探索材料力學(xué)的趣味性

王路珍，孔海陵，佘 斌，劉根林，蔡中兵

（鹽城工學(xué)院 土木工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051）

一、趣味是學(xué)習(xí)的原動力

趣味性，就是使學(xué)生感到愉快，能引起學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。孔子說：“知之者不如好之者，好之者不如樂之者。”愛因斯坦說：“興趣是最好的老師。”美國教育家布魯諾說：“學(xué)習(xí)的最大動力乃是對所學(xué)材料的興趣。”我國數(shù)學(xué)大師陳省身因為覺得數(shù)學(xué)“好玩”，所以把數(shù)學(xué)當(dāng)作自己終生的事業(yè)。學(xué)習(xí)一門課程需要趣味性，學(xué)生由被動學(xué)習(xí)變成主動學(xué)習(xí)的關(guān)鍵之一是提高學(xué)習(xí)的趣味性。本文旨在探索材料力學(xué)的趣味性，增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。

二、如何培養(yǎng)學(xué)生對材料力學(xué)的興趣

材料力學(xué)作為一門承前（理論力學(xué)）啟后（結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)等）的工科專業(yè)基礎(chǔ)課程，對工科專業(yè)的學(xué)生來說十分重要。如何讓學(xué)生感到材料力學(xué)的學(xué)習(xí)具有趣味性，而不覺得這門古老的課程單調(diào)枯燥，就成為材料力學(xué)教師的責(zé)任之一。能夠全面、準(zhǔn)確地講解教材內(nèi)容，既不遺漏也不講錯，是對教師的基本要求。在此基礎(chǔ)上能夠讓學(xué)生愛上這門課，才是教師真正的責(zé)任。教師要挖掘課程的趣味性，講解內(nèi)容應(yīng)該不限于教材內(nèi)容，而是緊緊圍繞書中知識，利用身邊實物作為問題的起源，采用人物事件作為問題分析的旁證，引用工程實例作為理論問題的工程應(yīng)用。尤其是工科專業(yè)學(xué)生的教學(xué)，課堂絕不能成為公式和符號的“表演專場”，而應(yīng)該是妙趣橫生的能夠解決實際問題的“演練場”。在材料力學(xué)教學(xué)中，首先，教師應(yīng)注意挖掘課程本身的趣味性，在教學(xué)中有意識地闡述和利用這種趣味性；其次，教師平時搜集和積累一些古今中外與材料力學(xué)有關(guān)的趣聞和事例，在講完基本理論后，適時聯(lián)系這些既生動又貼近生活和工程的實例，來激發(fā)學(xué)生對所學(xué)基本理論的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效果；當(dāng)然，還可以選擇那些在材料力學(xué)發(fā)展過程中作出過顯著貢獻(xiàn)的人物的生平事跡進(jìn)行引申，這對學(xué)生掌握基本概念、理解基本原理、分析研究方法都能起到良好的效果，也激發(fā)、調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

三、材料力學(xué)的趣味性舉例

材料力學(xué)經(jīng)過幾百年的發(fā)展，已經(jīng)成為一門很成熟的學(xué)科。而材料力學(xué)的教學(xué)卻有待發(fā)展。教學(xué)過程中師生之間總是存在著矛盾，即教師認(rèn)為很淺顯的概念、公式，學(xué)生卻認(rèn)為概念多、公式復(fù)雜，不易于學(xué)習(xí)和掌握。究其原因，一方面，教師所傳授的知識點一概平鋪直敘；另一方面，學(xué)生學(xué)習(xí)也很被動，他們早已習(xí)慣了“老師講什么聽什么”，不講的不看，更別說主動思考、總結(jié)了。鑒于上述現(xiàn)象，提高課堂的教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，就顯得尤為重要。下面是作者在材料力學(xué)教學(xué)過程中，經(jīng)參閱資料和自己實踐后總結(jié)的關(guān)于材料力學(xué)的趣味性教學(xué)經(jīng)驗，從三方面淺談：

1.課程趣味性。彎扭組合變形時常常運用第三強(qiáng)度理論或者第四強(qiáng)度理論來進(jìn)行強(qiáng)度校核，其相當(dāng)應(yīng)力不管是淆、記錯。但只要掌握這樣一個有趣的乘積表達(dá)式，相當(dāng)應(yīng)力的下標(biāo)值與切應(yīng)力τ或T扭矩的系數(shù)乘積正好相等，即3×4=4×3或3×1=4×0.75，記住兩組公式就顯得輕松多了。莫爾應(yīng)力圓與單元體的對應(yīng)關(guān)系，再加上主應(yīng)力的概念等，這些一直是教學(xué)中的難點，教師在講解概念的同時，可以這樣形象描述：“切應(yīng)力跟著正應(yīng)力默默地行走在莫爾應(yīng)力圓上。切應(yīng)力有個地方千萬不能去，但那卻是正應(yīng)力的理想之地——主平面。在那個地方，切應(yīng)力感覺乏力好想睡覺，正應(yīng)力卻驚喜若狂、興奮不已，因為他看到自己很高大，當(dāng)正應(yīng)力回頭安慰切應(yīng)力時，卻發(fā)現(xiàn)切應(yīng)力不見了，自己搖身一變成為主應(yīng)力。在這個地方，主應(yīng)力既沒了切應(yīng)力的陪伴，也看不到互相垂直的其他兩個主應(yīng)力，感覺孤獨無助，還不時成為強(qiáng)度理論的焦點，很不習(xí)慣。于是決定離開主平面，才邁出一小步，就發(fā)現(xiàn)切應(yīng)力出現(xiàn)在自己身旁，羞答答地跟著正應(yīng)力，還說我剛成一個應(yīng)力，請多多關(guān)照，不要帶我去主平面，在那里我會變?yōu)榱恪?。風(fēng)趣幽默的語言、形象生動的故事，揭示了正應(yīng)力、切應(yīng)力和主應(yīng)力的聯(lián)系與區(qū)別，學(xué)生學(xué)得也輕松。

2.實例教學(xué)。實例一：清代畫家鄭板橋的題畫詩“咬定青山不放松，立根原在破巖中。千磨萬擊還堅勁，任爾東西南北風(fēng)?！彪m是一首詠物詩，但是詩中卻包涵著深刻的力學(xué)原理。貝聿銘先生的“仿竹杰作”香港中國銀行大廈就是得益于竹子的啟示，雖然大廈高度達(dá)三百多米，而且還是在香港這樣的海邊多風(fēng)城市建造，設(shè)計模型像竹子一樣，“嘴尖皮厚腹中空”，截面采用中空型，既節(jié)約材料又減輕自重，在相同面積下，截面越高，對結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度越有利，由于結(jié)構(gòu)整體是下粗上細(xì)，按高度一節(jié)一節(jié)變細(xì)，使每一節(jié)的最大應(yīng)力都相等，充分發(fā)揮材料的作用，是最合理的階梯形等強(qiáng)度管狀結(jié)構(gòu)?？梢娊ㄖ熞彩巧焚M苦心，深刻理解到建筑中的力學(xué)與自然界中的力學(xué)是有機(jī)融合的。實例二：“泰坦尼克號”沉船時，船殼受到冰山的擠壓，殼體鋼板間的鉚釘連接件受到過大的剪切應(yīng)力被折斷，船的右舷鋼板有一個長91.5米的裂口。當(dāng)然這與當(dāng)時船速較快有關(guān)，但與制船的材料的力學(xué)性能也有關(guān)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，不管是船舷鋼板還是船上鉚釘，其力學(xué)性能實驗數(shù)據(jù)都是在室溫下做的，船行駛在北大西洋的冰海中，溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于室溫，鋼材在常溫下表現(xiàn)為塑性，隨著溫度的降低塑性降低，在低溫下會變脆，在極低的溫度下甚至像陶瓷那樣經(jīng)不起沖擊和震動。因此，不管是鉚釘還是鋼板在低溫下的破壞應(yīng)力遠(yuǎn)低于室溫下的破壞應(yīng)力，導(dǎo)致船發(fā)生脆斷事故，沉入海底。當(dāng)然，與材料力學(xué)相關(guān)的生活和工程實例舉不勝舉，它已經(jīng)滲透到人們衣食住行的方方面面。教師講課時，從身邊的力學(xué)問題談起，學(xué)生學(xué)習(xí)力學(xué)知識的動力和興趣也會倍增。

3.人物勵志。伽利略（1564～1642）對力學(xué)的思想、理論、實驗和應(yīng)用發(fā)展做出了極大貢獻(xiàn)，他在研究中引入了“力學(xué)模型”的思想。伽利略以實驗研究為重點，從實驗中來到實踐中去，從身邊熟悉的現(xiàn)象中分析得出精彩的結(jié)論。材料力學(xué)的教學(xué)中反復(fù)印證著這樣一種研究方法，即實驗現(xiàn)象觀察—假說提出—理論分析—實踐檢驗。比如講解合理截面形狀與強(qiáng)度、剛度的知識點時，可以用田野中的麥稈為什么是空心的作為引例。其實，大自然中的空心結(jié)構(gòu)同樣引起了伽利略極大的興趣，“一根麥稈所負(fù)載的麥穗較整個麥稈要重得多，如果麥稈是用同樣多的材料做成實心形狀，那么將降低其抗彎和抗斷裂的能力”。帶著對身邊這些熟悉的現(xiàn)象的懸疑展開材料力學(xué)的學(xué)習(xí)，引起學(xué)生的好奇心，會增加學(xué)生對材料力學(xué)的學(xué)習(xí)興趣。科學(xué)家對未知事物的執(zhí)著追求，是每一個求知者的榜樣，而將這樣的人物生平事跡貫穿在教學(xué)過程中，無疑既激勵著學(xué)生的學(xué)習(xí)意志，又激發(fā)著學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也增加了課程本身的趣味性。當(dāng)然，與材料力學(xué)課程相關(guān)的人物還有很多，如圣維南、歐拉等，課堂上講授人物生平事跡，既增加課程的趣味性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能培養(yǎng)學(xué)生對科學(xué)的探索和追求精神。

針對目前材料力學(xué)教學(xué)過程中學(xué)生學(xué)習(xí)興趣匱乏的現(xiàn)象，本文從三個方面探索了材料力學(xué)教學(xué)過程中的趣味性：通過課程本身的趣味性，使呆板的知識變得生動；引入貼近生活和工程的實例，從身邊的力學(xué)問題談起，增加學(xué)生學(xué)習(xí)力學(xué)知識的動力和興趣；引入力學(xué)人物的生平事跡，激勵和鼓舞學(xué)生，培養(yǎng)學(xué)生對科學(xué)的探索和追求精神。通過增強(qiáng)課堂教學(xué)的趣味性，增加學(xué)生對材料力學(xué)課程的興趣，提高了教學(xué)效果。

[1]葉志明.略談一名基礎(chǔ)力學(xué)課程教師的基本功[J].力學(xué)與實踐，2005，27（3）：75～76.

[2]百度文庫.正應(yīng)力和剪應(yīng)力[J/OL].http：//wenku.baidu.com/link？ url=Co7I4ya1y5Ob-Wg_OIF__E-ByGHdHdkS9oRgCfJ__G7hiEEP2vLXok-WxN4gi6dGIA1MJ1NsQgmYPPKyP00A7JHXE1wsXREIh22yfvn_sO4g3.

[3]黃鐘等.力學(xué)萬花筒[M].北京：工人出版社，1988.

[4]丁光宏.力學(xué)與現(xiàn)代生活[M].上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2000.

[5]《身邊的力學(xué)》編寫組.身邊的力學(xué)[M].北京：中國出版集團(tuán)，世界圖書出版公司，2010.

[6]李敏，賈麗杰，王明春.材料力學(xué)教學(xué)中的人物與事跡[J].力學(xué)與實踐，2010，32（2）：114～116.