基于全國周培源大學(xué)生力學(xué)競賽材料力學(xué)新教學(xué)模式的實踐

張 速①

（安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

力學(xué)在漢語中的意思是力的科學(xué)，它在推動我國科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化發(fā)展過程中起重要的作用.作為對全國高?；A(chǔ)力學(xué)教學(xué)水平和教學(xué)改革成果大檢驗的“全國周培源大學(xué)生力學(xué)競賽”，每兩年舉行一次.它不僅受到教育部高教司、周培源基金會的支持，而且越來越多地受到各省市教育部門和高校的重視.這項競賽對促進(jìn)各高校的基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)改革具有一定的推動作用.

在基礎(chǔ)力學(xué)中，材料力學(xué)對于工科院校來說，是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課.但是，在傳統(tǒng)的教學(xué)方法、教學(xué)模式下，由于缺乏必要的工程背景，再加上材料力學(xué)有內(nèi)容多的特點，一些學(xué)生便對材料力學(xué)課程產(chǎn)生畏難情緒，覺得這門課內(nèi)容很難掌握，因此，逐漸失去對這門課學(xué)習(xí)的積極性和興趣.而材料力學(xué)課程的基礎(chǔ)不扎實，將對后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)產(chǎn)生非常大的影響.根據(jù)這種情況，在教學(xué)過程中，就要求教師設(shè)法創(chuàng)設(shè)一個良好的學(xué)習(xí)情境，其目的是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)這門課的興趣.常言道：“興趣是最好的老師”，學(xué)生一旦對某門課感興趣，就會自然而然地去學(xué)習(xí)它，主動探索，心情愉悅，效果最佳.

基于上述現(xiàn)狀，針對目前材料力學(xué)課程以往的教學(xué)模式，我們把在全國周培源大學(xué)生力學(xué)競賽輔導(dǎo)中采用的新教學(xué)模式：圍繞以幾種邏輯方法［1］為基礎(chǔ)的輔導(dǎo)教學(xué)，應(yīng)用到材料力學(xué)課程教學(xué)過程中，經(jīng)過幾年的教學(xué)實踐，效果良好.

1 新教學(xué)模式的內(nèi)容

圍繞以幾種邏輯方法為基礎(chǔ)的教學(xué)模式內(nèi)容是：

1）廣泛積累一些融基礎(chǔ)性、靈活性于一體的工程實例，引入材料力學(xué)課程的教學(xué)中，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)材料力學(xué)課程的興趣和積極性.

2）在上課過程中給出一些實際問題和趣味問題，通過學(xué)生自己建立力學(xué)模型，讓學(xué)生進(jìn)行分析，從而加強學(xué)生力學(xué)建模能力和培養(yǎng)解決實際工程中力學(xué)問題的能力.

3）對于給出的實際問題和趣味問題，學(xué)生除會建立力學(xué)模型外，還必須要求學(xué)生會將材料力學(xué)里的許多知識點進(jìn)行綜合，并利用熟知的解題方法來解決力學(xué)問題.

4）通過舉一些復(fù)雜綜合問題讓學(xué)生進(jìn)行分析，使學(xué)生們提高解算復(fù)雜綜合題的能力，從而習(xí)慣于面對復(fù)雜的問題，以消除學(xué)生們的畏懼心理，逐步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力.

5）對工程力學(xué)知識特別感興趣的學(xué)生，還特別組織一個力學(xué)興趣小組進(jìn)行活動.

2 課程新教學(xué)模式的實踐

根據(jù)上述新教學(xué)模式內(nèi)容的要點，我們在課程教學(xué)過程中的具體實踐是：

1）引入大量的工程實例（包括案例等），根據(jù)各章的內(nèi)容，采用做法是：比較-分類法.先將引入的工程實例進(jìn)行比較分類，即分為軸向拉壓、剪切、扭轉(zhuǎn)、彎曲、組合變形和壓桿的穩(wěn)定等，然后再把這些工程實例應(yīng)用于各章的教學(xué)過程中.例如：在講壓桿的穩(wěn)定這一章中，引用許多失穩(wěn)的案例：案例1 2000年10月25日上午10時30分，在南京電視臺演播中心演播廳屋頂澆筑混凝土施工，腳手架失穩(wěn)，造成演播廳屋頂模板倒塌.案例2 1907年加拿大魁北克橋的失穩(wěn)（跨度548 m，重9000 T），造成大橋坍塌.案例3 1922年冬天下大雪，美國華盛頓尼克爾卜克爾劇院由于屋頂結(jié)構(gòu)中的一根壓桿超載失穩(wěn)，造成劇院倒塌.再如，在講剪切這一章鉚釘連接計算時，也引用許多實例，例如：廣東海珠橋大修后合攏傳統(tǒng)熱鉚釘技藝、米格-29機首下方鉚釘與機皮連接、某地鋼結(jié)構(gòu)橋的鉚釘連接等.實踐表明，學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣得到提高.

2）全國周培源大學(xué)生力學(xué)競賽，其中一個重要的目的就是培養(yǎng)分析、解決實際工程中力學(xué)問題的能力，尤其是要加強力學(xué)建模的能力.在以往的教材中，典型例題和習(xí)題都是力學(xué)模型已建立好的，學(xué)生們已經(jīng)養(yǎng)成根據(jù)給的力學(xué)模型來做題目的習(xí)慣；至于如何將實際問題簡化成力學(xué)模型，這方面知識卻很缺乏.根據(jù)這種情況，采用的做法是：歸納-演繹法.首先通過舉一些典型的工程實例，如鋼橋梁建模、工業(yè)單層廠房建模等，給學(xué)生們介紹一些力學(xué)建模的知識，同時還要求學(xué)生們能夠?qū)⑺鶎W(xué)過的一些約束模型、荷載的幾種簡化等進(jìn)行歸納；然后，教師再給一些實例，讓學(xué)生們將歸納的力學(xué)模型的知識應(yīng)用于這些實例.例如：體操運動員進(jìn)行體操比賽的單杠力學(xué)模型、猴子爬繩力學(xué)模型、木橋加固模型、磚石結(jié)構(gòu)中梁、柱和樓梯、陽臺力學(xué)模型等的建立，它們上面的荷載的簡化、內(nèi)力、變形計算等問題.實踐表明：學(xué)生經(jīng)過這方面的練習(xí)，不僅對材料力學(xué)課程內(nèi)容感興趣，而且也為后續(xù)將要開設(shè)專業(yè)課打下基礎(chǔ).

3）將材料力學(xué)里的許多知識點進(jìn)行綜合，必須熟練系統(tǒng)地掌握各章的知識點.做法是：采用比較-分類法.就是由類和種的概念，把不同研究對象放在一起進(jìn)行比較，根據(jù)共同點把事物歸為一大類，又根據(jù)差異點把一大類事物劃分為幾小類，再由各小類分成種，一層一層下去.這樣，經(jīng)過比較和分類，雜亂無章的材料就會被整理的條理化、系列化.采用這種方法的益處是：可以訓(xùn)練學(xué)生們思維能力、記憶能力.例如：在講述《材料力學(xué)》中軸向拉壓這一章時，運用比較-分類法可先列出如下圖框形式.

然后針對上述圖框形式，再一層一層地給學(xué)生們進(jìn)行課程教學(xué).實踐表明：在教學(xué)過程中，采用比較-分類法，不僅整章的結(jié)構(gòu)內(nèi)容層次分明、條理清楚、知識點能夠系統(tǒng)掌握，且便于記憶.

利用熟知的解題方法來解決力學(xué)問題.做法是：采用歸納-演繹法.所謂歸納-演繹法中的歸納：就是個別到一般，即通過材料力學(xué)典型的例題歸納出解題的一般方法.演繹：就是一般到個別，即把歸納出解題的一般方法應(yīng)用于解決力學(xué)問題.采用這種邏輯方法可以訓(xùn)練學(xué)生們的綜合思維能力和解決問題的能力.

在以往的材料力學(xué)課程的教學(xué)過程中，在講解典型例題時，通常給學(xué)生們介紹的只是解題思路和解題方法，但學(xué)生們很少自己能夠?qū)⒔忸}思路和解題方法進(jìn)行歸納總結(jié)，這樣造成的結(jié)果是：典型例題能看懂，但課后布置的習(xí)題往往不會做，更談不上用解題方法來解決力學(xué)問題.根據(jù)這種情況，對于每章每節(jié)的典型例題，要求學(xué)生自己首先根據(jù)例題的內(nèi)容，考慮解題思路和解題方法，然后老師和學(xué)生一起對解題思路和解題方法進(jìn)行完善、總結(jié)；其過程可以采用討論的形式，目的是調(diào)動學(xué)生們的主觀能動性.總之，對每個典型例題都?xì)w納出解題方法；課后，再把這些解題方法，應(yīng)用于做習(xí)題，分析、解決問題.實踐表明：學(xué)生不僅課后布置的習(xí)題不會感到很陌生、都會做，而且解決力學(xué)問題的能力也得到了一定的提高.

4）提高學(xué)生們解算復(fù)雜綜合題的能力，消除學(xué)生們的畏懼心理，逐步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力.做法是：采用分析-綜合法.應(yīng)用該法的思路是：必須首先解剖事物的各個方面，各個部分，弄清各個部分的結(jié)構(gòu)、功能及其在整體中的各種作用，然后再進(jìn)行全面、總體的考慮，找到事物的本質(zhì)特征及其規(guī)律.把該法用在力學(xué)解決問題上，可分為三部分，即：分過程→找知識點→后綜合.這里的分過程：就是把解決的問題分為幾個過程來分析；找知識點：就是尋找解決每個過程所需要的知識點以及相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型；后綜合：就是把每個過程所需要的相應(yīng)數(shù)學(xué)模型綜合在一起最終解決問題.采用這種方法的益處可以全面系統(tǒng)地訓(xùn)練學(xué)生們的綜合分析能力.

教學(xué)經(jīng)驗表明：學(xué)生們往往畏懼的是分析復(fù)雜的綜合問題，這就要求在教學(xué)過程中必須加強對學(xué)生們進(jìn)行這方面能力的訓(xùn)練和培養(yǎng)，可以由淺入深地提供一些綜合題目讓學(xué)生們?nèi)シ治龊徒鉀Q，這樣做的目的是使學(xué)生們習(xí)慣于面對復(fù)雜的問題，以消除學(xué)生們對復(fù)雜問題的畏懼心理.例如：組合變形的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)點強度計算問題、桿系結(jié)構(gòu)強度、剛度和穩(wěn)定性綜合在一起的計算問題等，像這些綜合問題，一般都比較難，解決這些問題，學(xué)生們往往不知道如何下手.因此，在做每一個題前都要求學(xué)生們按照：先分過程→找知識點→后綜合的程序來考慮題目中的問題，而且要求學(xué)生們一定要養(yǎng)成按照這種邏輯思維、分析綜合問題方式的習(xí)慣.這樣，經(jīng)過一段時間的練習(xí)和訓(xùn)練，學(xué)生們基本上掌握這種邏輯思維的方法，并且通過教學(xué)實踐表明：學(xué)生們采用分析-綜合法這種思維方式考慮問題，不僅消除對綜合問題的畏懼心理，而且解決復(fù)雜綜合問題的能力也得到一定的提高.

5）對工程力學(xué)特別感興趣的學(xué)生，還特別組織一個力學(xué)興趣小組進(jìn)行活動.這個小組由12、13級土木、道橋、交通專業(yè)的學(xué)生組成，教師由老、中、青力學(xué)教師組成，每星期三下午活動，老師和學(xué)生在一起對一些力學(xué)問題進(jìn)行討論.

以上是我們將全國周培源大學(xué)生力學(xué)競賽輔導(dǎo)中采用的：圍繞以幾種邏輯方法為基礎(chǔ)的輔導(dǎo)教學(xué)，應(yīng)用到材料力學(xué)課程教學(xué)過程中，它只是在材料力學(xué)教學(xué)過程中的一種嘗試，其經(jīng)驗還在不斷地摸索，并且在今后的教學(xué)過程中有待進(jìn)一步改進(jìn).

3 結(jié)語

全國周培源大學(xué)生力學(xué)競賽，不僅是教育部高教司主辦的大學(xué)生科技競賽中的重要賽事，而且它對于我國力學(xué)教學(xué)具有重要的促進(jìn)作用.總之，在材料力學(xué)課程教學(xué)過程中，把在全國周培源大學(xué)生力學(xué)競賽輔導(dǎo)中采用的：圍繞以幾種邏輯方法［2-5］為基礎(chǔ)的教學(xué)模式，應(yīng)用于材料力學(xué)課程教學(xué).實踐表明：不僅激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)材料力學(xué)課程的興趣與積極性，而且也提高材料力學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量.

［1］劉安中，張速.幾種邏輯方法在力學(xué)競賽輔導(dǎo)中的應(yīng)用［J］.力學(xué)與實踐，2012，34（3）：68-70.

［2］張速.方法論在材料力學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用［J］.力學(xué)與實踐，2008，30（6）：97-98.

［3］劉元亮，姚惠華，寇世琦，等.科學(xué)認(rèn)識論與方法論［M］. 北京：清華大學(xué)出版社，1987.

［4］欒玉廣.自然科學(xué)技術(shù)研究方法［M］.合肥：中國科技大學(xué)出版社，2003.

［5］陳衡.科學(xué)研究的方法論［M］.北京：科學(xué)出版社，1982.