淺析力學(xué)在土木工程專業(yè)的重要性

段瑋瑋 黃柱

摘 要：對(duì)于土木工程專業(yè)來(lái)說(shuō)，力學(xué)是極為重要的知識(shí)，它不但影響對(duì)土木工程專業(yè)知識(shí)的理解，還影響解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。淺析力學(xué)在土木工程專業(yè)的重要性，提出部分建議，以期培養(yǎng)出適宜于社會(huì)發(fā)展的合格的工程技術(shù)人員。

關(guān)鍵詞：力學(xué)；土木工程；重要性

1 概述

力學(xué)是一門(mén)基礎(chǔ)科學(xué)，它所闡明的規(guī)律帶有普遍的性質(zhì)。力學(xué)又是一門(mén)技術(shù)科學(xué)，它是許多工程技術(shù)的理論基礎(chǔ)。土木工程是力學(xué)應(yīng)用最早的工程領(lǐng)域之一[1]。對(duì)于土木工程專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，力學(xué)課程是一類(lèi)極為重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，它不但影響學(xué)生對(duì)今后其他專業(yè)課程的理解，還將影響學(xué)生以后解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。所以，對(duì)力學(xué)課程在土木工程專業(yè)的重要性進(jìn)行研究，可以幫助培養(yǎng)出適宜于社會(huì)發(fā)展的合格的工程技術(shù)人員。

2 土木工程專業(yè)主要設(shè)置的力學(xué)課程

根據(jù)土木工程專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃，四年本科期間，8學(xué)期內(nèi)，共設(shè)置7門(mén)力學(xué)類(lèi)課程，如下表1所示。

所以說(shuō)，除了理論力學(xué)、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)這“三大力學(xué)”之外，結(jié)合土木工程必須與流體接觸的特點(diǎn)，也設(shè)置了流體力學(xué)這樣的學(xué)科基礎(chǔ)課。另外，考慮到大三之后，土木工程專業(yè)學(xué)生有“建筑工程方向”、“地下工程方向”、“古建筑修復(fù)與保護(hù)工程方向（特色方向）”三個(gè)不同的發(fā)展方向，也設(shè)置了土力學(xué)、彈性力學(xué)與有限元基礎(chǔ)和巖石力學(xué)基礎(chǔ)這樣三門(mén)專業(yè)方向課程。

3 各門(mén)力學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容及特點(diǎn)

3.1 理論力學(xué)[2]

理論力學(xué)是研究物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)一般規(guī)律的科學(xué)，是各門(mén)力學(xué)的基礎(chǔ)。它忽略一般物體的微小變形，建立在力作用下物體形狀、大小均不改變的剛體模型。

主要講授內(nèi)容分三個(gè)部分：

①靜力學(xué)部分。主要研究受力物體平衡時(shí)作用力所應(yīng)滿足的條件；同時(shí)也研究物體受力的分析方法，以及力系簡(jiǎn)化的方法等。

②運(yùn)動(dòng)學(xué)部分。只從幾何的角度來(lái)研究物體的運(yùn)動(dòng)，而不研究引起物體運(yùn)動(dòng)的物理原因。

③動(dòng)力學(xué)部分。研究受力物體的運(yùn)動(dòng)與作用力之間的關(guān)系。

3.2 材料力學(xué)[3]

材料力學(xué)以單個(gè)桿件作為主要研究對(duì)象，并且將其看作均勻、連續(xù)、各向同性的可變性固體。它研究桿件的拉、壓、彎、剪、扭變形特征，并對(duì)桿件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性分析計(jì)算。

3.3 流體力學(xué)[4]

流體力學(xué)是研究流體的平衡和流動(dòng)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其在工程實(shí)際中應(yīng)用的一門(mén)學(xué)科。流體力學(xué)研究的對(duì)象是流體，包括液體和氣體。

3.4 結(jié)構(gòu)力學(xué)[5]

結(jié)構(gòu)力學(xué)以桿件結(jié)構(gòu)（包括梁、拱、桁架、剛架和組合結(jié)構(gòu)等）為主要研究對(duì)象；研究在外力和其他外界因素作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和動(dòng)力反應(yīng)，以及結(jié)構(gòu)的組成規(guī)律。

3.5 土力學(xué)[6]

土力學(xué)研究土的本構(gòu)關(guān)系以及土與結(jié)構(gòu)物相互作用的規(guī)律。土的本構(gòu)關(guān)系，即土的應(yīng)力、應(yīng)變、強(qiáng)度和時(shí)間這四個(gè)變量之間的內(nèi)在關(guān)系。

3.6 彈性力學(xué)與有限元基礎(chǔ)[7]

彈性力學(xué)研究彈性體由于受到外力作用或溫度變化以及支座沉陷等原因而發(fā)生的應(yīng)力、變形和位移。它一方面對(duì)桿狀物件作進(jìn)一步的、較精確的分析；另一方面，對(duì)板和殼，以及擋土墻、堤壩、地基等實(shí)體結(jié)構(gòu)，加以研究。

3.7 巖石力學(xué)基礎(chǔ)[8]

巖石力學(xué)基礎(chǔ)主要研究巖石和巖體力學(xué)性能的一門(mén)學(xué)科，是探究巖石和巖體在其周?chē)h(huán)境（力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、地下水等）發(fā)生變化后，作出響應(yīng)的一門(mén)力學(xué)分支。其所研究的巖體，具有不連續(xù)性、各向異性和不均勻性的特征。

4 力學(xué)課程在土木工程專業(yè)的重要性

力學(xué)是土木工程專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課，若缺乏對(duì)力學(xué)課程基本概念、物理意義和求解方法的深入理解，想真正掌握好相關(guān)專業(yè)課程，做好有關(guān)工程設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理乃至進(jìn)一步的科研工作，是不可想象的[9]。

4.1 對(duì)本科后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)的影響

混凝土結(jié)構(gòu)基本原理、鋼結(jié)構(gòu)基本原理、基礎(chǔ)工程、土木工程施工技術(shù)、房屋砌體與混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)、地基處理、深基坑工程、城市軌道交通工程、隧道工程、古建筑設(shè)計(jì)與保護(hù)技術(shù)等專業(yè)課程，都與力學(xué)課程有關(guān)，如不打好力學(xué)基礎(chǔ)，將無(wú)法真正掌握及應(yīng)用好專業(yè)知識(shí)。例如在學(xué)習(xí)“混凝土結(jié)構(gòu)基本原理”課程中受彎構(gòu)件斜截面承載力計(jì)算這部分內(nèi)容時(shí)，需首先了解斜裂縫出現(xiàn)的原因，這時(shí)就需利用材料力學(xué)主應(yīng)力跡線的分析方法，在構(gòu)件上取出微元體，來(lái)做截面主應(yīng)力分析等[10]。再如“鋼結(jié)構(gòu)基本原理”課程，由于鋼材內(nèi)部組織比較接近于勻質(zhì)和各向同性體，而且在一定的應(yīng)力幅度內(nèi)幾乎是完全彈性的，所以鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況和工程力學(xué)計(jì)算結(jié)果比較符合[11]；在課程的學(xué)習(xí)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)用到材料力學(xué)中的各種計(jì)算公式和計(jì)算理論等。

除了這些專業(yè)課程，對(duì)于土木工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)這個(gè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)來(lái)說(shuō)，力學(xué)知識(shí)也是非常重要的。就拿經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)的“混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”這種畢業(yè)設(shè)計(jì)題目來(lái)說(shuō)，它分為結(jié)構(gòu)布置、計(jì)算簡(jiǎn)圖、框架內(nèi)力計(jì)算、框架內(nèi)力組合、框架梁柱截面設(shè)計(jì)、現(xiàn)澆樓面板設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、樓梯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算和軟件計(jì)算這樣幾個(gè)部分。所以說(shuō)，若不能利用力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)先進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖的簡(jiǎn)化和結(jié)構(gòu)內(nèi)力的計(jì)算，后面實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分，均無(wú)法完成。

4.2 對(duì)研究生階段學(xué)習(xí)的影響

畢業(yè)后，若繼續(xù)就讀本專業(yè)研究生，除了在研究生入學(xué)考試中可能會(huì)考核到材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)這樣的力學(xué)課程；在讀研期間，也將涉及更多更深入的力學(xué)課程，如應(yīng)用彈塑性力學(xué)、塑性力學(xué)、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)、有限單元法、高等結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)等。如在本科階段沒(méi)有打下良好的基礎(chǔ)，將很難掌握這些課程。

4.3 對(duì)就業(yè)后解決工程實(shí)踐問(wèn)題的影響

力學(xué)知識(shí)在工程設(shè)計(jì)工作中的作用是不言而喻的。同樣，力學(xué)知識(shí)對(duì)于施工或監(jiān)理等工作，也是不可或缺的。如預(yù)制樁在堆放時(shí)墊木位置和吊裝時(shí)吊點(diǎn)位置的確定，施工腳手架的安裝計(jì)算，施工模板拆除順序的確定，施工縫留設(shè)位置的確定，施工中鋼筋放置位置的確定等，都需要通過(guò)力學(xué)知識(shí)來(lái)確定。從事建筑施工或監(jiān)理的工程技術(shù)人員，只有掌握了建筑力學(xué)的基本知識(shí)，才能懂得建筑物中各種構(gòu)件的作用、受力情況、傳力途徑以及它們?cè)诟鞣N力的作用下在什么條件下會(huì)產(chǎn)生什么樣的破壞。這樣，在施工中就能正確理解設(shè)計(jì)意圖，制定出合理的安全措施和質(zhì)量保證措施，從而保證建筑施工過(guò)程中的絕對(duì)安全，確保工程質(zhì)量，避免事故發(fā)生[12]。

5 對(duì)本科階段力學(xué)課程“教”與“學(xué)”兩方面的建議

力學(xué)課程內(nèi)容繁多，概論抽象，在“教”與“學(xué)”兩方面都存在很多問(wèn)題，容易使教師教起來(lái)用時(shí)多，任務(wù)緊；學(xué)生學(xué)起來(lái)難度大，負(fù)擔(dān)重，且容易出現(xiàn)書(shū)能看懂而求解問(wèn)題無(wú)從下手的情況[9]。

5.1 教學(xué)方法建議

依據(jù)土木工程專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，考慮力學(xué)課程與相關(guān)專業(yè)課程的銜接性，整合力學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容。注重工程實(shí)踐教育，加強(qiáng)學(xué)科工程背景教學(xué)。培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)，開(kāi)展競(jìng)賽活動(dòng)，強(qiáng)化學(xué)生動(dòng)手能力。引導(dǎo)學(xué)生參與教師科研活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生的科研意識(shí)[13]。教學(xué)中運(yùn)用案例教學(xué)，趣味教學(xué)，啟發(fā)式、探究式、研討式等教學(xué)方法[14]。理論教學(xué)之余，也可簡(jiǎn)要介紹結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器、ANSYS、ABAQUS、PKPM等計(jì)算軟件，加強(qiáng)學(xué)生在力學(xué)計(jì)算方面的綜合能力。

5.2 學(xué)習(xí)方法建議

“教”與“學(xué)”相輔相成，無(wú)法分離。所以除了教師需運(yùn)用不同的教學(xué)方法來(lái)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣之外，學(xué)生也需掌握合理的學(xué)習(xí)方法，以加強(qiáng)對(duì)教師教授知識(shí)的理解與滲透。

第一，課前做好預(yù)習(xí)，課后加強(qiáng)復(fù)習(xí)。有效的預(yù)習(xí)，可以使學(xué)生在上課之前，了解自己即將要學(xué)的知識(shí)，這樣在課堂學(xué)習(xí)時(shí)，就可以對(duì)自己所學(xué)的東西做到心中有數(shù)；及時(shí)的復(fù)習(xí)，可以使學(xué)生及時(shí)消化課堂所學(xué)，以便深入了解所學(xué)知識(shí)，深入掌握。

第二，善于積累，善于提問(wèn)。本科教學(xué)不比高中教學(xué)，它講授新知識(shí)的時(shí)間往往多余復(fù)習(xí)舊知識(shí)的時(shí)間，所以，在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，不能存在“猴子掰玉米”的現(xiàn)象，學(xué)了新的忘了舊的，而是要不停積累，不停學(xué)習(xí)；對(duì)于不懂的知識(shí)點(diǎn)，要善于提出疑問(wèn)，問(wèn)同學(xué)，問(wèn)教師，問(wèn)網(wǎng)絡(luò)，及時(shí)解答疑問(wèn)，及時(shí)解決問(wèn)題。

第三，要加強(qiáng)練習(xí)。學(xué)習(xí)力學(xué)知識(shí)的過(guò)程中，不做一定數(shù)量的習(xí)題，將很難對(duì)基本概念和計(jì)算方法有深入的理解，也很難培養(yǎng)出好的計(jì)算能力[4]，所以，要學(xué)以致用，加強(qiáng)練習(xí)。

第四，善于創(chuàng)新，積極參與不同的實(shí)踐活動(dòng)。教師教授的知識(shí)是有限的，在學(xué)習(xí)教師教授的方法之后，舉一反三，要自己善于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，創(chuàng)新思維；積極參與各項(xiàng)社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)，如省大學(xué)生力學(xué)競(jìng)賽、省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽等，將學(xué)到的力學(xué)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際的大賽活動(dòng)中，并且從實(shí)踐的過(guò)程中又學(xué)習(xí)新的力學(xué)知識(shí)，循環(huán)往復(fù)，提高自身的學(xué)習(xí)積極性；積極參與教師的科研項(xiàng)目，提高自身的研究思路和水平，也是加強(qiáng)自身力學(xué)思維的較好方法。

6 結(jié)語(yǔ)

馬克思曾經(jīng)指出：“力學(xué)是大工業(yè)的真正科學(xué)的基礎(chǔ)。”錢(qián)學(xué)森也說(shuō)過(guò)：“不可能設(shè)想，不要現(xiàn)代力學(xué)就能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化?！盵15]土木工程專業(yè)工程技術(shù)人員必須具備深厚的力學(xué)知識(shí)，必須掌握熟練的力學(xué)分析計(jì)算方法，所以，了解力學(xué)課程在土木工程專業(yè)的重要性，對(duì)于培養(yǎng)合格的土木工程專業(yè)技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，是非常必要的。

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基金項(xiàng)目：

浙江省自然科學(xué)基金（LQ12E08003），浙江省公益技術(shù)應(yīng)用研究項(xiàng)目（2013C33064）。

作者簡(jiǎn)介：

段瑋瑋（1980-），女，湖北孝感人，碩士，浙江海洋學(xué)院土木工程系副教授，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)工程、巖土工程等；黃柱（1976-），男，湖南汨羅人，浙江海洋學(xué)院土木工程系高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楣窐蛄骸r土工程等。