《材料力學(xué)》課程的教學(xué)改革與探索

文/李瓊

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《材料力學(xué)》課程的教學(xué)改革與探索

文/李瓊

摘要:材料力學(xué)是機(jī)械，土木和建筑等專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，也是很多專業(yè)課的預(yù)備課程。本文探討了材料力學(xué)課程教學(xué)中的常見問題，并提出了改進(jìn)辦法。

關(guān)鍵詞:材料力學(xué);力學(xué)現(xiàn)象;物理過程;教學(xué)改革

一、材料力學(xué)課程的特點(diǎn)

材料力學(xué)是研究結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性的一門學(xué)科，該課程是機(jī)械，土木和建筑等專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，是機(jī)械原理、土木和建筑結(jié)構(gòu)等專業(yè)課的預(yù)備課程，也是進(jìn)行課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)的必修課程。它研究外力作用下物體內(nèi)部微觀的響應(yīng)，即應(yīng)力及應(yīng)變的分布規(guī)律，該課程同時(shí)考察由材料的微觀點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)所決定的材料力學(xué)性能，即能材料的應(yīng)力與應(yīng)變之間關(guān)系及應(yīng)力與應(yīng)變的極限。該課程內(nèi)容繁雜，對(duì)本科生來說比較抽象，是專業(yè)基礎(chǔ)課里面比較難的一門課，課堂上能感到相當(dāng)一部分同學(xué)思路無法跟上，每次考試掛科人數(shù)眾多，甚至有些學(xué)生重修都無法通過。本文基于材料力學(xué)的教學(xué)實(shí)踐來探討該課程教授過程中發(fā)現(xiàn)的問題，并提出改進(jìn)方案。

二、材料力學(xué)課程教學(xué)中的問題探討

1．概念理解不透。有些學(xué)生對(duì)材料力學(xué)中標(biāo)志性的概念，如應(yīng)力與應(yīng)變，理解不透。不理解這些概念，就無從理解材料力學(xué)的其他內(nèi)容。

2．知識(shí)點(diǎn)又多又雜。例如每種基本變形對(duì)應(yīng)不同的內(nèi)力分析，應(yīng)力及應(yīng)變計(jì)算方法;基本變形的強(qiáng)度條件，復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的強(qiáng)度理論等，都非常繁雜。

3．公式多且難記憶。經(jīng)常聽到學(xué)生抱怨，材料力學(xué)里面要記各種計(jì)算的公式、復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)分析的公式等，公式很多也復(fù)雜。

4．做題無法下手，思路不清。有些學(xué)生概念和公式都掌握了，但是面對(duì)習(xí)題或試題，感覺束手無策。

5．表達(dá)不規(guī)范。學(xué)生作業(yè)和考試中出現(xiàn)表達(dá)不規(guī)范的問題，尤其是受力分析圖、變形協(xié)調(diào)圖等重要分析圖都給省略了。

三、如何改進(jìn)該課程的教學(xué)

1．針對(duì)概念難懂的問題:本人認(rèn)為，教師講述概念應(yīng)循序漸進(jìn)，逐步引導(dǎo)。一方面，教師可以試著從對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察和分析入手來引入概念，這樣就很生動(dòng)，學(xué)生也不會(huì)覺得生疏。這一點(diǎn)在力學(xué)大師們的教材中體現(xiàn)得淋漓盡致。例如，前蘇聯(lián)力學(xué)大師鐵木辛科編寫了材料力學(xué)，彈性力學(xué)，等一系列力學(xué)教材，該系列教材寫得深入淺出，每一概念和公式都由對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察入手，讓人覺得水到渠成。教師平時(shí)可以多讀大師們寫的教材來開闊思維和眼界;另一方面，教師對(duì)概念的講解不應(yīng)局限在字面上的意思，而要結(jié)合該學(xué)科研究的內(nèi)容和待解決的問題來引入。例如，對(duì)應(yīng)力這一重要概念的講解，聯(lián)系到材料力學(xué)是研究的內(nèi)容是:結(jié)構(gòu)在外力作用下內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生變形，變形會(huì)導(dǎo)致內(nèi)力的產(chǎn)生，內(nèi)力又會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力;每種材料能承受的應(yīng)力是有極限的。于是當(dāng)由外力產(chǎn)生的應(yīng)力大于材料能承受的極限應(yīng)力，結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生破壞。材料力學(xué)的本質(zhì)就是通過比較由外力產(chǎn)生的應(yīng)力與材料能承受的極限應(yīng)力之間的大小，來判斷結(jié)構(gòu)是否會(huì)發(fā)生破壞。應(yīng)力就是為解決以上問題而產(chǎn)生的。相信如果像這樣，從該學(xué)科所針對(duì)的研究?jī)?nèi)容的角度來介紹概念，學(xué)生理解起來會(huì)容易得多。

2．針對(duì)知識(shí)點(diǎn)太多太雜的問題:教師可以引導(dǎo)學(xué)生通過對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)和歸納來提取出該學(xué)科的線索和框架，然后根據(jù)提取物對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行歸類。這樣就能將零散的知識(shí)點(diǎn)串起來，使其繁而不雜。這就比如一個(gè)衣櫥，要裝很多衣服。如果首先將衣服歸類，然后合理布置，將衣物規(guī)劃好，這樣衣柜就不會(huì)顯得亂，而且我們找起衣服來也豪不費(fèi)事。反之則衣柜會(huì)凌亂無章，找起衣服則會(huì)費(fèi)事費(fèi)力。知識(shí)也是一樣，任何一門學(xué)科都有它的框架，需要將知識(shí)進(jìn)行梳理，理出知識(shí)的框架和線索，將知識(shí)點(diǎn)分類，它們被有機(jī)地串起來了，這樣用的時(shí)候就可以輕而易舉地根據(jù)線索將所需知識(shí)點(diǎn)取出來。材料力學(xué)這門課的基本線索是:先是討論用傳統(tǒng)的力學(xué)分析方法解決強(qiáng)度問題:即由對(duì)拉伸，扭轉(zhuǎn)和彎曲這幾個(gè)基本變形的分析入手，對(duì)每一基本變形，都按照由外力到內(nèi)力，由內(nèi)力到應(yīng)力和應(yīng)變的步驟進(jìn)行分析，然后根據(jù)強(qiáng)度條件來判斷結(jié)構(gòu)的安全性;基本變形介紹完后，介紹了復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的分析方法，以及其強(qiáng)度條件的建立，以分析組合變形的安全性。簡(jiǎn)要討論穩(wěn)定性等問題，如壓桿穩(wěn)定。介紹利用不同于傳統(tǒng)力學(xué)分析方法——能量法來求解位移等問題。在理出了基本線索后，就可以把知識(shí)點(diǎn)定位并理順，這樣知識(shí)點(diǎn)就不會(huì)顯得雜亂了。

3．針對(duì)公式生疏難記的問題:一般每一個(gè)公式都是針對(duì)一個(gè)具體力學(xué)現(xiàn)象或物理過程，如果能好好分析，理解公式就不難了。比如，軸向拉伸公式:伸長(zhǎng)量= (外力×桿長(zhǎng)) / (彈性模量×橫截面積)。這個(gè)公式是針對(duì)桿件拉伸這一物理過程，教師如果能通過實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生觀察和分析桿件拉升過程，桿件的伸長(zhǎng)量受那些因素影響，以及外力，桿長(zhǎng)等因素分別怎樣影響伸長(zhǎng)量。當(dāng)學(xué)生了解這一物理過程，就不會(huì)覺得公式難以理解。

4．針對(duì)做題無法下手或思路不清的問題:這種情況是掌握了知識(shí)，但不會(huì)分析解決。解材料力學(xué)等工科習(xí)題，首先要分析該題涉及什么樣的物理過程以確定解題思路，然后分析該物理過程與哪些知識(shí)有關(guān)，以選擇合適的方法來解題。所以，分析物理過程是關(guān)鍵，物理過程把握準(zhǔn)確了，解題思路才清晰，也才能選擇正確的方法。

5．針對(duì)表達(dá)不規(guī)范的問題:教師上課是應(yīng)反復(fù)強(qiáng)調(diào)，材料力學(xué)是一門力學(xué)課程，受力分析圖，變形圖這些步驟是不可以省略的，否則無法體現(xiàn)思路。

四、總結(jié)

綜上所述，要學(xué)好材料力學(xué)或其他工程類的專業(yè)基礎(chǔ)課或者專業(yè)課:要明確該學(xué)科所研究的現(xiàn)象和所要解決的問題;要理出該課程的框架和線索;做題時(shí)，先要分析該題描述的物理現(xiàn)象和過程;要掌握該學(xué)科的基本分析方法;要表達(dá)規(guī)范。

(作者單位:華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院)

作者簡(jiǎn)介:李瓊( 1977－)，女，漢族，湖北荊州人，博士，講師，研究方向:應(yīng)用力學(xué)。

中圖分類號(hào):G641

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):2095－9214 ( 2015) 08－0086－01