材料力學(xué)教學(xué)中多種教學(xué)方法并用，提高學(xué)生創(chuàng)新思維能力

沈玉鳳　許英姿　劉露

[摘 要]材料力學(xué)作為機械類專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課程，是基礎(chǔ)課向?qū)I(yè)課過渡的“橋梁”，也是學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)與工作的重要知識支撐。在材料力學(xué)的教學(xué)實踐中采用對比教學(xué)法、問題教學(xué)法、案例教學(xué)法夯實學(xué)生的力學(xué)基礎(chǔ)，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)造性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，努力引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)知識轉(zhuǎn)化為能力，提升學(xué)生的綜合實力。

[關(guān)鍵詞]材料力學(xué) 教學(xué)方法 創(chuàng)新型思維

[中圖分類號] G642.0 [文獻標(biāo)識碼] B [文章編號] 2095-3437（2015）04-0146-02

一、引言

材料力學(xué)作為機械類專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課程，是基礎(chǔ)課向?qū)I(yè)課過渡的“橋梁”，也是學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)與工作的重要知識支撐。在教學(xué)過程中如何幫助學(xué)生深入理解和掌握材料力學(xué)課程的知識體系，明確每一環(huán)節(jié)的知識結(jié)構(gòu)，夯實學(xué)生的力學(xué)基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高學(xué)生運用力學(xué)知識解決工程問題的意識與能力，一直是我們多年努力的方向。

在多年教學(xué)實踐的過程中，我們努力探索對比教學(xué)法、問題教學(xué)法、案例教學(xué)法等幾種教學(xué)方法的合理搭配使用，不斷積累教學(xué)經(jīng)驗，總結(jié)教學(xué)成果，努力營造創(chuàng)新思維的氛圍，鼓勵學(xué)生主動思維，大膽提問，并運用正確的思維解決問題，調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，既活躍了課堂教學(xué)氣氛，又提高了學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，對創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)起到了積極的作用。

二、對比教學(xué)法，夯實課程基礎(chǔ)

（一）四種基本變形下外載荷特點的對比

材料力學(xué)課程的知識點既多又散，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中找不到重點和方向。在教學(xué)過程中我們注重采用對比教學(xué)法，通過對新舊知識的對比、分析，幫助學(xué)生在較短的時間內(nèi)理解和掌握新知識。

在學(xué)習(xí)桿件基本變形的各章中，引導(dǎo)學(xué)生采用對比法，反復(fù)對比分析構(gòu)件承受的外載荷的特點。如果桿件承受的外載荷是力，強調(diào)力的作用線與桿件軸線之間的空間方位關(guān)系；如果桿件承受的外載荷是力偶，強調(diào)力偶的作用面與桿件軸線之間的空間方位的關(guān)系。通過采用對比教學(xué)法，學(xué)生在面對復(fù)雜受力的構(gòu)件時，能夠準(zhǔn)確判斷出構(gòu)件所承受的組合變形的形式。

（二）四種基本變形下應(yīng)力分布規(guī)律的對比

強度計算是材料力學(xué)課程知識體系中非常重要的內(nèi)容，其目的在于將構(gòu)件內(nèi)的應(yīng)力水平控制在一個范圍內(nèi)。能夠代表構(gòu)件應(yīng)力水平的點只能是危險面上的危險點，如何確定桿件在各種基本變形下危險點的位置就成了強度計算中非常重要的一個環(huán)節(jié)。在教學(xué)實踐中，通過反復(fù)對比四種基本變形下桿件橫截面上的應(yīng)力分布規(guī)律，幫助學(xué)生快速準(zhǔn)確找到危險點的位置，使學(xué)生在面對一個桿類構(gòu)件的強度計算時能夠充分把握自己關(guān)注的焦點。

（三）基本變形與組合變形的對比

四種基本變形與組合變形均有強度計算和變形計算，基本變形的強度計算考查的是危險面上危險點的應(yīng)力水平，組合變形考查的也同樣是危險面上危險點的應(yīng)力水平，所不同的是基本變形下軸向拉伸與壓縮，橫力彎曲的正應(yīng)力危險點處于簡單應(yīng)力狀態(tài)，其強度計算直接用危險面上危險點的應(yīng)力不超過許用值即可；圓軸扭轉(zhuǎn)和橫力彎曲的切應(yīng)力點盡管不是簡單應(yīng)力狀態(tài)，其強度計算也可以套用危險面上危險點的應(yīng)力不超過許用值理論。而組合變形下的危險點一般處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)必須根據(jù)桿件的材料以及危險點的應(yīng)力狀態(tài)選擇合適的強度理論計算其相當(dāng)應(yīng)力，保證其相當(dāng)應(yīng)力不超過許用值。

在變形計算方面，由于軸向拉壓和扭轉(zhuǎn)變形可以根據(jù)胡克定律計算變形量，在彎曲變形和組合變形中沒有相應(yīng)的計算變形的定律，故對于彎曲變形和組合變形的變形計算方面，材料力學(xué)提供了莫爾積分計算桿件的變形量。

（四）歷史與現(xiàn)代對比

在教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生對伽利略用木梁做彎曲實驗得出的梁彎曲時的應(yīng)力分布規(guī)律和現(xiàn)代梁理論關(guān)于梁變形后的應(yīng)力分布規(guī)律進行對比，并從歷史沿革的角度闡述從伽利略木梁到現(xiàn)代梁理論的發(fā)展歷程，并探討伽利略針對木梁彎曲所得到的結(jié)論的時代局限性。

三、問題教學(xué)法，激發(fā)學(xué)生主動思維

材料力學(xué)課程的知識與人們?nèi)粘Ｉ罹o密相關(guān)，為了激發(fā)學(xué)生的主動思維，幫助學(xué)生及早建立“學(xué)以致用”的觀念，更為了強化學(xué)生運用所學(xué)知識解決實際問題的能力，我們在教學(xué)過程中采用問題教學(xué)法。利用學(xué)生日常生活和身邊的具體實例作為討論對象，通過提出問題的形式向?qū)W生展現(xiàn)力學(xué)與生產(chǎn)和生活實際問題息息相關(guān)，使學(xué)生在接觸問題的瞬間就開始積極思考，主動思維，而不是單純被動的等待老師的授課。通過問題教學(xué)法，調(diào)動了學(xué)生的主動思維，活躍了課堂氣氛，增加了師生交流的時間與話題，取得了良好的教學(xué)效果。

在討論如何提高梁的彎曲強度以及如何提高壓桿的穩(wěn)定性問題時，涉及橫截面的形狀對桿件強度和壓桿穩(wěn)定性的影響，為此我們收集了與生活和工程有關(guān)的一些實例啟迪學(xué)生的思維，利用學(xué)生們再熟悉不過的身邊問題進行設(shè)問。如：“小麥秸稈的橫截面什么形狀？” “蘆葦?shù)臋M截面什么形狀？”“竹子的橫截面是什么形狀？” “植物的莖的橫截面是什么形狀？” “人類和動物的骨骼的橫截面是什么形狀？” “雙杠橫梁的橫截面是什么形狀？” “自行車大梁的橫截面是什么形狀？” “腳手架各構(gòu)件的橫截面是什么形狀？” “什么體型特征的舉重運動員有可能獲得舉重冠軍？”此一系列問題的提出，調(diào)動了學(xué)生的主動思維，使學(xué)生在思考和討論中得出結(jié)論，這些截面形狀的共同特征是空心圓截面。在學(xué)生得出此結(jié)論之后繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生思考：“自然界為什么選擇了空心圓截面？”理由是空心圓截面形式具有較強的抗彎曲能力。按照達爾文“適者生存”的原理，其他截面形狀在自然進化的過程中被淘汰掉了，進而再進一步引導(dǎo)學(xué)生討論不同的截面形狀對梁彎曲強度和壓桿穩(wěn)定性的影響，取得了事半功倍的效果。

四、案例教學(xué)法，培養(yǎng)學(xué)生工程意識

材料力學(xué)課程是學(xué)生在大學(xué)教育階段最先接觸到的與工程實際有關(guān)的課程，單純靠傳統(tǒng)的教學(xué)方法不足以培養(yǎng)學(xué)生的工程意識。在教學(xué)過程中引入案例教學(xué)，通過對相關(guān)案例的分析與研討，不僅鞏固了學(xué)生對基礎(chǔ)知識的理解和掌握，更將學(xué)到的理論知識與工程實際應(yīng)用相結(jié)合，將學(xué)生的眼光由理論知識引向工程實際問題，使學(xué)生由單純的學(xué)習(xí)知識轉(zhuǎn)化為運用知識，幫助學(xué)生快速地將知識轉(zhuǎn)化為能力。

在討論如何提高梁的彎曲強度時，采用了三峽電站四號機的轉(zhuǎn)輪從四川德陽運抵宜昌的運輸過程的案例分析。此轉(zhuǎn)輪自身重473噸，直徑10米，高5.23米，需要經(jīng)過的公路運輸全長246公里，沿線共有124座橋梁和1000個涵洞。受汶川地震影響，橋梁與涵洞處于“大病態(tài)”的共有7處。如何將如此龐大的轉(zhuǎn)輪經(jīng)過狀態(tài)不算太好的公路安全運達目的地？

經(jīng)過進一步的分析討論，學(xué)生提出的解決方案是：盡可能多地增加運輸車輛的輪胎數(shù)，其目的是將集中力分散，降低橋梁承受的最大彎矩；其次是運輸過程中要緩慢前進，盡量避免對橋梁產(chǎn)生動載荷；最后還要對橋梁本身進行加固，以保證轉(zhuǎn)輪順利過橋。

在討論復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下構(gòu)件的破壞方式時，為了清楚闡述構(gòu)件的破壞方式不僅與構(gòu)件的材料有關(guān)，更與危險點的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，我們采用了韓國歲月號渡輪沉沒事件作為典型案例分析。歲月號受到嚴(yán)重撞擊在幾秒內(nèi)發(fā)生傾斜，船上集裝箱等物體倒向一邊，使船體傾斜更嚴(yán)重，船體快速下沉，突然向一側(cè)翻倒，艙內(nèi)的大部分乘客無法及時逃出，造成重大海難。引導(dǎo)學(xué)生思考：船體翻倒后，不能靠砸開舷窗逃脫嗎？為什么舷窗玻璃很難被砸碎？是否因為鋼化玻璃特別結(jié)實？類似此種危險的境況下該如何逃生？

學(xué)生們經(jīng)過分析討論，不僅從舷窗的約束、材料、應(yīng)力狀態(tài)的角度解釋了舷窗玻璃難打破的原因，還給出了危險境況下的緊急救生預(yù)案。

在對相關(guān)案例的分析研討過程中，學(xué)生不僅扎實地掌握了理論知識，更開闊了視野，提升了解決問題的能力。

教育的最終目的是培養(yǎng)人，教師在教學(xué)過程中的一切努力都是為了學(xué)生全方位的健康成長。本文所探討的幾種教學(xué)方法，在教學(xué)實踐中營造了一種引導(dǎo)學(xué)生積極思考、主動思維的氛圍，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維，激發(fā)了學(xué)生的活力與靈氣，把學(xué)生由單純的被動接受知識轉(zhuǎn)變到了主動學(xué)習(xí)、主動思考、主動解決問題的軌道上，提升了學(xué)生的綜合實力。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 李穎，馮立富，郭書祥.材料力學(xué)教學(xué)中的一些生活和工程實例[J].力學(xué)與實踐，2005（27）.

[2] 李鋒.材料力學(xué)案例[M].北京：科學(xué)出版社，2011.

[3] 劉鴻文.材料力學(xué)（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2003.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]