王明祿

摘 要 材料力學(xué)是高等工科院校工科專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，隨著高等教育的不斷改革與發(fā)展，材料力學(xué)教學(xué)改革已變得非常必要。從材料力學(xué)課程知識體系調(diào)整的角度出發(fā)，分析傳統(tǒng)課程體系存在的若干問題及改革的必要性，提出相應(yīng)的調(diào)整措施，分析新課程體系的優(yōu)點，并在實際教學(xué)過程中加以實踐，教學(xué)效果非常明顯。

關(guān)鍵詞 材料力學(xué)；知識體系；實驗；教學(xué)改革

中圖分類號：G642.3 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）22-0090-03

Research and Practice on Adjustment of Material Mechanics Course Knowledge System//WANG Minglu

Abstract Materials mechanics is an important professional basic course of engineering majors in technological university. Teaching reform of materials mechanics has become a necessity with the con-

tinuous reform and development of higher education. This paper starts from the perspective of the material mechanics course know-ledge system， Several problems in the traditional course system and the necessity of reform are analyzed. The corresponding adjustment measures were put forward. The advantages of the new curriculum system are analyzed and applied it in practice. The practice proves that the teaching effect is very good.

Key words materials mechanics； knowledge system； experiment； teaching reform

1 前言

材料力學(xué)是高等工科院校機械、土木及材料等專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，對于后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和專業(yè)知識結(jié)構(gòu)框架的構(gòu)建起著至關(guān)重要的作用[1]。通過學(xué)習(xí)材料力學(xué)，可以使學(xué)生掌握研究構(gòu)件強度、剛度和穩(wěn)定性的基本原理和方法，培養(yǎng)學(xué)生掌握將實際工程問題轉(zhuǎn)化為力學(xué)模型的方法，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)、工程問題的解決及科學(xué)研究打下良好的基礎(chǔ)[2]。

為了適應(yīng)經(jīng)濟和社會發(fā)展的需要，許多高等院校對課程設(shè)置及學(xué)時分配做了重大調(diào)整，材料力學(xué)的授課學(xué)時因此受到大幅削減。在材料力學(xué)基本教學(xué)內(nèi)容基本無法減少的情況下，為了在有限的時間內(nèi)完成教學(xué)計劃所規(guī)定的內(nèi)容，傳統(tǒng)的材料力學(xué)教學(xué)體系的調(diào)整與改革已經(jīng)變得刻不容緩。筆者從材料力學(xué)課程知識體系調(diào)整的角度出發(fā)，分析傳統(tǒng)課程體系存在的若干問題及改革的必要性，并且提出相應(yīng)的調(diào)整措施，分析新課程體系的優(yōu)點，在實際教學(xué)過程中加以實踐，教學(xué)效果非常明顯。

2 現(xiàn)行材料力學(xué)課程體系存在的問題

現(xiàn)行材料力學(xué)課程體系主要存在兩個方面的問題：一是材料力學(xué)授課學(xué)時的削減已無法保質(zhì)保量地完成傳統(tǒng)知識體系中的教學(xué)內(nèi)容；二是傳統(tǒng)的材料力學(xué)知識體系已經(jīng)跟不上高等教育不斷改革與發(fā)展的需求。

授課學(xué)時不斷被削減 近年來，隨著高等院校教學(xué)計劃的調(diào)整，與其他專業(yè)基礎(chǔ)課一樣，材料力學(xué)的授課學(xué)時被大幅削減。以齊魯工業(yè)大學(xué)機械制造及其自動化專業(yè)為例，材料力學(xué)最初的授課學(xué)時是72學(xué)時，而現(xiàn)在為56學(xué)時，還有些專業(yè)（如過程裝備工程等）則減少到48學(xué)時。但是為了后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和滿足學(xué)生考研的需求，材料力學(xué)的基本教學(xué)內(nèi)容無法進行刪減[3]。材料力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容主要包括四種基本變形、強度理論、組合變形、壓桿穩(wěn)定、動載荷、能量法和超靜定問題等，覆蓋的知識點較多，內(nèi)容的邏輯性較強，這就要求學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中必須做到溫故知新，否則就會比較吃力。但是，由于課時較緊，部分學(xué)生學(xué)習(xí)主動性不高，或者偶爾曠課，造成個別內(nèi)容沒有及時理解，就會對后續(xù)內(nèi)容的學(xué)習(xí)造成障礙，最后導(dǎo)致學(xué)生喪失對材料力學(xué)的學(xué)習(xí)興趣。

傳統(tǒng)的知識體系知識點重復(fù)太多 目前，大多數(shù)材料力學(xué)教材的內(nèi)容體系仍延續(xù)蘇聯(lián)的鐵木辛柯體系，即以拉壓、剪切、扭轉(zhuǎn)和彎曲這四種基本變形為主線，講述構(gòu)件的強度和剛度問題，進而講述復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下構(gòu)件的強度問題（即應(yīng)力應(yīng)變理論和組合變形）及壓桿的穩(wěn)定性問題，最后講述能量法和超靜定問題。材料力學(xué)傳統(tǒng)知識體系在講述四種基本變形時均采用了相同的知識結(jié)構(gòu)體系，即通過構(gòu)件所受外力利用截面法求出內(nèi)力，然后利用“三關(guān)系法”（即變形幾何關(guān)系、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、靜力學(xué)關(guān)系）推導(dǎo)應(yīng)力計算公式進而解決強度問題，通過應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系即本構(gòu)方程推導(dǎo)變形計算公式進而解決剛度問題。這種以構(gòu)件的四種基本變形為主線的知識結(jié)構(gòu)體系，雖然理論講解很詳細(xì)，但是公式推導(dǎo)過程和重復(fù)點過多；盡管看似分類清晰，但是學(xué)時花費量太大；教師難以對教學(xué)過程加以創(chuàng)新，很難抓住學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，故而學(xué)習(xí)效果不佳。

另外，對于材料力學(xué)中的超靜定問題，一般教材中分別分布在四個章節(jié)中，即拉壓超靜定問題、扭轉(zhuǎn)超靜定問題、彎曲超靜定問題和正則方程解決超靜定問題。這幾種超靜定問題的解題思路是基本相同的，即平衡方程個數(shù)不足，幾何方程加以補充，物理方程聯(lián)系平衡方程和幾何方程得以求解。用力法求解超靜定結(jié)構(gòu)時，其正則方程的實質(zhì)同樣是幾何方程。但是上述幾個問題分布在不同章節(jié)中，教學(xué)內(nèi)容重復(fù)太多，造成學(xué)時花費量大，不利于學(xué)生的理解和學(xué)習(xí)。endprint

由此可見，現(xiàn)行的這套教學(xué)知識體系已經(jīng)不適應(yīng)教學(xué)發(fā)展，對材料力學(xué)課程知識體系進行必要調(diào)整勢在必行。

3 材料力學(xué)知識體系調(diào)整方案

一般到特殊的內(nèi)容體系 對于材料力學(xué)的基本概念和基本定理，考慮從一般問題出發(fā)，將復(fù)雜載荷作用下構(gòu)件的六個內(nèi)力分量（即一個軸力、兩個剪力、兩個彎矩、一個扭矩）全部推出，并分析這幾個內(nèi)力所產(chǎn)生的變形的不同，以及這幾個內(nèi)力組合作用時所產(chǎn)生的復(fù)雜變形。這樣的知識點安排既能做到承前啟后，又利于學(xué)生理解和掌握。同時，在講授四種基本變形形式之前，可以先引入應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)分析的內(nèi)容，使學(xué)生從一開始就對構(gòu)件的變形問題建立起一個更加全面而深刻的理解和掌握。這樣，學(xué)生可以從一個較高的認(rèn)識起點出發(fā)，進一步推導(dǎo)、分析和解決四種具體的變形的強度和剛度問題，對知識的理解更加透徹，掌握更加牢固。

專題方式分析解決材料力學(xué)問題 從方法論的角度出發(fā)，將材料力學(xué)的主要知識內(nèi)容分解成若干專題進行講解，在具體教學(xué)過程中分析總結(jié)同一類問題的特點與規(guī)律，著重培養(yǎng)學(xué)生從工程實際中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。此方法的基本做法：在新知識體系的前半部分，將材料力學(xué)四種基本變形的內(nèi)力、應(yīng)力及變形分成若干專題內(nèi)容組織講述。

1）內(nèi)力及內(nèi)力圖專題：集中講解桿件在不同外力作用下所產(chǎn)生的各種簡單變形的內(nèi)力（即軸向拉壓的軸力、剪切變形的剪力、圓軸扭轉(zhuǎn)的扭矩、直梁彎曲的剪力和彎矩）；求解構(gòu)件內(nèi)力的基本方法（截面法），以及在此基礎(chǔ)上總結(jié)形成的求不同變形內(nèi)力的簡便方法；最后分別講解不同變形內(nèi)力圖的畫法（內(nèi)力方程描點作圖法、微分關(guān)系快速作圖法、疊加原理作圖法），同時總結(jié)出不同變形內(nèi)力圖的簡便畫法。

2）應(yīng)力及強度條件專題：集中講解桿件四種變形情況下橫截面上應(yīng)力計算公式的推導(dǎo)、應(yīng)力分布規(guī)律及構(gòu)件強度條件的建立與應(yīng)用。對于每一種變形，這些問題的解決過程非常相似，可對后出現(xiàn)的相似內(nèi)容進行簡略講解，既利于學(xué)生接受，又可大大節(jié)省授課學(xué)時。

3）變形及剛度條件專題：集中講解外力作用下，桿件四種變形情況的變形計算公式推導(dǎo)和構(gòu)件剛度條件的建立及應(yīng)用。同樣，對于每一種變形，這些問題的解決過程非常相似，可對后出現(xiàn)的相似內(nèi)容進行簡略講解。

新知識體系的后半部分為知識加深或補充的內(nèi)容，具體包括組合變形專題、壓桿穩(wěn)定校核專題、疲勞強度計算專題、能量法專題、超靜定專題、現(xiàn)代材料力學(xué)的發(fā)展趨勢等，在實際教學(xué)中根據(jù)專業(yè)要求的不同，進行選擇性開設(shè)。

實驗課與理論課的銜接問題 實驗在材料力學(xué)課程知識體系中占有非常重要的地位。在材料力學(xué)教學(xué)中，實驗內(nèi)容包括軸向拉壓實驗、圓軸扭轉(zhuǎn)實驗、直梁彎曲實驗和組合變形實驗，每個實驗兩學(xué)時。現(xiàn)在一般做法是先講理論后實驗，在當(dāng)前高校普遍擴招的大環(huán)境下，實驗室資源就變得相對緊張，較多班級排隊進行實驗，且同組進行實驗的學(xué)生數(shù)較多，這樣引起的后果不言而喻。

可將實驗課安排在相應(yīng)知識點與實驗現(xiàn)象之間進行，引導(dǎo)學(xué)生主動分析實驗內(nèi)容的相關(guān)原理和探索實驗結(jié)果發(fā)生的本質(zhì)原因，最終達到實現(xiàn)研究性教學(xué)的目的。如對于圓軸扭轉(zhuǎn)實驗，可在講述扭轉(zhuǎn)應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律后立即實驗，然后講述材料扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能。這樣既能激發(fā)學(xué)生的探索欲望，又利于后續(xù)理論知識的學(xué)習(xí)。

4 材料力學(xué)新知識體系的優(yōu)點

結(jié)構(gòu)清晰，易于理解和掌握 由一般到特殊的材料力學(xué)新知識體系，使教學(xué)內(nèi)容變得簡潔而又脈絡(luò)清晰，易于教師講解和學(xué)生接受。在特殊的材料力學(xué)問題中，以內(nèi)力計算為例，先講解最一般外力情況下構(gòu)件橫截面上的六種內(nèi)力，再分別講解特殊外力作用下的內(nèi)力（即軸向拉壓時的軸力、剪切時的剪力、圓軸扭轉(zhuǎn)時的扭矩、直梁彎曲時的剪力和彎矩），使學(xué)生對構(gòu)件的幾種變形產(chǎn)生整體的了解和掌握，再講其應(yīng)力和變形時，學(xué)生的聽講目標(biāo)就會非常明確，對于知識點的理解和掌握就會變得非常容易，進而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性[4]。

這種從一般到特殊的知識體系，有利于教師全面準(zhǔn)確地闡述材料力學(xué)的基本概念和基本定理，使學(xué)生對材料力學(xué)基本理論的理解、掌握和應(yīng)用更加簡單。這種知識體系使學(xué)生用全新的思路去理解材料力學(xué)的基本概念和基本定理，從整體上對知識點進行理解和把握，從具體而片面的理解提高到一般而全面的掌握。學(xué)生在應(yīng)用力學(xué)知識解決實際工程問題時，可有效避免因?qū)靖拍詈屠碚摰膶嵸|(zhì)認(rèn)知局限性而產(chǎn)生的分析障礙與理解錯誤。對于教師而言，在知識體系的順序安排及講解上提高了起點，能夠充分利用學(xué)生前續(xù)課程中掌握的內(nèi)容，使理論敘述簡明而利于學(xué)生接受、推導(dǎo)嚴(yán)謹(jǐn)而利于學(xué)生信服。同時，這種新的知識體系有利于培養(yǎng)學(xué)生用所學(xué)知識來解決工程實際問題的能力[5]。

利于學(xué)生理解掌握和創(chuàng)造性思維的培養(yǎng) 新的材料力學(xué)知識體系有利于教師對重要知識點進行展開講述，并且對學(xué)生創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)是十分有利的。如在講述拉壓正應(yīng)力公式的推導(dǎo)時，由于該變形的公式較其他變形相對簡單，可潛引默化地引入所謂的“三關(guān)系法”。當(dāng)學(xué)生對該法有一定的了解和掌握后，進一步要求學(xué)生利用該方法自行推導(dǎo)扭轉(zhuǎn)應(yīng)力公式和彎曲正應(yīng)力公式，利用自己推導(dǎo)出來的公式解決相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)強度問題和彎曲強度問題，可謂一舉多得。采用新的材料力學(xué)知識體系授課，教師可以培養(yǎng)學(xué)生舉一反三的學(xué)習(xí)能力，引導(dǎo)學(xué)生積極創(chuàng)新，使學(xué)生的思維空間得到充分發(fā)展和創(chuàng)新，培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力。

利于學(xué)生職業(yè)素養(yǎng)和科研素養(yǎng)的培養(yǎng) 目前，許多學(xué)校要求將科研融入課堂，因此可充分利用調(diào)整材料力學(xué)知識體系的機會，將一些前沿性的知識點融入教材中。新的材料力學(xué)知識體系及教師相關(guān)的科研成果適當(dāng)引入新的知識點，有利于開闊學(xué)生視野。新的材料力學(xué)知識體系通過引入新的知識、新的理論和新的方法，既適應(yīng)了當(dāng)前要求科研融入課堂的要求，又開闊了學(xué)生的視野，有利于學(xué)生職業(yè)素養(yǎng)和科研素養(yǎng)的培養(yǎng)，為日后工作或繼續(xù)深造打下良好的基礎(chǔ)。

減少不必要的重復(fù)，節(jié)省了教學(xué)學(xué)時 通過重新編排材料力學(xué)知識體系，減少了不必要的重復(fù)，達到節(jié)省教學(xué)學(xué)時的目的。新的知識體系更有利于教師組織課堂教學(xué)，抓住學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課堂教學(xué)質(zhì)量。同時，新的知識體系下，教師根據(jù)實際學(xué)情精選基本教學(xué)內(nèi)容變得更加方便，更有利于拓寬學(xué)生的知識面，有利于學(xué)生將材料力學(xué)中所學(xué)的理論知識和方法與實際工程問題相結(jié)合。

5 結(jié)論

材料力學(xué)在高等工科院校工科專業(yè)構(gòu)成中占有非常重要的地位。但是隨著高等教育的不斷改革與發(fā)展，一方面，材料力學(xué)的教學(xué)學(xué)時在不斷被削減；另一方面，材料力學(xué)知識體系日顯陳舊。因此，材料力學(xué)知識體系的調(diào)整與改革已經(jīng)刻不容緩。本文從材料力學(xué)課程知識體系調(diào)整的角度出發(fā)，分析傳統(tǒng)課程體系存在的若干問題和調(diào)整的必要性，提出相應(yīng)的調(diào)整措施：對基本概念和定理采用從一般到特殊的內(nèi)容體系進行安排；采用專題方式分析解決材料力學(xué)問題；重新安排實驗課與理論課的銜接問題。

將以上調(diào)整與改革措施在實際教學(xué)過程中加以實踐，教學(xué)效果非常明顯。在當(dāng)前授課學(xué)時少、教學(xué)內(nèi)容多的情況下，新的材料力學(xué)知識體系使教學(xué)內(nèi)容更加緊湊，更加有利于教師合理調(diào)整授課內(nèi)容，提高課堂教學(xué)效率和學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，有利于培養(yǎng)出基礎(chǔ)知識牢固且各方面全面發(fā)展的高素質(zhì)人才。

參考文獻

[1]教育部高等學(xué)校力學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會力學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會.高等學(xué)校理工科非力學(xué)專業(yè)力學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求[M].北京：高等教育出版社，2012.

[2]陳云信.《材料力學(xué)》課程教學(xué)改革與實踐[J].江漢大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版，2014（4）：40-44.

[3]夏錦文，程曉樵.研究性教學(xué)的理論內(nèi)涵與實踐要求[J].中國大學(xué)教學(xué)，2009（12）：25-28.

[4]閆冰潔.案例教學(xué)在材料力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2007（7）：256-257.

[5]司鵠.材料力學(xué)課程教學(xué)體系改革研究與實踐[J].高等建筑教育，2005（1）：62-63.endprint