土木工程專業(yè)材料力學(xué)教學(xué)改革的思考★

梁旭黎 司京欣

(1.石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院勘查技術(shù)與工程學(xué)院，河北石家莊 050031; 2.中國人民解放軍93484部隊(duì)，北京 100006)

0 引言

材料力學(xué)作為土木工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，在整個(gè)課程體系里占據(jù)著十分重要的地位。我校土木工程專業(yè)是在原水文地質(zhì)工程地質(zhì)專業(yè)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，通過教學(xué)學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)具有工程構(gòu)件強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的基本概念及計(jì)算能力，并運(yùn)用材料力學(xué)的基本知識(shí)來分析和計(jì)算后續(xù)專業(yè)課程所涉及到的力學(xué)問題，從而體現(xiàn)專業(yè)特色，為畢業(yè)生更好地適應(yīng)社會(huì)發(fā)展，從事相關(guān)專業(yè)的研究和工作奠定基礎(chǔ)。

結(jié)合筆者這幾年的教授材料力學(xué)課程的經(jīng)驗(yàn)，為了達(dá)到更好的授課效果，從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了教學(xué)改革。

1 做好與先前所學(xué)過的力學(xué)知識(shí)進(jìn)行銜接

材料力學(xué)中的某些知識(shí)已在中學(xué)物理里的力學(xué)和大學(xué)里的先修課程理論力學(xué)涉及到，例如平衡、力、力偶等，這些概念在材料力學(xué)中已經(jīng)有了新的內(nèi)涵，這時(shí)在講解新的內(nèi)容點(diǎn)時(shí)必須注意與以往知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行銜接并引申。例如，在講解扭矩、彎矩時(shí)，首先強(qiáng)調(diào)它們的單位與力偶的單位一致，但要與之前所講授過的力偶的定義相區(qū)別，不論扭矩還是彎矩，它們都是用假象截面截開受力物體后暴露出的內(nèi)力偶，這樣學(xué)生就可以明白內(nèi)力與外力的區(qū)別與聯(lián)系，再遇到扭矩、彎矩問題時(shí)，就不會(huì)與理論力學(xué)中的力偶的定義——大小相等、方向相反、不作用在同一直線上的兩個(gè)力所組成的特殊力系僵硬的聯(lián)系起來，然后再強(qiáng)調(diào)，力偶的作用效應(yīng)是使物體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，彎矩和扭矩雖然都是內(nèi)力，但它們會(huì)使物體繞著不同的坐標(biāo)軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)通過建立空間坐標(biāo)系，明確二者將會(huì)使物體繞著哪根坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，由此強(qiáng)調(diào)它們的作用效應(yīng)，使學(xué)生牢牢地掌握住了彎矩、扭矩的概念。再例如，為了強(qiáng)調(diào)材料力學(xué)是研究物體受力后發(fā)生微小變形的課程，它的研究對(duì)象與理論力學(xué)的研究對(duì)象——?jiǎng)傮w有了本質(zhì)的不同，這時(shí)可以舉懸臂梁受集中力的例子，讓學(xué)生們自己分析后明確不同課程里由于把相同的受力體看作是不同的研究對(duì)象，最終導(dǎo)致它們的受力分析結(jié)果是不同的，表現(xiàn)為受力后內(nèi)效應(yīng)不同。

通過與已有知識(shí)的銜接，引入了新的知識(shí)點(diǎn)，并強(qiáng)調(diào)了新老知識(shí)點(diǎn)之間的區(qū)別與聯(lián)系，培養(yǎng)了學(xué)生通過已有知識(shí)學(xué)習(xí)新知識(shí)內(nèi)容的能力。

2 加強(qiáng)與專業(yè)課程的聯(lián)系，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情

土木工程專業(yè)具有實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，作為專業(yè)基礎(chǔ)課的材料力學(xué)應(yīng)當(dāng)在教學(xué)過程中體現(xiàn)理論知識(shí)能為實(shí)際問題的解決提供指導(dǎo)的作用，這樣才能吸引學(xué)生聽講，發(fā)揮其主觀能動(dòng)性。在教學(xué)中，如果不能有效的使教學(xué)內(nèi)容與實(shí)踐聯(lián)系，學(xué)生學(xué)起來就會(huì)很迷茫，不能明確學(xué)習(xí)的目的，從而產(chǎn)生思想懈怠甚至厭學(xué)的情緒，不利于課程的進(jìn)行，因此必須加強(qiáng)課程與實(shí)踐問題的聯(lián)系，通過初步引入后續(xù)專業(yè)課程里所涉及到的材料力學(xué)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生試著解決工程實(shí)際問題，從而使他們對(duì)學(xué)習(xí)越來越有興趣，自覺自愿地參與到材料力學(xué)的學(xué)習(xí)中，勤于思考并與教師良好互動(dòng)。例如，土木工程專業(yè)課程水力學(xué)中，在求解閘門上所受到靜止流體總壓力的大小時(shí)要用到截面的慣性矩，材料力學(xué)在介紹慣性矩的概念時(shí)，給出了不同形狀截面的慣性矩的計(jì)算式，根據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)，從慣性矩概念的引出到慣性矩的計(jì)算式的給出往往要用一節(jié)課的時(shí)間，等到真正用到慣性矩進(jìn)行計(jì)算時(shí)，很多學(xué)生腦子里一片空白，甚至回想不起來它的概念，其原因有學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識(shí)不扎實(shí)，也是教師未能將基本概念與后續(xù)專業(yè)課程的應(yīng)用相聯(lián)系的結(jié)果。因此，在講授這些基本概念時(shí)，非常有必要給學(xué)生交代這些知識(shí)會(huì)用于今后課程或?qū)嶋H工作中的哪些方面，加強(qiáng)他們的概念理解能力。

還有，在基礎(chǔ)工程課程中，計(jì)算作用于基底面彎矩時(shí)用到截面的抗彎模量值，材料力學(xué)中給出矩形截面的抗彎模量的計(jì)算公式為和h分別為矩形截面兩個(gè)方向的尺寸。在應(yīng)用材料力學(xué)知識(shí)解決該問題時(shí)，不能生搬硬套公式，必須結(jié)合基礎(chǔ)上所受的荷載形式來確定b和h的值，比如，對(duì)于僅受豎向荷載作用時(shí)，基礎(chǔ)的短邊為h，當(dāng)有彎矩作用時(shí)，h為力矩作用方向的基礎(chǔ)底面邊長，如果不能明確誰是b誰是h就盲目代入公式，必然在實(shí)際應(yīng)用中帶來錯(cuò)誤。這些問題看似是專業(yè)課程的知識(shí)，但細(xì)想，它們就是材料力學(xué)的實(shí)際應(yīng)用問題。在材料力學(xué)課程的講授過程中，如果結(jié)合建筑物的基礎(chǔ)模型進(jìn)行講解，不僅能將材料力學(xué)與土木工程專業(yè)知識(shí)結(jié)合起來，還能為學(xué)生將來順暢地接受專業(yè)課程知識(shí)打下基礎(chǔ)，培養(yǎng)了學(xué)生處理工程實(shí)際問題的能力。

此外，值得一提的是，我國已經(jīng)從2002年開始了注冊(cè)土木工程師的執(zhí)業(yè)資格考試，作為土木工程專業(yè)的學(xué)生今后若想從事土木工程方面的研究和工作，取得執(zhí)業(yè)資格證是十分必要的。該考試的基礎(chǔ)考試部分要考材料力學(xué)，專業(yè)考試部分，如基礎(chǔ)工程、基坑工程等均涉及材料力學(xué)知識(shí)，因此更要向?qū)W生強(qiáng)調(diào)材料力學(xué)課程的重要性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

3 改進(jìn)教學(xué)手段，突出教學(xué)重點(diǎn)

在以往的材料力學(xué)教學(xué)中，主要采用板書的教學(xué)手段，該種教學(xué)手段的優(yōu)點(diǎn)是可以使學(xué)生的注意力集中，通過帶領(lǐng)學(xué)生在黑板上推導(dǎo)公式，使學(xué)生更加明確公式的由來，便于理解。但是這種教學(xué)手段也有局限性，一些抽象的力學(xué)模型由于受到手畫圖形或時(shí)間限制，不能更好的展現(xiàn)出來，因此需要借助多媒體的教學(xué)手段?？梢圆捎肅AI課件，以圖片或動(dòng)畫的形式展示力學(xué)模型，給學(xué)生以直觀形象的認(rèn)識(shí)，可以有效地幫助學(xué)生理解材料力學(xué)的知識(shí)。比如在介紹桿件的彎曲變形時(shí)，為了講解中性層、中性軸、曲率半徑等概念，連寫帶畫，進(jìn)行了由表及里的推導(dǎo)，浪費(fèi)了很多課時(shí)，學(xué)生聽起來也很費(fèi)勁，通過多媒體課件的演示，既形象生動(dòng)，又可以使學(xué)生一目了然地看到了變形情況，較輕松地理解了桿件在彎曲時(shí)的變形規(guī)律，為接下來教授彎曲應(yīng)力公式做好了鋪墊。值得注意的是，切不可一味的依賴多媒體教學(xué)手段，在實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，如果在整堂課程的教學(xué)中始終運(yùn)用多媒體課件，學(xué)生易產(chǎn)生觀看疲勞，不能長時(shí)間的精神集中，特別是用多媒體課件進(jìn)行公式推導(dǎo)效果較差，雖然教師可以節(jié)省在黑板上的書寫時(shí)間，幻燈片上打出的公式也比較整潔美觀，但與學(xué)生溝通后發(fā)現(xiàn)，整頁打出來的公式對(duì)于大部分人來說，盡管在老師的講解帶領(lǐng)下，也不如板書逐一推導(dǎo)出來的理解效果好，因此總結(jié)出來，根據(jù)材料力學(xué)的課程特點(diǎn)，材料力學(xué)課程內(nèi)容中公式眾多，而且每一個(gè)公式都有它的推導(dǎo)條件，在公式應(yīng)用時(shí)這些推導(dǎo)條件就變成了公式的應(yīng)用條件，同時(shí)，材料力學(xué)課程上也更需要將某些抽象的力學(xué)模型形象地展示出來，因此，在教學(xué)中，必須將板書與多媒體這兩種教學(xué)手段相結(jié)合，要以板書為主，多媒體為輔，當(dāng)進(jìn)行公式的導(dǎo)出時(shí)，盡量以板書形式進(jìn)行推導(dǎo)，當(dāng)演示力學(xué)模型及受力變形特點(diǎn)時(shí)，要借助多媒體的教學(xué)手段，從而達(dá)到突出教學(xué)重點(diǎn)，節(jié)省時(shí)間的目的。

4 加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的，除配合理論教學(xué)外，主要是培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力。學(xué)生在得到了第一手感性材料后，再經(jīng)教師啟發(fā)和講授，學(xué)習(xí)積極性和效果會(huì)明顯提高。我校于2006年在原有材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)上，引入了600 kN的液壓萬能試驗(yàn)機(jī)，300 kN的電子萬能試驗(yàn)機(jī)和1 000 N·m的電子扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)，豐富了教學(xué)試驗(yàn)內(nèi)容。新引進(jìn)的試驗(yàn)設(shè)備，使得材料力學(xué)的教學(xué)更加直觀，通過試驗(yàn)可使學(xué)生的理解能力大大加強(qiáng)。試驗(yàn)開始之前，為了增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力，讓他們親自觸摸試驗(yàn)機(jī)、理解試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)，在教師指導(dǎo)下，可以通過拆卸可以拆卸的部分，如夾具、試驗(yàn)機(jī)外殼等，更加深入地了解試驗(yàn)機(jī)的構(gòu)造。在實(shí)驗(yàn)過程中，讓學(xué)生不能僅滿足于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，有的學(xué)生看見試驗(yàn)機(jī)繪制了應(yīng)力應(yīng)變曲線，將試件拉斷、扭斷即感到完成了實(shí)驗(yàn)課程，這時(shí)，要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析，分析斷裂面的發(fā)生位置、進(jìn)行壓縮試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)機(jī)停止的原因等等，此外，還要求學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)誤差分析，使得課程內(nèi)容飽滿，上完實(shí)驗(yàn)課后，學(xué)生也會(huì)覺得真實(shí)地參與到工程實(shí)踐中了，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)目的。

5 結(jié)語

通過教學(xué)方法的改進(jìn)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生們明確了材料力學(xué)課程與先前力學(xué)知識(shí)及后續(xù)專業(yè)課程的關(guān)系與聯(lián)系，設(shè)定了學(xué)習(xí)目標(biāo)，而課堂上實(shí)際工程例子的講解，讓學(xué)生不僅牢固掌握了材料力學(xué)知識(shí)內(nèi)容，還逐漸了解了今后將要學(xué)習(xí)的專業(yè)課程以及工作中將會(huì)遇到的力學(xué)問題。通過教學(xué)還培養(yǎng)了學(xué)生勤于觀察、思考的思維模式，為今后走向工作崗位、適應(yīng)社會(huì)需要打下堅(jiān)實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)。

［1］ 孫訓(xùn)方，方孝淑，關(guān)來泰.材料力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［2］ 高富強(qiáng)，侯愛軍.《材料力學(xué)》教學(xué)改革的探索與實(shí)踐［J］.企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2010，29(17)：136-137.

［3］ 孫立紅，吳云鵬，郝俊才.材料力學(xué)教學(xué)改革的方法和實(shí)踐 ［J］.雞西大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，2(3)：17-18.