《工程力學(xué)》教學(xué)方法初探

《工程力學(xué)》是一門研究物體機(jī)械運(yùn)動規(guī)律以及構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等計算原理的科學(xué)，是一門理論性較強(qiáng)的技術(shù)基礎(chǔ)課，在工科各專業(yè)的教學(xué)計劃中占有重要的地位。它是學(xué)習(xí)后續(xù)課程如機(jī)械原理、機(jī)械零件等其它專業(yè)課的基礎(chǔ)，也是解決工程實際問題的重要理論基礎(chǔ)。由于這門課程內(nèi)容豐富，理論性強(qiáng)，體系嚴(yán)密復(fù)雜，會給初學(xué)者帶來一定的難度。本文擬從教學(xué)方法上對《工程力學(xué)》的課堂教學(xué)作初步探討。

工程力學(xué)的內(nèi)容分為四個單元，每個單元自成體系，共同構(gòu)成教材框架。學(xué)生在掌握整體布局的情況下，再來學(xué)習(xí)部分內(nèi)容，就會做到心中有數(shù)，便于抓住規(guī)律，理解問題，融匯貫通，形成自己的知識體系。而且，先“總”后“分”，能夠分解教材難度，起到綱舉目張、事半功倍的學(xué)習(xí)效果，采用總——分——總的方法進(jìn)行教學(xué)，書本會越學(xué)越熟，越學(xué)越薄。

一、分單元對教材體系和基本內(nèi)容做簡要分析

第一單元“緒論”概括地說明了什么是工程力學(xué)、其研究對象、研究任務(wù)、研究方法及在工程技術(shù)中的地位和作用，為全書的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)；第二單元“靜力學(xué)”主要研究物體在力系的作用下的平衡規(guī)律，主要解決力系的簡化和力系的平衡兩個方面的問題，并圍繞著這兩個問題從6個章節(jié)進(jìn)行了講述：靜力學(xué)基本概念、公理，平面匯交力系，力矩和平面力偶系，平面任意力系，空間力系，重心。教材內(nèi)容由淺入深，由簡單到復(fù)雜，層層遞進(jìn)。要強(qiáng)調(diào)不管什么力系，解決問題的思路和方法都是一樣的，即先選取對象、分析受力、畫出受力圖，然后根據(jù)平衡條件建立平衡方程求解：第三單元“材料力學(xué)”主要研究物體的承載能力。即在保證構(gòu)件既經(jīng)濟(jì)又安全的情況下，建立構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性計算的理論基礎(chǔ)，從而為構(gòu)件選用適當(dāng)?shù)牟牧希_定合理的截面形狀和尺寸。圍繞這一任務(wù)，材料力學(xué)分別從拉伸(壓縮)、剪切、扭轉(zhuǎn)、彎曲這四種基本的變形出發(fā)，研究構(gòu)件在每一種變形下的內(nèi)力、應(yīng)力、變形，進(jìn)而建立強(qiáng)度條件、剛度條件、穩(wěn)定性條件，從而保證研究對象的承載能力；第四單元“運(yùn)動力學(xué)”包括運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)兩部分。運(yùn)動學(xué)主要研究物體運(yùn)動的幾何性質(zhì)，即物體運(yùn)動的方程、軌跡、速度、加速度，而動力學(xué)主要研究物體的運(yùn)動變化與受力關(guān)系，即應(yīng)用牛頓運(yùn)動三定律、動能定理、動靜法解決動力學(xué)問題。

這四個單元，既相互聯(lián)系又相互區(qū)別。首先，它們都串在“力”這個紅線上，都在研究力學(xué)問題。如：靜力學(xué)是研究物體在力的作用下的平衡問題，材料力學(xué)是研究物體在力的作用下變形及強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性問題，運(yùn)動力學(xué)是研究物體在力的作用下的運(yùn)動狀態(tài)及力與運(yùn)動變化的關(guān)系。其次，它們之間的區(qū)別在于研究的對象和研究的側(cè)重點(diǎn)不同。靜力學(xué)、運(yùn)動力學(xué)的研究對象是剛體，只研究剛體在力的作用下的宏觀狀態(tài)。而材料力學(xué)研究的是可變形固體在外力作用下的微觀狀態(tài)，側(cè)重點(diǎn)不同。教師在講課時應(yīng)注意引導(dǎo)學(xué)生分析其聯(lián)系與區(qū)別，根據(jù)研究的不同側(cè)重點(diǎn)，抓主要矛盾，解剖麻雀。同時，要認(rèn)識整個教材的脈絡(luò)與精髓，這樣學(xué)起來才思路清晰、條理分明。每一單元結(jié)束，進(jìn)行小結(jié)，對整個教材，畫出結(jié)構(gòu)樹圖，捋清枝蔓，提綱挈領(lǐng)，總結(jié)歸納。

二、采用理論聯(lián)系實際的方法教學(xué)

學(xué)工程力學(xué)不僅是為了掌握技術(shù)基礎(chǔ)理論，更重要地是能夠運(yùn)用所學(xué)理論知識指導(dǎo)實際工作，解決工程實際及日常生活中出現(xiàn)的問題。在教學(xué)理論的同時，要和工程實際及日常生活緊密相連，引導(dǎo)學(xué)生注意觀察積累，培養(yǎng)他們分析問題、解決問題的能力。

關(guān)于理論聯(lián)系實際，筆者以為要緊緊抓住兩根紅線。一是工程實際中的重大問題、事故；二是人們?nèi)粘Ｉ钪杏龅降膯栴}。這就要求教師要注意收集、積累與教學(xué)有關(guān)的信息、工程案例、事故案例的圖片、資料，通過多媒體教學(xué)，形象直觀地講解，并應(yīng)用所學(xué)理論進(jìn)行透徹分析。同時，要求學(xué)生活學(xué)活用，舉一反三。通過理論聯(lián)系實際，既加深對理論的理解，也對學(xué)生進(jìn)行具體案例的教育。如在學(xué)習(xí)摩擦角與自鎖問題時，筆者啟發(fā)學(xué)生：在堆放松散物料(糧食、沙粒)時，堆起的最大休止角度是一定的，原因在于摩擦角僅僅取決于物料之間的摩擦系數(shù)f(f=tan)。應(yīng)用這一理論，聯(lián)系修筑鐵路邊坡和道路邊坡時，其最大坡度不得超過土壤的最大休止角，否則，會導(dǎo)致滑坡。

在講到拉(壓)構(gòu)件的強(qiáng)度問題時，筆者以幻燈圖片例舉了2001年11月重慶宜賓大橋斷為三截的原因，在于承重鋼絲繩年久失修，強(qiáng)度不夠?qū)е聰嗔选亩嬖V學(xué)生，鑒于許多現(xiàn)代化的橋梁(武漢長江二橋、夷陵大橋、杭州灣跨海大橋等)都是斜拉橋，必須定期維修保養(yǎng)，保證受拉鋼絲的強(qiáng)度。在學(xué)習(xí)力的平移定理時，為了講清力的平移對物體的作用效果，筆者播放鄧亞萍奪冠圖片后啟發(fā)學(xué)生：“鄧亞萍打的球為何不好接，有何特點(diǎn)?”學(xué)生回答： “她打的是削球(或鏟球)?！比缓?。引導(dǎo)學(xué)生從應(yīng)用力的平移定理分析力對球的作用效果，明白了作用在球邊上的力如果將其平移到球心則會得到一個等值等向的力和一個力偶，對整個球體產(chǎn)生了推動前進(jìn)和產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)兩種作用，即鄧亞萍打出的是旋轉(zhuǎn)球。這樣。接球的難度和失誤的概率才會加大。先提出問題，再通過理論分析解決問題，學(xué)生會如撥云見日，茅塞頓開。

為了促進(jìn)學(xué)習(xí)梁的變形知識。筆者提出：目前跨度較大的橋梁，或為簡支梁；或為連續(xù)梁，或為鋼構(gòu)梁，但不管何種結(jié)構(gòu)梁，都得留出一定的伸縮縫。通過計算分析得出結(jié)論：大型工程構(gòu)件受熱脹冷縮的影響，其變形量很大，容易造成結(jié)構(gòu)破壞。設(shè)計可伸縮結(jié)構(gòu)(簡支結(jié)構(gòu)支承、連續(xù)梁的中間預(yù)留縫)，正是為了放散應(yīng)力，避免熱脹冷縮造成構(gòu)件的破壞。在學(xué)習(xí)壓桿失穩(wěn)這一部分知識時，筆者聯(lián)系到19世紀(jì)曾多次發(fā)生橋梁倒塌的‘慘痛事故，以圖片資料列舉了當(dāng)時瑞士孟汗希太橋失事、約200人遇難的例子，通過分析原因，闡明橋梁桁架中的受壓桿失穩(wěn)引起事故的事實。

通過列舉實例，并應(yīng)用理論分析說明，既加深了學(xué)生對理論知識的理解，也大大提高了他們的學(xué)習(xí)興趣和求知欲。在接受知識的同時，也強(qiáng)化了工程設(shè)計、工程施工及設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)等方面的“安全第一”理念教育。實踐證明：學(xué)習(xí)理論，不僅在于提高分析問題的能力，更在于培養(yǎng)學(xué)生掌握解決問題的方法。通過一段時間工程力學(xué)的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，學(xué)生變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)，逐步養(yǎng)成了理論聯(lián)系實際的好習(xí)慣。他們都嘗試用所學(xué)理論解釋工程技術(shù)中及日常生活中碰到的問題，提高了學(xué)習(xí)效率，取得了較好的效果。

三、采取精講多練、觸類旁通、自學(xué)討論、檢查考評相結(jié)合的方法教學(xué)

工程力學(xué)教材內(nèi)容豐富，枝蔓繁多。教師應(yīng)在有限的時間內(nèi)，著重講述教材的體系結(jié)構(gòu)、目的要求、基本概念、解決問題的思路和方法，等等。抓住重點(diǎn)，解剖麻雀，使學(xué)生能真正融匯貫通、舉一反三、觸類旁通，不必遍地撒網(wǎng)、面面俱到。教師在講解的同時，應(yīng)注意培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力，積極引導(dǎo)他們閱讀教材及相關(guān)資料，深鉆書本，弄清脈絡(luò)和精髓，掌握規(guī)律，注意知識的內(nèi)在聯(lián)系與區(qū)別。同時，要多做練習(xí)，熟能生巧。還要倡導(dǎo)學(xué)生課上積極發(fā)言，發(fā)表自己的見解，課后多討論，多爭議，各抒己見，提高認(rèn)識，達(dá)成共識。葉圣陶說：“教是為了不教?！睂W(xué)生掌握了自學(xué)的方法，寓學(xué)于樂，才會終身受益。

教師應(yīng)采取課堂提問、排演、作業(yè)、定期測驗等多種手段，督促學(xué)生學(xué)習(xí)，及時消化所講內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，查漏補(bǔ)缺，有目的、有針對性地解決問題。要注意培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使他們既善于學(xué)，又樂于學(xué)，在學(xué)習(xí)中獲得快樂，獲得成就感。要通過各種形式展示學(xué)生的作品和成績、成果，提升他們的自信心和求知欲。對于學(xué)習(xí)認(rèn)真、成績突出、作業(yè)規(guī)范且準(zhǔn)確率高的學(xué)生，要及時表揚(yáng)，樹立榜樣，以此調(diào)動大家的學(xué)習(xí)積極性。對于成績相對較差的學(xué)生，也要盡量多表揚(yáng)長處，少批評缺點(diǎn)，多激勵，少挖苦，發(fā)現(xiàn)閃光點(diǎn)，以此調(diào)動其學(xué)習(xí)的興趣。要以正面教育、自我教育為主，切忌簡單粗暴、揭短挖苦，避免形成師生對立，造成心理隔閡，對教學(xué)產(chǎn)生不利影響。

筆者在多年工程力學(xué)的教學(xué)中運(yùn)用以上方法，取得了較為滿意的效果。學(xué)生變“要我學(xué)”為“我要學(xué)”，既“善于學(xué)”，又“樂于學(xué)”。很多學(xué)生深有感觸地說：“工程力學(xué)是一本厚書，我們把它讀薄了。工程力學(xué)是一本難書，我們把它讀活了?！鄙钐幪幗詫W(xué)問，只要學(xué)生掌握了知識這一武器，學(xué)會了正確的思維方法，就沒有越不過的“火焰山”。當(dāng)然，任何一門課程的教學(xué)方法，都應(yīng)該是豐富多彩、靈活多樣的，只要教師善于從學(xué)生的實際出發(fā)，摸準(zhǔn)教材脈絡(luò)，遵循教育教學(xué)規(guī)律，就一定能找到一套適合實際的、行之有效的教學(xué)方法。從而收到預(yù)期的教學(xué)效果。