材料力學(xué)課程教學(xué)方法探索

喬燕+孫傳智

[摘 要]材料力學(xué)主要研究由固體材料制成的構(gòu)件承受各種荷載作用時(shí)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性問題，是土木工程、機(jī)械工程、電力工程、水利工程、材料工程等專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程。應(yīng)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高自主學(xué)習(xí)的能動(dòng)性；恰當(dāng)使用各種教學(xué)手段；善于利用身邊的力學(xué)問題；注重運(yùn)用類比法分析；重視習(xí)題訓(xùn)練與復(fù)習(xí)總結(jié)和綜合能力培養(yǎng)。

[關(guān)鍵詞]能動(dòng)性；類比法；抽象問題；教學(xué)手段；綜合能力

[中圖分類號(hào)] G423 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2016）08-0163-02

材料力學(xué)主要研究由固體材料制成的構(gòu)件承受各種荷載作用時(shí)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性問題，是土木工程、機(jī)械工程、電力工程、水利工程、材料工程等專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，是學(xué)習(xí)專業(yè)課程及從事專業(yè)技術(shù)工作的必備知識(shí)。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中普遍反映：該課程的概念、公式較多，不容易記憶；內(nèi)容抽象，理解困難；對(duì)實(shí)際工程問題，不會(huì)簡化計(jì)算等。本文針對(duì)材料力學(xué)課程的特點(diǎn)和學(xué)生反映的情況，嘗試在材料力學(xué)課程教學(xué)中進(jìn)行以下幾個(gè)方面的探索和實(shí)踐。

一、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高自主學(xué)習(xí)的能動(dòng)性

學(xué)生的好奇心和對(duì)力學(xué)的興趣是非常有限和脆弱的，如何激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，使他們主動(dòng)去學(xué)習(xí)很重要。在學(xué)習(xí)材料力學(xué)課程之前，先讓學(xué)生談?wù)剬?duì)該課程的理解和認(rèn)識(shí)，然后向?qū)W生介紹該課程在工程中的應(yīng)用、歷史與發(fā)展、與后續(xù)專業(yè)課程的關(guān)系等，最后介紹整個(gè)課程的知識(shí)體系、重點(diǎn)難點(diǎn)、時(shí)間安排及學(xué)習(xí)方法等。

上課時(shí)學(xué)生對(duì)老師講解理論公式的推導(dǎo)過程不太感興趣，喜歡回答老師提出的簡單問題，如果回答對(duì)了，會(huì)繼續(xù)跟著老師的講課進(jìn)度聽下去，如果多次回答錯(cuò)誤，就會(huì)產(chǎn)生畏難情緒和厭惡感。所以，我們?cè)诒硎鰡栴}或者提問時(shí)要由淺入深，循序漸進(jìn)，以啟發(fā)式教學(xué)為主，鼓勵(lì)學(xué)生自己思考、分析、總結(jié)，使他們對(duì)材料力學(xué)課程逐漸產(chǎn)生興趣。

例如，我們?cè)谥v解軸向拉壓桿的強(qiáng)度條件之前，可以先提問：兩根材料相同、長度相等、截面形狀也相同的桿件，若粗細(xì)不同，用同樣大小的力逐漸拉伸，哪一根桿會(huì)先斷裂？如果其他條件都相同，只有材料不同，木桿和鋼桿哪一根會(huì)先斷裂呢？

學(xué)生很容易就能回答出這些問題來，接著就可以問：為什么兩根桿軸力相同，卻不同時(shí)斷裂呢？由此我們可以很自然地引出正應(yīng)力的計(jì)算公式和軸向拉壓桿的強(qiáng)度條件，然后讓學(xué)生討論拉壓桿的強(qiáng)度條件在生活中有哪些具體的應(yīng)用，根據(jù)學(xué)生討論的結(jié)果，從中選幾個(gè)典型例子，引導(dǎo)學(xué)生分析斜拉橋中的拉索、教室里的柱子、鋼屋架結(jié)構(gòu)中的桿件如何進(jìn)行截面設(shè)計(jì)、確定許用荷載及強(qiáng)度校核。讓學(xué)生課后用課堂上學(xué)過的分析方法分析自己身邊其他實(shí)例，進(jìn)而深入思考怎樣設(shè)計(jì)出既經(jīng)濟(jì)又安全的桿件，當(dāng)遇到不符合強(qiáng)度條件的情況時(shí)提出具體的處理辦法來。通過提問，對(duì)回答較好的同學(xué)給予加平時(shí)分的獎(jiǎng)勵(lì)，只有這樣，學(xué)生才會(huì)一直緊跟著教師的教學(xué)過程進(jìn)行積極配合與思考，才能逐漸體會(huì)到學(xué)習(xí)材料力學(xué)的興趣。

二、恰當(dāng)使用各種教學(xué)手段

為了充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性與積極性，我們?cè)诮虒W(xué)過程中可以恰當(dāng)采用各種教學(xué)手段，使抽象問題具體化、復(fù)雜問題簡單化，把多媒體教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)用到常規(guī)教學(xué)中。一方面，我們利用多媒體演示動(dòng)畫、各種圖表、視頻、工程實(shí)例、力學(xué)模型、教學(xué)總結(jié)等，利用黑板講解理論公式推導(dǎo)過程和例題求解過程。這樣既有助于學(xué)生對(duì)主要知識(shí)點(diǎn)的理解又能增大課堂信息量。另一方面，我們引導(dǎo)學(xué)生充分利用國家級(jí)、省級(jí)及校級(jí)的力學(xué)課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，主動(dòng)進(jìn)入課程網(wǎng)站自主學(xué)習(xí)，還可利用師生共建的QQ群、微信、微博等進(jìn)行溝通交流、答疑解惑等。課堂上我們還可以隨機(jī)應(yīng)變的拿起身邊的物體作為教具使用，例如：分析結(jié)構(gòu)的幾何特征時(shí)可以把粉筆盒、黑板擦、粉筆作為教具使用；分析理想鉸的時(shí)候，可以拿指甲剪、小刀、剪刀或訂書機(jī)等作為教具使用；拿一塊橡皮演示組合變形情況；拿一根吸管演示壓桿失穩(wěn)現(xiàn)象；拿粉筆演示脆性材料的拉伸和扭轉(zhuǎn)破壞試驗(yàn)等。課后布置任務(wù)給學(xué)生，讓學(xué)生利用手機(jī)、相機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等尋找身邊的力學(xué)問題，并對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行分析，簡化出力學(xué)模型。這樣通過現(xiàn)代化教學(xué)手段與常規(guī)教學(xué)相結(jié)合、課堂教學(xué)與課外教學(xué)相結(jié)合，會(huì)使力學(xué)課程變得妙趣橫生而不再枯燥乏味。

三、善于利用身邊的力學(xué)問題

為了使學(xué)生更好地掌握知識(shí)點(diǎn)，提高學(xué)生分析問題的能力和興趣，我們?cè)诮虒W(xué)過程中要善于利用身邊的力學(xué)問題，列舉一些簡單易行又趣味橫生的例子，使學(xué)生感覺到力學(xué)無處不在。[1]例如，在闡述材料的各向異性性質(zhì)時(shí)，可以舉劈木柴的例子，順紋劈容易斷、橫紋劈不容易斷。在講解提高彎曲梁的強(qiáng)度時(shí)，讓學(xué)生觀察教室里的梁為什么是豎放而不是平放的，觀察自然界生長的竹子為什么是空心的，而且從底向上逐漸變細(xì)，讓學(xué)生觀察粉筆在拉斷和扭斷時(shí)的破壞面，分析危險(xiǎn)截面和危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)及破壞原因。冬天室外水管常會(huì)被凍裂，讓學(xué)生討論并分析水管和冰各處于什么樣的應(yīng)力狀態(tài)，用哪個(gè)強(qiáng)度理論分析破壞原因比較接近實(shí)際。讓學(xué)生課后測量一下體育課上使用雙杠的水平桿相對(duì)豎直桿伸出來的長度是總長的多少，讓學(xué)生思考為什么這樣設(shè)計(jì)，然后逐漸引出利用梁的強(qiáng)度和剛度條件進(jìn)行合理設(shè)計(jì)的方法。以上例子都是學(xué)生比較熟悉的力學(xué)現(xiàn)象，先讓學(xué)生自己思考和分析，然后教師再進(jìn)行點(diǎn)評(píng)和總結(jié)，學(xué)生會(huì)很容易掌握知識(shí)而且印象深刻。

四、注重運(yùn)用類比法分析

類比教學(xué)法是將學(xué)生未知的知識(shí)點(diǎn)與已知的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，找出兩者之間相同和相似的地方，使學(xué)生既能加深對(duì)已有知識(shí)點(diǎn)的記憶和理解，又能使復(fù)雜未知的新知識(shí)點(diǎn)變得容易理解和掌握，達(dá)到事半功倍的效果。[2]雖然材料力學(xué)課程概念公式多、計(jì)算量大，但它又具有分析問題方法的共性強(qiáng)、前后內(nèi)容聯(lián)系非常密切等特點(diǎn)。[3]幾種基本變形的主要分析思路和處理方法基本類似：利用截面法求解內(nèi)力、繪制內(nèi)力圖；根據(jù)平面假設(shè)和桿件的變形特征，分析應(yīng)力分布特點(diǎn)，推導(dǎo)應(yīng)力計(jì)算公式，找出危險(xiǎn)截面或危險(xiǎn)點(diǎn)，進(jìn)行強(qiáng)度分析；根據(jù)桿件的內(nèi)力和變形特點(diǎn)，進(jìn)行剛度分析。我們?cè)诜治鰲U件的基本變形時(shí)，可以根據(jù)相似性建立一個(gè)通用公式，即：最大應(yīng)力=最大內(nèi)力 / 截面幾何性質(zhì)。具體類比分析見表1所示。

引導(dǎo)學(xué)生用類比分析法分析以上幾種基本變形的應(yīng)力與強(qiáng)度條件之后，可以讓學(xué)生自己類比分析他們的變形與剛度條件。通過運(yùn)用類比分析法，使學(xué)生能夠清晰掌握幾種基本變形的應(yīng)力公式、強(qiáng)度與剛度分析方法，以便輕松學(xué)習(xí)組合變形的分析計(jì)算。

五、重視習(xí)題訓(xùn)練與復(fù)習(xí)總結(jié)

教師普遍注重理論公式的推導(dǎo)，認(rèn)為把基本概念和理論講透了，具體的應(yīng)用學(xué)生自然能夠迎刃而解。事實(shí)上，現(xiàn)在學(xué)生普遍較為懶惰，課前不預(yù)習(xí)，課堂上不記筆記，課后不及時(shí)復(fù)習(xí)總結(jié)，除了做要上交的習(xí)題外其余的基本不做，而且抄作業(yè)現(xiàn)象很普遍，學(xué)生的計(jì)算能力和準(zhǔn)確性較差。大家都清楚，對(duì)材料力學(xué)的學(xué)習(xí)必須通過做大量習(xí)題才能較為深刻的掌握基本理論與公式，否則對(duì)知識(shí)的掌握就很膚淺，就會(huì)出現(xiàn)能聽懂但不會(huì)做或做不對(duì)的情況。提高計(jì)算能力的最佳途徑就是要做大量的習(xí)題，所以，建議教師在課堂上要給學(xué)生留出時(shí)間練習(xí)，課后也要布置一定數(shù)量的習(xí)題。對(duì)于作業(yè)上學(xué)生普遍存在的錯(cuò)誤要及時(shí)糾正和引導(dǎo)，讓學(xué)生的質(zhì)疑盡可能在課堂上完全消化。在課程復(fù)習(xí)總結(jié)的教學(xué)過程中，注意教材前后內(nèi)容的連貫性和新舊知識(shí)的銜接，類比總結(jié)各知識(shí)點(diǎn)的特點(diǎn)、規(guī)律、聯(lián)系、解題思路與解題方法。這樣既有利于學(xué)生消化吸收新知識(shí)又有利于增強(qiáng)學(xué)生掌握知識(shí)的系統(tǒng)性。

六、重視綜合能力培養(yǎng)

在教學(xué)過程中給出一些實(shí)際問題和趣味問題，引導(dǎo)學(xué)生自己建立力學(xué)模型，然后進(jìn)行分析，從而加強(qiáng)學(xué)生力學(xué)建模能力和培養(yǎng)解決實(shí)際工程中力學(xué)問題的分析能力。學(xué)生除了會(huì)建立力學(xué)模型外，還須要求學(xué)生會(huì)將材料力學(xué)里的許多知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行綜合，并利用熟知的解題方法來解決力學(xué)問題。引導(dǎo)學(xué)生組建力學(xué)興趣小組，探討身邊的力學(xué)問題，撰寫與專業(yè)相關(guān)的力學(xué)小論文，制作力學(xué)模型，創(chuàng)造小發(fā)明，參加各級(jí)各類力學(xué)競賽，申報(bào)大學(xué)生力學(xué)方面的實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目等。還要向?qū)W生推薦一些經(jīng)典力學(xué)書籍、力學(xué)報(bào)紙雜志、力學(xué)課程學(xué)習(xí)網(wǎng)站等，供學(xué)生課外拓展學(xué)習(xí)使用。

總之，我們的力學(xué)教師需要與時(shí)俱進(jìn)、深入思考，不斷探索與總結(jié)，使材料力學(xué)課程的學(xué)習(xí)變得輕松而有趣。

[ 注 釋 ]

[1] 陳云信.《材料力學(xué)》課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].江漢大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014（8）：40-44.

[2] 張?jiān)?，胡枕?材料力學(xué)教學(xué)中的類比教學(xué)法[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2007（12）：88-90.

[3] 李軍強(qiáng).材料力學(xué)課程課堂教學(xué)方法探討[J].高等函授學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012（9）：54-57.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]