材料力學(xué)教改思考

鄭佩

摘 要 材料力學(xué)是工科類專業(yè)的一門重要技術(shù)基礎(chǔ)課。本文從培養(yǎng)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段三方面出發(fā)對(duì)材料力學(xué)課程的教學(xué)改革進(jìn)行了初步的探討和思考，以期能夠在今后的教學(xué)實(shí)踐中培養(yǎng)出適合國(guó)家需要的多層次、多類別專業(yè)人才。

關(guān)鍵詞 材料力學(xué) 教學(xué)內(nèi)容 改革

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.02.051

Abstract Material mechanics is an important technical basic course for engineering majors. This paper from the training objectives， teaching contents and teaching methods in three aspects of material mechanics course teaching reform is discussed and thinking， with a view to teaching practice in the future development for the country needs multi-level， multi class professionals.

Keywords materials mechanics； teaching content； reform

材料力學(xué)是工科類專業(yè)的一門重要技術(shù)基礎(chǔ)課，對(duì)航空航天類、土建類、機(jī)械類各專業(yè)顯得尤其重要。材料力學(xué)課程的任務(wù)是為解決工程實(shí)際問(wèn)題（強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性）提供必要的理論基礎(chǔ)。隨著材料制造工藝的飛速發(fā)展及計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益普及，傳統(tǒng)的材料力學(xué)課程在教學(xué)方法和內(nèi)容上需要改革調(diào)整。本文以下結(jié)合筆者所在高校的教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，對(duì)今后材料力學(xué)課程的改革進(jìn)行了初步的探討和思考，以期能夠在新的歷史時(shí)期下，培養(yǎng)出國(guó)家所需要的多層次、多類別的專業(yè)人才。

1 進(jìn)一步明確培養(yǎng)人才的目標(biāo)

目前，中國(guó)正處于快速發(fā)展階段，急需大量的各行業(yè)人才，而培養(yǎng)人才的重任便落在各種高校身上。中國(guó)有幾百所工科大學(xué)，但每所高校培養(yǎng)人才的方式不一樣，其中絕大多數(shù)高校是以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為主，少數(shù)高校是以培養(yǎng)研究性人才為主。以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為主要目標(biāo)的高校，學(xué)生畢業(yè)后絕大多數(shù)都流入了生產(chǎn)型企業(yè)，他們主要從事相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)和設(shè)計(jì)工作，是產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中的中堅(jiān)力量。而以培養(yǎng)研究型人才為主要目標(biāo)的高校，學(xué)生畢業(yè)后有相當(dāng)一部分會(huì)流入研究所和設(shè)計(jì)研究院，主要從事以技術(shù)創(chuàng)新為主的研究和深度研發(fā)工作，是產(chǎn)品研發(fā)階段的創(chuàng)新型人才。培養(yǎng)技術(shù)應(yīng)用型人才的高校，應(yīng)側(cè)重教會(huì)學(xué)生如何“用”的問(wèn)題。而對(duì)于培養(yǎng)研究性人才的高校，更為重要的是告訴學(xué)生“為什么是這樣”的問(wèn)題。所以，首先應(yīng)該根據(jù)學(xué)校自身的定位，明確學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)，從而合理組織教學(xué)內(nèi)容。其次，應(yīng)根據(jù)不同的專業(yè)設(shè)置來(lái)明確教學(xué)內(nèi)容。

材料力學(xué)是力學(xué)、航空、航天、機(jī)械、動(dòng)力、土木、水利等專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)科，而且是一門理論性很強(qiáng)的學(xué)科，其包含的公式，定理，思維方式，建模思路等對(duì)于各行業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)，創(chuàng)新發(fā)展，優(yōu)化問(wèn)題等方面起到很大幫助作用。不同專業(yè)對(duì)材料力學(xué)課程所要求的深度、廣度和側(cè)重點(diǎn)有所不同。所以，必須根據(jù)不同的專業(yè)設(shè)置，來(lái)安排和組織教學(xué)。在但無(wú)論培養(yǎng)什么樣的學(xué)生和什么專業(yè)的學(xué)生，都應(yīng)注重學(xué)生分析問(wèn)題的能力和解決問(wèn)題能力的培養(yǎng)，另外也應(yīng)注重學(xué)生的創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2 教材內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn)

傳統(tǒng)的材料力學(xué)課程主要以宏觀尺度的一維桿件為研究對(duì)象，在教學(xué)內(nèi)容上先安排講授桿件的四種基本變形形式及對(duì)應(yīng)的強(qiáng)、剛度問(wèn)題，在此之后講授組合變形并通過(guò)引入應(yīng)力狀態(tài)的概念引出組合變形模式下的強(qiáng)度問(wèn)題，最后安排講授壓桿的穩(wěn)定性問(wèn)題。以上講授內(nèi)容，自上世紀(jì)八十年代中后期就已經(jīng)成型，到30年后的今天仍然是材料力學(xué)的核心講授內(nèi)容。這樣的教學(xué)方式和考查形式著重培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)材料力學(xué)中的定理，理論和研究方法，然后解決一些傳統(tǒng)的問(wèn)題，然而這并不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，與我國(guó)快速發(fā)展的現(xiàn)狀越來(lái)越不適應(yīng)。因此，使教材內(nèi)容適應(yīng)國(guó)家發(fā)展是很重要的。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，材料制造工藝水平的不斷提高及新材料的不斷涌現(xiàn)，對(duì)材料力學(xué)這門“成熟”的課程提出了全新的力學(xué)問(wèn)題。如何在傳統(tǒng)的材料力學(xué)課程中適度、適時(shí)地反映這些全新的課題和進(jìn)展是十分必要的。特別是近年來(lái)有限元思想的快速發(fā)展，這對(duì)材料力學(xué)的學(xué)習(xí)和教學(xué)有了很大影響，在研究工程變形和靜定結(jié)構(gòu)的基本變形中，有限元思想更是突出了它的便利之處。另外，隨著新的交叉學(xué)科的不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)材料力學(xué)中的一些結(jié)論和分析方法，也已在其他一些學(xué)科中得到了具體應(yīng)用。但是，這種全新的應(yīng)用并沒(méi)有在傳統(tǒng)的材料力學(xué)課程中得到體現(xiàn)。因此，在當(dāng)前學(xué)科交叉日益密集的趨勢(shì)下，如何對(duì)傳統(tǒng)的材料力學(xué)內(nèi)容進(jìn)行安排和重組，以反映這種學(xué)科間的交叉和滲透也是十分必要的。

傳統(tǒng)的材料力學(xué)內(nèi)容已不能滿足現(xiàn)代工程技術(shù)的發(fā)展，這并不是說(shuō)要舍棄那些傳統(tǒng)內(nèi)容，而是要保留核心內(nèi)容，并加入一些新的思維方法，重組教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化課程體系，以達(dá)到完善教材，適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的效果。這不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，還可以提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，提高學(xué)生解決問(wèn)題的能力，并有利于高校培養(yǎng)專業(yè)的人才，滿足國(guó)家的需求。因此，教學(xué)內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn)勢(shì)在必行。

3 完善教學(xué)手段

目前，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力來(lái)解決實(shí)際工程問(wèn)題以成為當(dāng)前的一種主流趨勢(shì)。計(jì)算機(jī)的普遍使用，也為材料力學(xué)課程教學(xué)方法提供了很大發(fā)展空間，老師應(yīng)該利用學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)的興趣，合理使用計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)，不僅可以提高信息的輸送和表達(dá)，而且還能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)造性。另外，利用多媒體教學(xué)，還能加深學(xué)生對(duì)材料力學(xué)基本概念的理解，相應(yīng)的提高了學(xué)生解決問(wèn)題的能力，計(jì)算機(jī)教學(xué)方式是傳統(tǒng)教學(xué)手段的有力補(bǔ)充。還有一些大型的商業(yè)有限元軟件，尤其是ANSYS軟件早已被用來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算。很多工科院校也已經(jīng)將ANSYS作為本科生或研究生的一門必修課程，通常都安排在材料力學(xué)課程之后學(xué)習(xí)。但是，在講授材料力學(xué)的過(guò)程中，也應(yīng)該充分利用ANSYS直觀形象的圖形顯示能力和強(qiáng)大的計(jì)算分析優(yōu)勢(shì)，來(lái)演示材料力學(xué)課程中的一些重要結(jié)論和驗(yàn)證一些主要假設(shè)的合理性問(wèn)題。舉例來(lái)說(shuō)，在學(xué)習(xí)梁的彎曲變形時(shí)，采取了平截面假設(shè)，也就是說(shuō)當(dāng)梁發(fā)生彎曲變形的時(shí)候，變形前原為平面的梁的橫截面變形后任保持為平面，且仍然垂直于變形后的梁的軸線。①這一假設(shè)的實(shí)質(zhì)是忽略了剪應(yīng)力對(duì)梁彎曲變形的影響，而且僅對(duì)長(zhǎng)高比較大的梁（ >5）近似成立。

在教學(xué)過(guò)程中，一般僅是定性的告訴學(xué)生這一結(jié)論。利用ANSYS軟件，通過(guò)不同的單元選擇，比如可以利用Timoshenko梁?jiǎn)卧?，二維實(shí)體單元和三維實(shí)體單元，具體形象地展示不同單元的數(shù)值結(jié)果，從而定量的告訴學(xué)生這一假設(shè)合理性及適用性的問(wèn)題。此外，另外一款數(shù)學(xué)軟件Matlab也因其強(qiáng)大的分析和仿真功能，被廣泛地應(yīng)用于研究及教學(xué)領(lǐng)域。事實(shí)上，Matlab也早已被列為本科生的一門選修課。國(guó)內(nèi)一些高校也開(kāi)展了Matlab和材料力學(xué)課程相結(jié)合的一些有益探索和嘗試，比如利用Matlab計(jì)算超靜定機(jī)構(gòu)的支反力及繪制撓曲線的形狀等。②在材料力學(xué)課程中的把ANSYS，Matlab等仿真類軟件引入到材料力學(xué)課程教學(xué)中來(lái)，不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還可以加深學(xué)生對(duì)材料力學(xué)基本概念的理解，并有助于提高學(xué)生實(shí)際分析能力和解決問(wèn)題能力的提高，為其將來(lái)更好更快地解決實(shí)際工程問(wèn)題打下基礎(chǔ)。因此，在今后的材料力學(xué)教學(xué)中，應(yīng)該加大ANSYS，Matlab等軟件的介紹，在更深的層次上和教學(xué)過(guò)程相結(jié)合。

在利用計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的同時(shí)，也應(yīng)該注重加強(qiáng)學(xué)生進(jìn)行材料力學(xué)試驗(yàn)，材料力學(xué)是一門理論性較強(qiáng)的學(xué)科。學(xué)生在學(xué)習(xí)基本概念和理論后，并不能完全理解，這就需要進(jìn)行材料力學(xué)試驗(yàn)來(lái)加深學(xué)生對(duì)理論的理解，使理論與實(shí)踐相結(jié)合。從簡(jiǎn)單的力學(xué)現(xiàn)象引出復(fù)雜的問(wèn)題，通過(guò)理論的學(xué)習(xí)進(jìn)而解決力學(xué)問(wèn)題揭示力學(xué)原理，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，通過(guò)看得見(jiàn)、摸得著的實(shí)驗(yàn)可以加深學(xué)生對(duì)抽象概念的理解，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。

最后，要完善教學(xué)課堂，老師在完成規(guī)定的教學(xué)內(nèi)容后，應(yīng)該不斷鼓勵(lì)學(xué)生樂(lè)于提出問(wèn)題，并在課堂上解決，這不僅能激發(fā)學(xué)生的思考和發(fā)散思維，還能起到現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用的作用，更能加深學(xué)生對(duì)基本概念的理解，提高學(xué)生解決問(wèn)題的能力和創(chuàng)新能力。對(duì)于學(xué)有余力的學(xué)生，應(yīng)該給他們一些力學(xué)問(wèn)題，讓他們合作解決，最后在課堂教學(xué)之余舉行一個(gè)小競(jìng)賽，促使學(xué)生獨(dú)立思考和鉆研。這種教學(xué)方式不僅增強(qiáng)了學(xué)生自己查閱文獻(xiàn)和書(shū)籍的能力，還提高他們的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)他們接受新知識(shí)、新思想的能力，在使學(xué)生獨(dú)立思考的同時(shí)，也讓學(xué)生意識(shí)到團(tuán)隊(duì)合作的重要性，加強(qiáng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力?？傊?，材料力學(xué)這門課程雖然是理論性學(xué)科，但是從課程理論學(xué)習(xí)、教學(xué)方式、課堂實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新等各個(gè)環(huán)節(jié)入手，并在各個(gè)過(guò)程中大膽創(chuàng)新，努力實(shí)踐，最終可以提高教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)，提高學(xué)生創(chuàng)新能力，使學(xué)校培養(yǎng)出高素質(zhì)，復(fù)合型人才，滿足國(guó)家對(duì)工程性技術(shù)人才的需求。

4 結(jié)語(yǔ)

材料力學(xué)是工科類專業(yè)一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程，筆者作為工科類材料力學(xué)課程的一線授課教師，對(duì)材料力學(xué)課程今后的教學(xué)改革方向提出了以上幾點(diǎn)思考和建議。為了培養(yǎng)出國(guó)家所需要的多層次、多類別的專業(yè)人才，在今后的教學(xué)工作中，只有明確了培養(yǎng)目標(biāo)，不斷改進(jìn)教學(xué)方法、與時(shí)俱進(jìn)地更新教學(xué)內(nèi)容，才能使學(xué)校培養(yǎng)出的學(xué)生肩負(fù)起時(shí)代所賦予的責(zé)任。

注釋

① 劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2004.

② 王繁生，蔣紅旗.Matlab 在材料力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].高等建筑教育，2009（18）：101-103.