與實(shí)踐相結(jié)合的材料力學(xué)教學(xué)方法探索

張東曉

洛陽理工學(xué)院 河南洛陽 471023

與實(shí)踐相結(jié)合的材料力學(xué)教學(xué)方法探索

張東曉

洛陽理工學(xué)院 河南洛陽 471023

結(jié)合材料力學(xué)課程的特點(diǎn)和學(xué)生對材料力學(xué)認(rèn)識及學(xué)習(xí)的情況，對課堂教學(xué)與日常生活事物、具體工程實(shí)踐、材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合的教學(xué)方法進(jìn)行了探索和研究。

材料力學(xué)；課堂教學(xué)；實(shí)踐

材料力學(xué)是許多工科專業(yè)必修的基礎(chǔ)課，具有鮮明的基礎(chǔ)性和應(yīng)用性，是工科學(xué)生由理論開始走向工程實(shí)踐的橋梁，在工程教育中具有重要的地位。但材料力學(xué)的公式較多，理論推導(dǎo)比較復(fù)雜，從力學(xué)理論本身不容易建立力學(xué)概念；加之學(xué)生不太了解材料力學(xué)在工程實(shí)踐上的應(yīng)用，普遍認(rèn)為材料力學(xué)是一門抽象難懂的理論性課程，導(dǎo)致學(xué)生對材料力學(xué)的學(xué)習(xí)興趣不高。為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)材料力學(xué)的興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性和自覺性，提高獨(dú)立思考能力、動(dòng)手能力和解決問題的能力，我們把課堂教學(xué)與日常生活事物、具體工程實(shí)踐和材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)有機(jī)地結(jié)合起來，并對這種與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方法進(jìn)行了有益的探索。實(shí)踐證明，這種教學(xué)方式對調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)材料力學(xué)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識與實(shí)踐能力提供了切實(shí)可行的方法。

一、課堂教學(xué)緊密結(jié)合日常生活事物

學(xué)生大量的“實(shí)踐”是他們接觸到的周圍日常生活事物。在教學(xué)中緊密結(jié)合日常生活事物，為我所用，從身邊司空見慣的事物中進(jìn)行力學(xué)的理性思考，賦予經(jīng)典力學(xué)以生活的趣味性。這些生活中的教學(xué)實(shí)例，不僅可以幫助學(xué)生建立其正確的力學(xué)概念，而且可活躍課堂氣氛，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。例如在分析超靜定結(jié)構(gòu)為什么能提高其承載能力時(shí)，以人躺在床上為例。若僅以手和腳支撐于床上，結(jié)構(gòu)靜定，但人在其自重作用下卻撐不?。浑S著身體與床接觸點(diǎn)的增加，超靜定次數(shù)增加，人體的受力性狀得到顯著改善，這就是超靜定的功效。又例如在學(xué)習(xí)彎曲內(nèi)力時(shí)，課堂上以樹木和竹子為例。大自然中樹木亭亭如華蓋，竹子裊裊婷婷，婀娜多姿，給人以美的享受，但它們同樣是按力的合理性法則進(jìn)化而來的。自然界中，樹木要承受來自不同方向的風(fēng)力，形成圓形的合理截面。樹木根部所受彎矩最大，因而樹木根部最粗，各截面彎矩從下而上越來越小，形成樹干下粗上細(xì)的結(jié)構(gòu)，適應(yīng)懸臂梁的受彎特征。由于竹子生長迅速，有限的材料形成最為經(jīng)濟(jì)的環(huán)形。同樣，人股骨、脛骨截面也是環(huán)形的，這種截面形狀，能顯著提高受彎桿件的抗彎截面系數(shù)，從而充分利用材料，提高桿件的承載能力。這些生動(dòng)的事物有助于學(xué)生用力學(xué)的眼光認(rèn)識世界，無形中建立正確的力學(xué)概念。進(jìn)而再提問學(xué)生建筑腳手架為什么用鋼管而不用實(shí)心鋼桿？釣魚用的魚桿是什么形狀和結(jié)構(gòu)，魚上鉤后魚桿的形狀怎樣變化，怎樣用力學(xué)簡圖表示，彎矩是怎樣分布的？當(dāng)明白魚上鉤后魚桿的形狀就好比魚桿的彎矩圖時(shí)，學(xué)生都大笑起來，笑聲中就掌握了彎矩圖的規(guī)律。

這樣的日常生活事物實(shí)例貫穿于材料力學(xué)教學(xué)的全過程中，效果反映良好。學(xué)生們在輕松有趣的氛圍中理解并掌握了有關(guān)知識，并能主動(dòng)地去思考、分析周圍事物所蘊(yùn)涵的力學(xué)問題。

二、課堂教學(xué)緊密結(jié)合具體工程實(shí)踐

材料力學(xué)和工程應(yīng)用、工程設(shè)計(jì)與分析有著緊密的聯(lián)系，工程實(shí)踐是材料力學(xué)的源泉和歸屬。因此，課堂教學(xué)必須和具體工程實(shí)踐相結(jié)合，這對培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)十分有利。

由于課時(shí)限制，不可能在工程現(xiàn)場進(jìn)行教學(xué)，但可在課前精心制作與授課內(nèi)容相關(guān)的具體工程實(shí)例課件。這些圖、文資料色彩鮮艷，清晰生動(dòng)，能夠有效地補(bǔ)充一些與工程實(shí)踐有關(guān)的知識或背景材料，不僅開闊學(xué)生的眼界，而且能提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。例如，介紹了超靜定概念后，在課堂上演示了斜拉橋和懸索橋。當(dāng)筆者問這是什么結(jié)構(gòu)，學(xué)生能馬上回答是超靜定結(jié)構(gòu)。當(dāng)筆者在再問超靜定和靜定結(jié)構(gòu)比較其特點(diǎn)是什么時(shí)？有的學(xué)生在小聲討論，有的陷入了思索之中。在工程背景之下，再回到理論分析部分，學(xué)生就能夠順利地掌握要學(xué)的內(nèi)容。又例如，在介紹彎曲強(qiáng)度問題時(shí)，先以竹子的結(jié)構(gòu)為例。因前面已經(jīng)介紹過，學(xué)生心中已建立相應(yīng)的力學(xué)概念了。從強(qiáng)度的角度去分析,這種上細(xì)下粗的結(jié)構(gòu)是一種自然造化的等強(qiáng)度結(jié)構(gòu),所以能迎風(fēng)擺動(dòng),高而不屈。然后，演示了中國古代的塔和著名的迪拜塔。中國古塔的橫截面為正多邊形，類似圓形；在外形上也呈上細(xì)下粗。正是這種合理的力學(xué)結(jié)構(gòu),使其在歷史的風(fēng)云中屹立數(shù)百年。而現(xiàn)代建筑,為了施工的便利,一般用階梯狀的變截面桿代替理論上的等強(qiáng)度桿,如當(dāng)今世界最高建筑的迪拜塔,猶如數(shù)根長短不一的柱子捆在一起,從外到內(nèi),柱子由短到長,是一種階梯形等強(qiáng)度管狀結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)形式在力學(xué)上的合理性不言而喻。又如在介紹了應(yīng)力集中的概念后,筆者隨手指指門角和窗角的裂紋,學(xué)生們馬上就反應(yīng)過來了。然后筆者問為什么會(huì)發(fā)生在這些部位,學(xué)生們很快能抓住應(yīng)力集中的本質(zhì)來回答問題。之后,筆者又將問題引申到脆性材料和塑性材料對應(yīng)力集中的不同反應(yīng)上,并對其進(jìn)行理論的闡述。這種與工程實(shí)踐相結(jié)合的授課方式,像講故事一樣,又輕松又有趣,學(xué)生們不僅掌握了基礎(chǔ)理論知識,同時(shí)對理論知識的工程背景有了一定的認(rèn)識,這對培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力非常有益。

三、課堂教學(xué)緊密結(jié)合材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與課程內(nèi)容相輔相成，是理論教學(xué)不可替代的實(shí)踐環(huán)節(jié)。通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以提高學(xué)生對力學(xué)模型和物理概念的理解能力，培養(yǎng)其觀察和動(dòng)手能力，是體現(xiàn)工科教育特點(diǎn)的一個(gè)重要方面。在教學(xué)實(shí)踐中，我們根據(jù)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的具體情況編寫實(shí)驗(yàn)教材，實(shí)驗(yàn)前要求學(xué)生仔細(xì)閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，并認(rèn)真思考每個(gè)實(shí)驗(yàn)后的思考題。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)程中，根據(jù)實(shí)際情況不斷提出問題，啟發(fā)學(xué)生主動(dòng)思考。實(shí)驗(yàn)之前，學(xué)生通過理論教學(xué)初步掌握了材料的力學(xué)性能和一些基本的物理概念，但由于沒有自己動(dòng)手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對這些知識總有霧里看花的感覺。實(shí)驗(yàn)之后，學(xué)生加深了對理論知識的理解和對力學(xué)模型的整體性認(rèn)識。例如，在學(xué)習(xí)應(yīng)力狀態(tài)的概念時(shí)，許多學(xué)生反映比較抽象，不容易理解。我們在實(shí)驗(yàn)之后引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果對這個(gè)概念再進(jìn)行討論。由于學(xué)生對自己的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和過程產(chǎn)生了深刻的認(rèn)識，能夠自覺地把實(shí)驗(yàn)結(jié)果和應(yīng)力狀態(tài)的概念結(jié)合起來，進(jìn)行分析并得到正確的結(jié)論。并有一部分學(xué)生對低碳鋼試件的拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生了濃厚的興趣，質(zhì)疑為什么試件斷面形狀不全是約45°的斜面，而在斷面的中部近乎是平面？完成應(yīng)力狀態(tài)和強(qiáng)度理論的理論教學(xué)之后，重新提出這個(gè)質(zhì)疑。經(jīng)過正確引導(dǎo)，學(xué)生們馬上明白試件在破壞的不同階段，導(dǎo)致破壞的因素不同，從而對應(yīng)產(chǎn)生兩種不同的破壞形式；另外，也證明了材料的塑性和脆性是相對而言的，在不同的受力條件下，材料的塑性和脆性可能會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)換。這樣，經(jīng)歷了由理論到實(shí)驗(yàn)，再從實(shí)驗(yàn)到理論的過程，理論和實(shí)驗(yàn)相互結(jié)合，相互補(bǔ)充，使學(xué)生的主動(dòng)性和分析解決問題的能力得到培養(yǎng)和提高。

四、結(jié)束語

材料力學(xué)是面向工程實(shí)踐，為研究、解決工程中的力學(xué)問題而提供理論依據(jù)和計(jì)算方法的學(xué)科。為此，我們對結(jié)合實(shí)踐的材料力學(xué)教學(xué)方法進(jìn)行了有益的探索，嘗試了將日常生活事物、工程實(shí)踐問題和材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)貫穿于材料力學(xué)教學(xué)的全過程中。實(shí)踐證明，這種教學(xué)方式使學(xué)生看到材料力學(xué)在工程實(shí)踐和生活中的應(yīng)用，從而對調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)材料力學(xué)的興趣，提高其分析和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識與實(shí)踐能力提供了切實(shí)可行的方法。

[1]劉漢義.工程力學(xué)教學(xué)中如何調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[J].鷺江職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，10（4）：47～50

[2]方德平.材料力學(xué)教學(xué)中的幾個(gè)實(shí)例[J].力學(xué)與實(shí)踐，1996，18（5）：61

The exploration of teaching method for mechanics of materials and practice

Zhang Dongxiao
Luoyang university of silence & technology, Luoyang, 471023, China

Combined with the course characteristic of mechanics of materials and the understanding and teaching condition of students, this paper made an exploratory study on teaching methods that combined closely with daily things, specific engineering practice and mechanics of materials experiment.

mechanics of materials; classroom teaching; practice

2010-03-28

張東曉，碩士，講師。