力學(xué)的相關(guān)研究內(nèi)容便可在學(xué)生的積極思考中引出來。此外，問和答的互動也能活躍課堂氣氛，使學(xué)生的學(xué)習(xí)樂趣和興趣大大提高。

課程中期和后期同樣也需要較多的工程實(shí)例來支撐，并且需側(cè)重于工程實(shí)例問題的分析和求解。授課過程中，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)知識一步一步且快速地對工程實(shí)例中的問題進(jìn)行簡化、歸類，獲得求解模型。綜合目的是指導(dǎo)學(xué)生從力學(xué)原理角度來完成實(shí)際工程問題的分析與求解，讓學(xué)生真正懂得如何運(yùn)用相應(yīng)的理論知識解決工程問題。當(dāng)然，整個過程中，需要突出工程意義，這對學(xué)生認(rèn)識力學(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)自己的科研項目，選取并設(shè)計多個完整的項目進(jìn)行教學(xué)活動，在課堂教學(xué)中把理論知識能夠較好地應(yīng)用于工程實(shí)際，充分挖掘?qū)W生解決實(shí)際問題的能力。

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

根據(jù)不同的專業(yè)方向，材料力學(xué)本科教學(xué)分為多學(xué)時和少學(xué)時課程。少學(xué)時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)時的課程則是在少學(xué)時的基礎(chǔ)上，相應(yīng)增加能量法等內(nèi)容。針對多學(xué)時和特定專業(yè)的學(xué)生，有必要對所授內(nèi)容在深度和廣度上同時擴(kuò)充。endprint

本科階段的材料力學(xué)研究的問題都是在滿足幾個基本假設(shè)，材料在服從胡克定律的前提下求解線性問題的，若桿件在多種外力共同作用下的變形（或內(nèi)力），可采用疊加原理來獲得最終結(jié)果，這是線性問題。而類似于訂書釘和釣魚竿等日常生活中很常見的非線性問題則能引起學(xué)生更大的注意力，因此，在介紹線性問題時，有必要對一些非線性問題進(jìn)行解釋并給出簡單的求解思路，即可提出幾何非線性問題。于此同時，還可以進(jìn)一步引入物理非線性問題（材料不服從胡克定律），并說明在幾何和物理非線性問題中，疊加原理失效，而解決這類問題可用卡氏第一定理、克羅蒂·恩蓋塞定理或單位載荷法等。從線性問題深入到非線性問題，能讓學(xué)生進(jìn)一步感知課程知識的完整性和系統(tǒng)性。

面對更多更復(fù)雜的工程問題，無論是線性還是非線性，僅用書上的材料力學(xué)知識是無法滿足模型求解的，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)生的知識面?？梢越栌糜邢拊治鲕浖寣W(xué)生從仿真的角度了解構(gòu)件變形規(guī)律，比如懸臂梁彎曲時的彎矩分布以及應(yīng)力分布規(guī)律。學(xué)生可以通過仿真分析結(jié)果更加深入地了解材料力學(xué)理論知識，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，也能增強(qiáng)學(xué)生對工程問題的求知欲。

對知識深度和寬度的擴(kuò)充也是讓學(xué)生能有更多的知識積累，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)打下堅實(shí)的基礎(chǔ)，同時也能為解決實(shí)際問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，積極鼓勵學(xué)生參加材料力學(xué)競賽，如全國周培源大學(xué)生力學(xué)競賽以及基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)競賽等，而知識的擴(kuò)展則能幫助學(xué)生提升在力學(xué)競賽中的自信，反之，競賽也能促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)力學(xué)的興趣，培養(yǎng)分析、解決實(shí)際問題的能力，并充分展示學(xué)生的基礎(chǔ)知識和思維能力，對培養(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)生的動手能力的同時，更好地理解理論知識。除此之外，授課教師還可以設(shè)計多種不同的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生通過不同的實(shí)驗(yàn)方案，獲得成功解決實(shí)際問題的思路和方法，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，學(xué)生在不受時間、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)揮主觀能動性[2]，能與真實(shí)實(shí)驗(yàn)一樣鍛煉學(xué)生的動手能力以及培養(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：每個學(xué)生都可以不依賴于實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)硬件資源，對低碳鋼和鑄鐵材料力學(xué)性能進(jìn)行多次測定，充分了解載荷與變形，應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系，對材料的幾個基本特征點(diǎn)（比例極限、屈服極限、強(qiáng)度極限等），相信對材料力學(xué)中的強(qiáng)度以及剛度問題會有更透徹的理解和認(rèn)識。

2 結(jié)語

教學(xué)方法改善是提高教學(xué)質(zhì)量的一個重要手段，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)雖然是一門經(jīng)典老課，但可以通過創(chuàng)新教育教學(xué)的方法，來完成該課程的現(xiàn)代教學(xué)。在促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)主動性、積極性的同時，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，并通過實(shí)驗(yàn)和工程問題相結(jié)合，使學(xué)生真正擁有解決工程實(shí)際問題的能力，成為真正有用的應(yīng)用型或創(chuàng)造型高級人才。

參考文獻(xiàn)

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[2] 李斌，閆琴.材料力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計[J].中國西部科技，2011，10（12）：36-37.

[3] 劉輝蘭.關(guān)于力學(xué)習(xí)題課教學(xué)的幾點(diǎn)思考[J].科技信息，2009（4）：42.endprint