對新時期材料力學教學的幾點思考

黃元辰　翁國華

【關(guān)鍵詞】 材料力學；青年教師；思考

【中圖分類號】 G623.2 【文獻標識碼】 A

【文章編號】 1004—0463（2017）05—0066—02

材料力學是工學學科中力學類、機械類、土木類、航空航天類等專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。在上述專業(yè)課程體系當中，按照授課時間排序，材料力學是第一門系統(tǒng)性講解變形體（桿件）在外部載荷（以集中力、布力、集中力偶與溫度為主）作用下形變與內(nèi)部應力相關(guān)計算的課程，內(nèi)容上完成了從質(zhì)點、剛體到變形體的過渡，上承高等數(shù)學、理論力學，下啟彈性力學、結(jié)構(gòu)力學、巖土力學、機械設計等專業(yè)課程，是連接基礎(chǔ)課與專業(yè)課的不可或缺的一環(huán)。目前，以建設世界一流大學和一流學科為目標，筆者所在的上海理工大學正實施“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，同時大力推進多個專業(yè)的工程教育專業(yè)認證。在這樣的背景下，如何將材料力學這門由于內(nèi)容相對經(jīng)典且邏輯性強，而在部分學生眼中顯得抽象枯燥的課程講好，使得學生通過課程學習能夠掌握材料力學中的思想方法及重要結(jié)論，并具備將其應用于解決實際工程問題的能力，是值得從事材料力學教學工作的青年教師思考的一個重大問題。下面，筆者結(jié)合工作實踐談幾點自己的看法。

一、講好緒論課

材料力學的緒論部分一般包括對本課程研究對象、研究內(nèi)容、研究方法、基本概念、實際應用，以及歷史沿襲、最新進展、未來趨勢等的介紹。由于緒論并不涉及具體的公式推導與問題求解，容易被相當數(shù)量的習慣于應試導向性學習的學生貼上“內(nèi)容空洞，學而無用”的標簽，甚至一些授課教師也持有類似觀點，以幾句話將緒論匆匆?guī)н^，進入相對“言之有物”的后續(xù)內(nèi)容。實際上，緒論的重要性并不亞于其他章節(jié)，一堂好的緒論課不但應當能夠使學生對課程內(nèi)容產(chǎn)生清晰的整體印象，還應起到拓寬其視野，激發(fā)其學習興趣的目的。緒論課的作用就好比“藏寶圖”加“指南針”，使學生在后續(xù)的學習過程中可以主動地按圖索驥而不至迷失方向，最終獲得“寶藏”——即解決問題的思想方法與需要掌握的知識點。

材料力學教材緒論部分所包含的知識點之間聯(lián)系相對松散，不存在能夠串起全部知識點的較長邏輯鏈，因而在講課方面留給教師自由發(fā)揮的余地較大；但也正是由于無定式可循，講好緒論課的難度甚至還要高出講好具體理論課程的難度。為了使緒論課發(fā)揮其應有的作用，組織課程內(nèi)容時不妨考慮以下幾點：

1. 以現(xiàn)實生活中常見實例作為開頭，以設問的形式引出材料力學的研究內(nèi)容，即強度、剛度與穩(wěn)定性的概念。如，由建筑地基不均勻沉降導致的墻體裂縫多與地面呈45°的現(xiàn)象，以及2012年8月24日發(fā)生的哈爾濱陽明灘大橋垮塌事故，引出強度的概念與重要性；由客機起飛時通過舷窗所觀察到的機翼彎曲現(xiàn)象，以及1998年6月17日發(fā)生的因Ka-50直升機上下兩副反向旋轉(zhuǎn)的旋翼槳葉碰撞而導致的墜機事故為例，引出剛度的概念及重要性。

2. 以材料力學的發(fā)展史為主線，重點介紹做出過突出貢獻的著名科學家及其工作，如伽利略、胡克、歐拉、拉格朗日、納維等人，使學生在深入學習具體理論之前即對課程內(nèi)容的背景及歷史沿革有所了解，對課程產(chǎn)生更加立體的第一印象。與此同時，還應適當增加與中國古代材料力學成就相關(guān)的部分內(nèi)容，如東漢末年經(jīng)學家鄭玄對于胡克定律的等價描述0，建于公元600年前后、世界現(xiàn)存第二古老的單孔敞肩圓弧石拱橋——趙州橋，以及建成于公元1056年、世界現(xiàn)存最高大的古代木構(gòu)建筑——山西應縣佛宮寺釋迦塔等等。

3. 在講解材料力學基本假設時，不但需強調(diào)其在理論推導方面的意義，同時還應從正反兩個方面舉例說明其適用范圍，使學生對真實世界的復雜性與理論的局限性產(chǎn)生一定的感性認識，為將來進一步學習更高層次的課程做一鋪墊。如，對于連續(xù)性假設，可指出只有物體所占據(jù)的空間內(nèi)均充滿物質(zhì)不存在空隙，且物體變形后不發(fā)生重疊或開裂現(xiàn)象時，物體的變形及內(nèi)力才能表示為物體內(nèi)部每一個物質(zhì)點的坐標的連續(xù)函數(shù)，便于利用數(shù)學分析的方法進行研究。盡管此假設在原子尺度上、甚至對于某些多孔材料在微米尺度上不再成立，但只要作為研究內(nèi)容的材料的力學行為所發(fā)生的尺度遠大于上述范圍，則仍然可以應用此假設。如果物體的確包含宏觀裂紋或類似缺陷，那么采用斷裂力學的分析方法則更為適合。對于均勻性假設，可指出此假設意味著物體內(nèi)部各物質(zhì)點處均有相同的力學性能，所以材料屬性可以是獨立于物質(zhì)點坐標的常數(shù)。盡管此假設對于金屬材料在晶粒尺度上、對于某些包含顆粒或纖維組分的復合材料甚至在10 μm的尺度上不再成立，但在宏觀尺度上仍可應用均勻性假設。對于各向同性假設，可指出其適用于大多數(shù)金屬與高分子聚合物工程材料，但同時也存在大量不滿足此假設的常見材料，典型如竹子、木材、連續(xù)纖維增強型復合材料單層板等。另外，還可舉例說明宏觀尺度上各向同性的材料在細觀或介觀尺度上并非各項同性。最后，應特別強調(diào)各向同性只是針對材料的彈性行為而言，并不包括強度，避免學生混淆概念。

二、優(yōu)化課堂內(nèi)容

現(xiàn)階段我國高校中材料力學的教學進程大多沿著“直桿軸向拉壓→圓截面軸扭轉(zhuǎn)→直梁對稱彎曲→應力狀態(tài)與強度理論→組合變形”的主線展開，再附加壓桿穩(wěn)定與能量法有關(guān)內(nèi)容；對于桿件的三種基本變形（拉壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲），又多沿著“變形假設→幾何關(guān)系→本構(gòu)關(guān)系→平衡條件→應力公式→變形公式”的順序進行演繹推導。國內(nèi)外多種教材的內(nèi)容也基本按照上述思路編排或略加調(diào)整0-0。這種整體進程安排符合由淺入深、從易到難、循序漸進的一般教育原則，同時通過講解桿件的三種基本變形問題，可加深學生對于材料力學中普遍采用的分析方法的理解與記憶。但是另一方面，這種傳統(tǒng)安排的不足之處表現(xiàn)為教學內(nèi)容重復性較大，且各部分之間的邏輯聯(lián)系不夠緊密，不利于學生在較短時間內(nèi)掌握材料力學的核心內(nèi)容0， 0，影響學習效率與積極性的提高。面對傳統(tǒng)的教學進程安排、有限的課時（根據(jù)學生專業(yè)不同通常為64或48）與不斷增長的對實際傳授知識量的需求三者之間的矛盾，優(yōu)化課堂內(nèi)容顯得十分必要。

1. 由于生活在信息時代、習慣于在若干目標間快速轉(zhuǎn)移注意力的學生難以被包含較長邏輯鏈的數(shù)學推導過程長時間吸引，所以需要將傳統(tǒng)的“連續(xù)式”教學過程變?yōu)椤懊}動式”教學過程，將每堂課所應覆蓋的內(nèi)容歸納劃分為若干個知識點，每個知識點都包括設問形式的開頭、具體內(nèi)容講解、為下一個知識點鋪墊的結(jié)尾所構(gòu)成?？紤]到學生一般可持續(xù)集中注意力的最長時間約為10 分鐘左右，每個知識點所需講授時間在10～15 分鐘左右為宜，這樣一節(jié)時長45分鐘的課程中即可安排3～4個知識點。

2. 對于桿件的基本變形，除按照現(xiàn)有教學順序進行講授之外，還可在每一種基本變形相關(guān)內(nèi)容講授完畢之后，沿“外力→內(nèi)力→應力→應變→能量”的主線0重新演繹所學內(nèi)容，使學生從不同角度觀察分析問題，拓寬思路。在所有基本變形講授完畢之后，應充分比較直桿在軸向拉壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲時的分析方法與重要結(jié)論，并歸納提煉出共同特征，使學生從更高層次上整體理解與掌握課程內(nèi)容。另外在不改變基本教學順序的情況下，還可適量增加教材以外的內(nèi)容，目的在于加強學生對于解決材料力學問題的一般方法的理解，不求艱深。例如，可利用推導直梁橫力彎曲時平衡微分方程的微元法，推導直桿軸向拉壓與圓截面軸扭轉(zhuǎn)時的控制方程0，而后兩者在現(xiàn)行教材中一般較少出現(xiàn)。

3.形形色色的有限元分析軟件已經(jīng)在工業(yè)界得到了大規(guī)模應用，而材料力學的知識又是掌握有限元軟件使用方法的必要前提。為了培養(yǎng)學生的工程實踐能力，同時加深對于材料力學所學內(nèi)容的理解，可以在課程中增加有限元軟件的簡單介紹與實際操作模塊，使學生具備利用ANSYS或者Abaqus解決簡單材料力學問題的能力。

三、合理運用現(xiàn)代化教學手段

目前，以微軟公司的PowerPoint（簡稱PPT）為代表的電子演示文稿已經(jīng)成為各高校必不可少的多媒體教學手段。傳統(tǒng)的以板書為主的教學模式中，授課教師需花費大量時間在黑板上寫字繪圖，期間背對學生，無法觀察學生的反應，與學生的互動時間也會相應減少。而且板書的表現(xiàn)力有限，難以用生動的形式解釋某些較難理解的概念。同時，以板書為主的教學模式要求授課教師對于在課堂上所要呈現(xiàn)的全部內(nèi)容都爛熟于心，否則一旦記憶不牢，就有可能在面對空白的黑板時無從下手，致使教學效果大打折扣，而這也正是許多初上講臺的青年教師所要面對的問題。板書的弱項卻是PPT的長項，若以PPT為主要教學手段，由于不用花費時間在黑板上寫字繪圖，授課教師可一直面對學生，便于師生互動，提高教學效率。另外，因為大部分講授內(nèi)容均已預先記錄在PPT上，教師不用為偶爾忘記內(nèi)容擔心，實際上減輕了教師的負擔。不過另一方面，PPT在展示數(shù)學推導過程方面也有自身的局限性，由于所有內(nèi)容均為事先制作，缺乏根據(jù)需求臨場改變的自由度，不便于教師根據(jù)學生的反饋而從多個角度解釋部分推導過程。此外，較快的顯示速度也不利于學生對于推導邏輯的理解消化，而高度集中的注意力也容易造成學生的疲勞。在這方面，板書的優(yōu)點顯而易見，理論推導過程明晰，節(jié)奏適中，便于學生理解。因此，青年教師應合理結(jié)合傳統(tǒng)板書與以PPT為代表的現(xiàn)代教學手段，利用自身熟悉多媒體素材與手段的優(yōu)勢，用大量可視化的內(nèi)容解釋材料力學中理論性較強、相對晦澀的概念；而在進行理論推導時，則依靠板書，詳細講解思路與每一步的依據(jù)，并結(jié)合學生的反饋，重復重點步驟，這樣才能取得更好的教學效果。

智能手機是另一個可以利用的教學手段。盡管目前智能手機的濫用已經(jīng)成為一個普遍存在的影響課堂教學效果的因素，但不可否認的是智能手機與互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合的確大大加快了信息傳播的速度，也大大方便了人與人之間的交流。正如大禹治水，堵不如疏，與其禁止學生在課堂上使用手機，不如引導其適度“正面”地使用手機或其他移動通信終端，使手機為提高課堂教學效果服務。

材料力學作為工學學科多個專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，隨著“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的實施與工程教育專業(yè)認證的推進，對這門經(jīng)典力學課程的教學效果提出了更高的要求。作為從事材料力學教學工作的青年教師，在不改變現(xiàn)行教學體系的前提下，可充分發(fā)揮主觀能動性與熟悉新興教學方法與傳播手段的優(yōu)勢，從講好緒論課、優(yōu)化課堂內(nèi)容、合理運用現(xiàn)代化教學手段三個方面著手，精心打磨材料力學，使其在新形勢下煥發(fā)生機，為培養(yǎng)適應時代發(fā)展要求的創(chuàng)新型工程技術(shù)人才作出自身的貢獻。

編輯：郭裕嘉