材料力學(xué)研究性教學(xué)探討

摘要：結(jié)合材料力學(xué)研究性教學(xué)的主要目的和內(nèi)容，重點(diǎn)討論了在材料力學(xué)研究性教學(xué)中，如何加強(qiáng)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和能力的培養(yǎng)。對(duì)實(shí)際材料力學(xué)研究性教學(xué)方法作了有意義的討論分析，為進(jìn)一步開(kāi)展材料力學(xué)研究性教學(xué)奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：材料力學(xué)；研究性教學(xué)；創(chuàng)新能力

中圖分類號(hào)：G6420文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：10052909（2012）06013303在當(dāng)代高校教育改革中，以傳授知識(shí)為主要特征的傳統(tǒng)型教學(xué)正向以培養(yǎng)能力為主要特征的研究性教學(xué)轉(zhuǎn)變。研究性教學(xué)強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者主動(dòng)探索的行為和創(chuàng)新實(shí)踐的精神，即：在教師指導(dǎo)下，以解決問(wèn)題為目的，以學(xué)生合作為特點(diǎn)，用類似科學(xué)研究的方式去主動(dòng)獲取知識(shí)，靈活應(yīng)用已習(xí)得知識(shí)，開(kāi)創(chuàng)性解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，并能提出新問(wèn)題，從而培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的應(yīng)用型人才［1］。

材料力學(xué)是固體力學(xué)的一個(gè)分支，對(duì)于土木類、機(jī)械類、水利類各專業(yè)的工科學(xué)生來(lái)說(shuō)，材料力學(xué)是一門很重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。材料力學(xué)的任務(wù)是研究在荷載和其他外界因素作用下桿件的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和動(dòng)力反應(yīng)等，在培養(yǎng)基礎(chǔ)理論知識(shí)、工程認(rèn)識(shí)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面有非常重要的作用。培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力是力學(xué)教學(xué)亟待解決的課題，在力學(xué)課程教學(xué)中，對(duì)此已進(jìn)行了大量研究［2-6］。所有這些工作都希望達(dá)到一個(gè)共同的目標(biāo)：學(xué)生在掌握基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，能得到創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力的培養(yǎng)。這也是材料力學(xué)研究性教學(xué)的主要目的。

一、啟發(fā)引導(dǎo)在研究性教學(xué)中的作用

美國(guó)教育家杜威認(rèn)為：“科學(xué)教育不僅是要讓學(xué)生學(xué)習(xí)大量的知識(shí)，更重要的是學(xué)習(xí)科學(xué)研究過(guò)程或方法。”探究過(guò)程作為學(xué)習(xí)方式，具有促進(jìn)學(xué)生能力全面發(fā)展的重要價(jià)值［7］。材料力學(xué)研究性教學(xué)，突出啟發(fā)式教學(xué)的作用，鼓勵(lì)學(xué)生探究科學(xué)，發(fā)表獨(dú)創(chuàng)性的見(jiàn)解。

教學(xué)中，教師需要精心設(shè)計(jì)一些能夠激發(fā)探究思維的問(wèn)題，針對(duì)一堂課的知識(shí)點(diǎn)和教學(xué)目標(biāo)，創(chuàng)設(shè)具有啟發(fā)性和趣味性的問(wèn)題情境。利用生活中的力學(xué)現(xiàn)象引入課題。例如：學(xué)習(xí)“壓桿穩(wěn)定”時(shí)，可聯(lián)系舉重運(yùn)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生思考舉重運(yùn)動(dòng)員基本都是矮胖型的原因。同時(shí)準(zhǔn)備兩個(gè)粗細(xì)一樣，長(zhǎng)短不同的鋼板尺，演示軸向壓縮現(xiàn)象，讓學(xué)生觀察并探究長(zhǎng)尺更容易被折彎的根本原因。

不斷提出問(wèn)題，不斷解決問(wèn)題，從簡(jiǎn)單問(wèn)題引出復(fù)雜問(wèn)題，從工程背景引出理論問(wèn)題，從正問(wèn)題引出反問(wèn)題等。在這個(gè)過(guò)程中，教師發(fā)揮引導(dǎo)作用，提出問(wèn)題后既可以讓學(xué)生回答或開(kāi)展討論，也可以在他們思考的基礎(chǔ)上由授課教師解答，使學(xué)生帶著問(wèn)題和疑惑有目的聽(tīng)課。如此增強(qiáng)了學(xué)習(xí)趣味性，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，學(xué)生的探究意識(shí)自然產(chǎn)生，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的創(chuàng)新思維和能力得以培養(yǎng)。

二、探討力學(xué)史料對(duì)研究性教學(xué)的作用

任何一門學(xué)科都有其發(fā)展歷史，而力學(xué)作為一門古老的學(xué)科，19世紀(jì)末就已經(jīng)發(fā)展到很高的水平，建立了相當(dāng)完整的學(xué)科體系。材料力學(xué)史中蘊(yùn)涵著豐富的人文精神和科學(xué)精神，在教學(xué)過(guò)程中引入有關(guān)的力學(xué)發(fā)展史問(wèn)題，有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維。通過(guò)力學(xué)史的講解，使學(xué)生了解力學(xué)知識(shí)逐步發(fā)展的過(guò)程，學(xué)習(xí)從工程背景中提煉問(wèn)題，通過(guò)實(shí)驗(yàn)提出合理的假定，借助數(shù)學(xué)、力學(xué)推導(dǎo)解決問(wèn)題等方法。將來(lái)他們?nèi)绻龅叫碌膯?wèn)題，就會(huì)在前人基礎(chǔ)上有所創(chuàng)新［2］。

12高等建筑教育2012年第21卷第6期

趙桐，等材料力學(xué)研究性教學(xué)探討

從知識(shí)角度看創(chuàng)新，創(chuàng)新就是發(fā)掘新知識(shí)的過(guò)程，是從無(wú)到有的發(fā)掘過(guò)程［3］。力學(xué)史提供了重要概念、原理、方法的歷史背景，顯示了力學(xué)學(xué)科的形成過(guò)程。首先，教師一定要了解這一生動(dòng)的探索過(guò)程，揭示獲取知識(shí)的方法。其次，要設(shè)身處地想象科學(xué)家在知識(shí)探索過(guò)程中的心路歷程，并在教學(xué)中熱情地表達(dá)這種教學(xué)探索精神。將力學(xué)史與材料力學(xué)教學(xué)結(jié)合，變知識(shí)灌輸為知識(shí)探究，表現(xiàn)知識(shí)發(fā)生的全過(guò)程，講解從無(wú)到有的來(lái)龍去脈。例如，推導(dǎo)平面彎曲梁橫截面上的正應(yīng)力公式時(shí)，可以借助相關(guān)的力學(xué)史：伽利略最早系統(tǒng)研究梁的問(wèn)題，進(jìn)行懸臂梁強(qiáng)度試驗(yàn)，但由于時(shí)代局限性，他沒(méi)有考慮梁的變形，因此沒(méi)能真正解決這個(gè)問(wèn)題。盡管如此，伽利略的研究開(kāi)創(chuàng)了“實(shí)驗(yàn)—觀測(cè)”的科學(xué)研究方法。后來(lái)，法國(guó)學(xué)者馬略特認(rèn)為梁橫截面上的應(yīng)力不是均勻分布的，而是從梁的下面纖維起沿高度呈線性分布。這個(gè)研究雖然比伽利略的方法更進(jìn)一步，但同樣沒(méi)有精確考慮梁的變形，認(rèn)為中性層是在梁的下側(cè)。英國(guó)學(xué)者胡克在關(guān)于彈簧的論著中正確地指出，在彎曲時(shí)桿的一側(cè)纖維伸長(zhǎng)，另一側(cè)被壓縮。精確表達(dá)梁變形的是雅科比·伯努利，他假定梁在變形時(shí)橫截面保持平面，這個(gè)重要假定抓住了梁變形的主要特征。在這些前人研究的基礎(chǔ)上，伽利略研究之后大約二百年，法國(guó)科學(xué)家納維第一次給出中性層的準(zhǔn)確定義，即中性層通過(guò)截面的形心。至此，這個(gè)問(wèn)題才算塵埃落定［8］。

以史為鑒的意義，在于對(duì)創(chuàng)新的啟迪作用，這比知識(shí)本身更有價(jià)值。學(xué)生在此過(guò)程中學(xué)習(xí)如何發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、如何提出問(wèn)題、如何研究問(wèn)題和如何解決問(wèn)題。教師要善于把力學(xué)史上每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)都當(dāng)作創(chuàng)新的素材或案例，發(fā)掘其內(nèi)涵，應(yīng)用到力學(xué)研究性教學(xué)中。

三、多媒體技術(shù)在研究性教學(xué)中的作用

應(yīng)用現(xiàn)代教育技術(shù)不僅可以幫助學(xué)生理解和掌握課程的基本教學(xué)內(nèi)容，特別是那些具有一定深度的內(nèi)容，而且可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，提高課程研究性教學(xué)的效果［1］。

材料力學(xué)非常貼近工程和生活實(shí)際，學(xué)生的學(xué)習(xí)不是被動(dòng)接受知識(shí)，更主要的是從生產(chǎn)、生活的各個(gè)方面獲取信息。多媒體技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)就是能夠展現(xiàn)形象生動(dòng)、具體直觀、易于理解的背景知識(shí)，圖、文、聲、像并茂。利用多媒體技術(shù)的特點(diǎn)，一些抽象概念、復(fù)雜的空間關(guān)系、語(yǔ)言難以描述的內(nèi)容，可用多媒體手段生動(dòng)而深刻地演示，易懂易學(xué)，有利于知識(shí)的理解。適宜應(yīng)用多媒體技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容包括3個(gè)方面：（1）需要結(jié)合大量工程背景的內(nèi)容。例如，結(jié)合工程事故的錄像或模擬演示，指導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用知識(shí)解決問(wèn)題，探究提高工程結(jié)構(gòu)安全性的措施。（2）適宜動(dòng)態(tài)顯示的內(nèi)容。例如，利用汽車沖擊實(shí)驗(yàn)錄像引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)汽車安全帶和氣囊能夠減小沖擊力，板彈簧可以緩解車輛受到的沖擊和振動(dòng)，從而提出加強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗沖擊能力的關(guān)鍵是要減小剛性，盡量做到“軟接觸”。（3）抽象的空間問(wèn)題。材料力學(xué)中各種基本變形和組合變形的截面應(yīng)力分布規(guī)律，均可以用圖形直觀表示，應(yīng)用ANSYS等軟件輸出變形后的圖形，在視覺(jué)上有形象之感，易于理解。

實(shí)踐表明，研究性教學(xué)中技術(shù)的運(yùn)用能夠引導(dǎo)教育者采用更好的教學(xué)策略啟發(fā)學(xué)生思維，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神［1］。教師利用多媒體的豐富功能，有層次、有強(qiáng)調(diào)、有邏輯地把難以理解的復(fù)雜原理變得有聲有色、生動(dòng)逼真，適應(yīng)個(gè)體從具體到抽象的認(rèn)知規(guī)律，從而激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，對(duì)創(chuàng)新思維與能力的培養(yǎng)也大有裨益。

四、將研究與實(shí)踐融入開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)

研究性教學(xué)強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者自己動(dòng)手實(shí)踐，在實(shí)踐中體驗(yàn)，在實(shí)踐中了解知識(shí)的產(chǎn)生和發(fā)展過(guò)程，通過(guò)自己的努力來(lái)獲取知識(shí)。研究性教學(xué)具有明顯的開(kāi)放性，是一種開(kāi)放的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)習(xí)的途徑和方法各具特色，在這種教學(xué)中可以培養(yǎng)學(xué)生的開(kāi)放性思維，這種思維方式的形成對(duì)學(xué)生創(chuàng)新精神的培養(yǎng)尤為重要。

開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)是通過(guò)引導(dǎo)性教學(xué)，啟發(fā)學(xué)生思考能做什么，以及應(yīng)該怎么做，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的研究性。以驗(yàn)證梁的理論實(shí)驗(yàn)為例，在梁的不同位置布置三組不同的測(cè)點(diǎn)，不告訴學(xué)生需要測(cè)什么，啟發(fā)他們自己思考、研究。通過(guò)分析對(duì)比三組測(cè)點(diǎn)得出結(jié)論：哪些位置彎曲理論成立，哪些位置與彎曲理論近似，哪些位置彎曲理論不成立。結(jié)合工程結(jié)構(gòu)與設(shè)備的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定問(wèn)題，以及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)等問(wèn)題，鼓勵(lì)學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、開(kāi)展研究、實(shí)現(xiàn)自己的創(chuàng)意［1］。因此，開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展的是一種“試驗(yàn)”而不是“實(shí)驗(yàn)”?！霸囼?yàn)”帶有更多的工程色彩和探索色彩，更具挑戰(zhàn)性，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力。

五、結(jié)語(yǔ)

材料力學(xué)研究性教學(xué)對(duì)教師備課提出了更高的要求，需要大量的準(zhǔn)備工作。不僅要熟悉教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)，而且要清楚知識(shí)的背景、現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用方法?？茖W(xué)在不斷發(fā)展，科學(xué)理念也在不斷更新，因此，教師必須關(guān)注當(dāng)前教育改革和發(fā)展趨勢(shì)，多閱讀、收集國(guó)內(nèi)外教學(xué)資料，吸收新的理論和思想，并將其納入材料力學(xué)教學(xué)，適時(shí)調(diào)整教學(xué)手段，達(dá)到課程的教學(xué)目標(biāo)。另外，注重閱讀力學(xué)史和人文科學(xué)等方面的文獻(xiàn)，關(guān)注課程中每一公式、定理的淵源。

材料力學(xué)研究性教學(xué)的不斷探索與實(shí)踐，需以和諧的師生關(guān)系為前提。師生之間感情融洽、和諧互動(dòng)，才能完成各項(xiàng)教學(xué)活動(dòng)，使材料力學(xué)的研究性教學(xué)取得更好效果。此外，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的同時(shí)，還應(yīng)對(duì)其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度、求實(shí)的治學(xué)理念進(jìn)行教育，因?yàn)閯?chuàng)造性的成果需要以艱辛的工作為基礎(chǔ)。

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編輯周沫