工程問(wèn)題在材料力學(xué)課程中的地位及教學(xué)實(shí)踐

摘要：介紹了工程問(wèn)題在材料力學(xué)課程中的重要地位和作用，并對(duì)在教學(xué)實(shí)踐中如何引入工程問(wèn)題，如何通過(guò)工程問(wèn)題激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，如何通過(guò)工程問(wèn)題的求解加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：工程問(wèn)題；材料力學(xué)；教學(xué)實(shí)踐

作者簡(jiǎn)介：王錦燕（1973-），女，河南洛陽(yáng)人，中原工學(xué)院建筑工程學(xué)院，副教授；李冬霞（1956-），女，陜西咸陽(yáng)人，中原工學(xué)院建筑工程學(xué)院，教授。（河南#8194;鄭州#8194;450007）

基金項(xiàng)目：本文系中原工學(xué)院校級(jí)教改項(xiàng)目“工程問(wèn)題在材料力學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用與實(shí)踐”的研究成果。

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號(hào)：1007-0079（2014）14-0101-02

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)的高等院校培養(yǎng)了上千萬(wàn)的工程技術(shù)人才，支撐了我國(guó)改革開(kāi)放以來(lái)多年的經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)，合理的工程教育結(jié)構(gòu)和體系迎合了社會(huì)對(duì)多層次、多種類(lèi)工程技術(shù)人才的需求，目前我國(guó)的高等工程教育規(guī)模位居世界第一。但黨的十七大提出的建設(shè)中國(guó)特色創(chuàng)新型國(guó)家的目標(biāo)，給中國(guó)高等教育改革發(fā)展提出了迫切要求，迫切需要培養(yǎng)一大批能夠適應(yīng)和支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展的工程人才、創(chuàng)新型工程人才、具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的工程人才。作為高等院校應(yīng)確立以德為先、能力為重、全面發(fā)展的人才培養(yǎng)觀念，改革工程教育人才培養(yǎng)模式，重視知識(shí)與工程問(wèn)題的密切聯(lián)系，提高學(xué)生的工程意識(shí)和工程實(shí)踐能力。

為了能讓行業(yè)企業(yè)深度參與高等教育培養(yǎng)過(guò)程，強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程能力，高校能按通用標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)表征培養(yǎng)工程技術(shù)人才。2010年6月23日，教育部在天津召開(kāi)“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”啟動(dòng)會(huì)，旨在為社會(huì)培養(yǎng)實(shí)用人才。何為工程師，工程師是具有從事工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)、管理、操作和評(píng)估能力的人員，其與科學(xué)家最大的區(qū)別就是，科學(xué)家解決“為什么”，而工程師解決“怎么辦”?？茖W(xué)家探索世界發(fā)現(xiàn)法則，而工程師使用法則解決問(wèn)題，實(shí)際上工程問(wèn)題是工科課程的生命主線。但在實(shí)際的材料力學(xué)教學(xué)學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生卻很少了解課程知識(shí)點(diǎn)包含的工程問(wèn)題，理論與實(shí)際完全脫節(jié)，從而產(chǎn)生學(xué)而無(wú)用的認(rèn)識(shí)，嚴(yán)重影響學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性。筆者將把自己多年在教學(xué)過(guò)程中如何通過(guò)引入工程實(shí)例的分析和講解，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，加深知識(shí)點(diǎn)的理解的心得與體會(huì)在此與大家分享，具體從以下幾個(gè)方面進(jìn)行闡述。

一、課程內(nèi)容和課程體系

隨著科學(xué)及信息技術(shù)的發(fā)展，知識(shí)更新的周期越來(lái)越短，加上社會(huì)生存競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，對(duì)人才的能力要求也越來(lái)越全面，因此在校學(xué)生學(xué)習(xí)的課程數(shù)目及內(nèi)容與以往相比，呈現(xiàn)不斷上升的趨勢(shì)。但學(xué)生在校學(xué)習(xí)的時(shí)間有限，因此分配給基礎(chǔ)課的學(xué)時(shí)逐年下降，和一些專(zhuān)業(yè)課老師聊天時(shí)，他們經(jīng)常感嘆每次都要先給學(xué)生補(bǔ)數(shù)學(xué)或力學(xué)知識(shí)才能開(kāi)始專(zhuān)業(yè)課的講解，否則學(xué)生無(wú)法接受。另一方面，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，越來(lái)越多有關(guān)工程中的復(fù)雜力學(xué)問(wèn)題可以通過(guò)計(jì)算機(jī)解決，但同時(shí)為了能對(duì)計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果的正確性和合理性給予判斷，對(duì)工程技術(shù)人員的力學(xué)素質(zhì)要求也更高了。材料力學(xué)就是在保證構(gòu)件強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的前提下，為設(shè)計(jì)既經(jīng)濟(jì)又安全的構(gòu)件提供必要的研究方法。[1]這門(mén)課涉及了大量的工程問(wèn)題，針對(duì)不同問(wèn)題選擇正確的研究方法尤其重要。面對(duì)學(xué)時(shí)內(nèi)容減少，質(zhì)量要求提高的矛盾，必須對(duì)材料力學(xué)教學(xué)內(nèi)容和課程體系進(jìn)行必要的調(diào)整和修改，做到減學(xué)時(shí)但不減核心內(nèi)容，通過(guò)引入工程問(wèn)題提高學(xué)生的積極性，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。

包括筆者在內(nèi)的基礎(chǔ)力學(xué)課程教師，通過(guò)多年在力學(xué)課程內(nèi)容和課程體系的改革取得了很多成果，但需要改革和思考的空間仍很大。作為學(xué)生大學(xué)階段的學(xué)習(xí)不是單純地應(yīng)付考試獲取文憑，作為教師大學(xué)階段的教學(xué)不僅僅是傳授知識(shí)，而應(yīng)該全面開(kāi)發(fā)學(xué)生的認(rèn)知能力，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。[2]據(jù)此教學(xué)理念，應(yīng)以課程為引導(dǎo)，學(xué)生為中心，強(qiáng)化學(xué)生獲取知識(shí)、分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力，而不是解題的機(jī)器。

在保證主干知識(shí)體系基本完整，教學(xué)要求不降低的前提下，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了合理的調(diào)整。要求學(xué)生養(yǎng)成預(yù)習(xí)的好習(xí)慣，了解課程的基本內(nèi)容，提高課堂的接受速度。在教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生對(duì)繁瑣的公式推導(dǎo)感到枯燥無(wú)味，也沖淡了對(duì)問(wèn)題的分析思路和方法，因此適當(dāng)壓縮了一些公式的詳細(xì)推導(dǎo)過(guò)程，突出公式推導(dǎo)的思路和方法，具體的推導(dǎo)過(guò)程學(xué)生可參考教學(xué)資料。同時(shí)對(duì)部分簡(jiǎn)單例題只分析求解思路，省略詳細(xì)的求解過(guò)程。但同時(shí)加大力學(xué)問(wèn)題的引入，多舉事例詳細(xì)介紹每個(gè)力學(xué)問(wèn)題產(chǎn)生的工程背景，提出矛盾，分析解決問(wèn)題的方法，強(qiáng)化力學(xué)知識(shí)在工程中的使用條件、范圍及局限性，從而更好地指導(dǎo)今后解決工程問(wèn)題的能力。實(shí)踐表明，此舉提高了學(xué)生的興趣和積極性，課堂的教學(xué)效率、教學(xué)效果也提高了。

二、教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法

課堂教學(xué)是一門(mén)藝術(shù)，如今的教學(xué)已不能是傳統(tǒng)意義上的填鴨教學(xué)。課堂上加強(qiáng)師生互動(dòng)，教師應(yīng)充分利用教學(xué)資源及信息技術(shù)，力求生動(dòng)、形象，使抽象問(wèn)題形象化，但也要重點(diǎn)突出傳達(dá)給學(xué)生更多的信息和知識(shí)。在課堂教學(xué)中既要充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)地位，又要充分尊重學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程的主體地位，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)積極思考問(wèn)題。

結(jié)合材料力學(xué)中的工程問(wèn)題，提出問(wèn)題分析矛盾，引出解決問(wèn)題的概念和方法。例如在講解壓桿穩(wěn)定問(wèn)題時(shí)，首先介紹1876年美國(guó)橫跨阿什特比拉河上同名橋的斷裂，[3]當(dāng)時(shí)列車(chē)從21米高處墜入河中，列車(chē)因鍋爐失火而燒毀，158名乘客中有92人遇難。但實(shí)際上橋梁斜撐桿設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)強(qiáng)度計(jì)算的臨界應(yīng)力是76.9Mpa，而斜撐桿的最大工作壓應(yīng)力41.2Mpa，安全系數(shù)為1.87，結(jié)構(gòu)應(yīng)是安全的，但為什么會(huì)發(fā)生事故呢？1907年加拿大圣勞倫斯河在架奎伯克橋時(shí)，橋梁倒塌，9000噸鋼材變成一堆廢墟。1922年冬天下大雪，美國(guó)華盛頓尼克爾卜克爾劇院倒塌，死98人，傷100余人，這些工程結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度都沒(méi)有問(wèn)題，但為什么還會(huì)發(fā)生這么嚴(yán)重的安全事故呢？通過(guò)介紹這些工程中的實(shí)際問(wèn)題，激發(fā)了學(xué)生的興趣。為了加深學(xué)生對(duì)穩(wěn)定性的理解，筆者舉了一個(gè)簡(jiǎn)單的例子：一長(zhǎng)為300mm，橫截面尺寸為 20mm×1mm的鋼板尺，鋼的許用應(yīng)力為196MPa，問(wèn)若按強(qiáng)度條件計(jì)算鋼板尺所能承受的軸向壓力是多少呢？學(xué)生很快得到答案3920N。但通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)軸向壓力達(dá)到40N時(shí)，鋼板尺就發(fā)生了明顯的彎曲變形，學(xué)生對(duì)這一結(jié)果非常吃驚。很自然筆者就引入對(duì)于此類(lèi)細(xì)長(zhǎng)受壓桿件的穩(wěn)定性問(wèn)題，接下來(lái)的公式推導(dǎo)也就水到渠成。當(dāng)然公式講解完成，還要反復(fù)強(qiáng)調(diào)公式的使用范圍和條件，這點(diǎn)在材料力學(xué)中反映的尤為重要，對(duì)于一個(gè)工程問(wèn)題選錯(cuò)公式直接威脅結(jié)構(gòu)的安全。當(dāng)然在學(xué)生的習(xí)題作業(yè)中，筆者也經(jīng)常引入一些簡(jiǎn)單的工程計(jì)算，加深學(xué)生的了解，激發(fā)學(xué)生的興趣。比如在講解組合變形時(shí)：一小型混凝土水壩墻，當(dāng)知道水平面高度時(shí)，問(wèn)壩底的最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力是多少，水平面多高時(shí)壩底混凝土拉應(yīng)力為零？又如：一個(gè)中空的圓柱形磚制煙囪，考慮自重及承受的風(fēng)力，問(wèn)煙囪應(yīng)建多高才能保證底部不受拉應(yīng)力？這些有著具體工程背景的習(xí)題，學(xué)生尤其感興趣，也真正體會(huì)到知識(shí)的用處，學(xué)習(xí)不再盲目。講解構(gòu)件內(nèi)力圖時(shí)，引入用于教室或倉(cāng)庫(kù)的多跨帳篷，其屋架可簡(jiǎn)化為三鉸拱力學(xué)模型，通過(guò)受力分析可計(jì)算各個(gè)鉸鏈的分力，再求解桿件內(nèi)力圖。這些實(shí)實(shí)在在的工程生活問(wèn)題使學(xué)生明確了學(xué)習(xí)的方向，有了目標(biāo)，有了動(dòng)力。

除了傳統(tǒng)模式下的布置課堂作業(yè)外，還根據(jù)教學(xué)內(nèi)容及進(jìn)程擬定一定的課外研討題目。這些課題可以是教學(xué)內(nèi)容的拓展或深入，也可以是構(gòu)件應(yīng)力和變形問(wèn)題的數(shù)值模擬計(jì)算，或是一些工程模型的制作，幫助學(xué)生擴(kuò)展思路，開(kāi)闊眼界，緊密與工程實(shí)際問(wèn)題聯(lián)系。當(dāng)然在選擇題目時(shí)，既要考慮題目本身的工程意義，又要與力學(xué)知識(shí)點(diǎn)緊密相關(guān)，難度適當(dāng)，具有一定的趣味性。[4]題目過(guò)難影響學(xué)生的積極性，太簡(jiǎn)單又意義不大。例如布置學(xué)生制作紙質(zhì)橋梁，學(xué)生積極性非常高，充分結(jié)合課程中彎曲強(qiáng)度知識(shí)點(diǎn)，兼顧安全與美觀，集思廣益，動(dòng)手動(dòng)腦，個(gè)人能力得到提高。

同時(shí)要求學(xué)生學(xué)會(huì)上網(wǎng)查找相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的科研方向，培養(yǎng)學(xué)生的科研意識(shí)。雖然這些工作需要占用學(xué)生的課余時(shí)間，但俗話說(shuō)興趣是最好的老師，學(xué)生有了興趣，學(xué)起來(lái)自然覺(jué)得輕松，也善于思考，達(dá)到事半功倍的效果。

三、教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)

在考查學(xué)生的知識(shí)掌握情況時(shí)，不僅采用傳統(tǒng)意義上的書(shū)面考試了解學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，還結(jié)合學(xué)生的作業(yè)、實(shí)驗(yàn)及課外研討活動(dòng)中的表現(xiàn)，給予更全面、合理、客觀的評(píng)價(jià)，以此提高學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)效果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。當(dāng)然通過(guò)課上一些重大工程事故的介紹，也喚起了學(xué)生的安全意識(shí)和責(zé)任意識(shí)，培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

當(dāng)然在學(xué)期最后的成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)中，充分考慮學(xué)生在課外研討和動(dòng)手制作中的表現(xiàn)，學(xué)生們清楚死讀書(shū)，僅僅學(xué)會(huì)利用公式解題是無(wú)法得到好成績(jī)的。對(duì)學(xué)生多方面的成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)，是對(duì)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題能力的考查，雖然開(kāi)始學(xué)生對(duì)此頗有怨言，有抵觸情緒，但到后來(lái)看到自己通過(guò)努力工作問(wèn)題得到解決時(shí)，發(fā)現(xiàn)了學(xué)習(xí)的樂(lè)趣，非常自豪很有成就感。例如在具體的成績(jī)比例構(gòu)成中，最后的卷面成績(jī)只占60%，力學(xué)實(shí)驗(yàn)占10%，力學(xué)科研論文占10%，力學(xué)工程模型制造占20%，著重體現(xiàn)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)，體現(xiàn)培養(yǎng)卓越工程師的理念，尤其開(kāi)闊了學(xué)生的思維，培養(yǎng)了創(chuàng)新意識(shí)。當(dāng)看到學(xué)生交上來(lái)的作業(yè)和作品時(shí)，筆者能感受到他們思維的開(kāi)放性，能清楚感受到學(xué)生們的確是經(jīng)過(guò)思考，付出了努力的。當(dāng)看到他們介紹自己作品時(shí)洋溢的那種自信與驕傲，令筆者感到非常欣慰。當(dāng)然不可否認(rèn)，有些同學(xué)的課外作業(yè)很大程度上參考了網(wǎng)絡(luò)，這離筆者的初衷有些差距，這需要在今后的教學(xué)中改進(jìn)提高，應(yīng)該讓每位同學(xué)都能積極參與，提高知識(shí)水平。

四、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上在教學(xué)內(nèi)容體系和教學(xué)方法的改革與實(shí)踐，學(xué)生深入了解了工程問(wèn)題中包含的材料力學(xué)知識(shí)，培養(yǎng)了工程意識(shí)，加深了對(duì)力學(xué)知識(shí)點(diǎn)的理解，學(xué)習(xí)積極性明顯提高。當(dāng)然，良好的教學(xué)效果很大程度上得益于任課教師的主導(dǎo)地位和努力工作，因此應(yīng)清醒地認(rèn)識(shí)到提高教師個(gè)人業(yè)務(wù)能力的重要性，只有不斷補(bǔ)充豐富自己的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，不斷改善教學(xué)組織方式，不斷優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，才能逐步提高教學(xué)效果，培養(yǎng)出適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的工程技術(shù)人才。

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[3]杜慶華.力學(xué)與工程應(yīng)用[M].北京:中國(guó)林業(yè)出版社，1998.

[4]力學(xué)課程報(bào)告論壇組委會(huì).力學(xué)課程報(bào)告論文集[C].北京:高等教育出版社，2008.

（責(zé)任編輯：王意琴）