少學(xué)時(shí)《材料力學(xué)》課程教學(xué)內(nèi)容及方法探究

張小安,范開敏

(四川文理學(xué)院1.智能制造學(xué)院;2.達(dá)州智能制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院,四川達(dá)州635000)

少學(xué)時(shí)《材料力學(xué)》課程教學(xué)內(nèi)容及方法探究

張小安1,2,范開敏1

(四川文理學(xué)院1.智能制造學(xué)院;2.達(dá)州智能制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院,四川達(dá)州635000)

針對(duì)當(dāng)前高校普遍壓縮該課程教學(xué)課時(shí)的情況,探討《材料力學(xué)》課程的教學(xué)內(nèi)容的取舍,并對(duì)如何提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,降低學(xué)生學(xué)習(xí)本課程時(shí)的難度提出了一些思路.

材料力學(xué);教學(xué)內(nèi)容;教學(xué)方法;基本措施

《材料力學(xué)》是高校理工科專業(yè)一門承上啟下的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課,是和實(shí)踐應(yīng)用聯(lián)系較為緊密的一門課程.《材料力學(xué)》是力學(xué)專業(yè)、水利工程專業(yè)、機(jī)械工程專業(yè)、建筑結(jié)構(gòu)工程專業(yè)、道路橋梁工程專業(yè)、車輛工程專業(yè)等的必修課,是機(jī)械設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、建筑結(jié)構(gòu)等課的選修課程,更是解決工程實(shí)際的理論基礎(chǔ).《材料力學(xué)》系統(tǒng)的、理論化的發(fā)展至今已有300余年的歷史,其中的經(jīng)典理論從古到今的工程實(shí)踐和科學(xué)技術(shù)中一直被廣泛應(yīng)用.[1－3]其在培養(yǎng)應(yīng)用型人才中也發(fā)揮著重要作用.本文就材料力學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行一些初步探索.

1 教學(xué)內(nèi)容

根據(jù)各個(gè)專業(yè)、各個(gè)不同教學(xué)層次對(duì)知識(shí)側(cè)重點(diǎn)要求的不同,現(xiàn)在市場(chǎng)上材料力學(xué)教材版本較多,應(yīng)根據(jù)各專業(yè)的專業(yè)特點(diǎn)要求選擇合適的教材,一般機(jī)械類專業(yè)選擇劉鴻文主編的教材較為合適.該教材內(nèi)容涵蓋了為后續(xù)機(jī)械專業(yè)課程的學(xué)習(xí)所必須掌握的全部?jī)?nèi)容.

1.1 教學(xué)內(nèi)容的取舍

隨著高校教育教學(xué)改革,各個(gè)學(xué)科專業(yè)都在壓縮課時(shí),材料力學(xué)由原來的120課時(shí)到現(xiàn)在的64課時(shí),理論講述只有48課時(shí),教材為了系統(tǒng)性和完整性所編排的上下兩冊(cè)內(nèi)容在現(xiàn)有課時(shí)情況下是不能全部講述的.[1]且該門課程基本假設(shè)多、公式多、知識(shí)點(diǎn)繁雜、理論知識(shí)抽象,在學(xué)習(xí)過程中有一定難度.把材料力學(xué)知識(shí)點(diǎn)全面?zhèn)魇诮o學(xué)生對(duì)教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)都有較大的難度.劉鴻文主編教材上冊(cè)有九章,[1]主要內(nèi)容見表1.

表1 材料力學(xué)上冊(cè)主要內(nèi)容

在這些章節(jié)知識(shí)點(diǎn)中,重要的是桿件的四種基本變形,即拉壓、剪切、扭轉(zhuǎn)、彎曲.這四種變形在日常生活和工程實(shí)踐中隨處可見.通過材料力學(xué)的學(xué)習(xí),要求學(xué)生深刻理解桿件強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的概念,并能運(yùn)用基本理論、基本運(yùn)算對(duì)簡(jiǎn)單的工程實(shí)踐中所涉及桿件的基本變形做必要的分析與設(shè)計(jì).因此前六章為本書講授重點(diǎn)部分,其中第七章的應(yīng)力應(yīng)變、強(qiáng)度理論是除了前邊幾章基本變形外的一個(gè)較為重要的知識(shí)點(diǎn).在時(shí)間有限的情況下應(yīng)保證學(xué)生對(duì)前七章知識(shí)理解、運(yùn)用掌握的基礎(chǔ)上再進(jìn)行后續(xù)課程的學(xué)習(xí).

1.2 教學(xué)內(nèi)容的講授

《材料力學(xué)》涉及的內(nèi)容屬于固體力學(xué)和材料科學(xué),但是又不同于固體力學(xué).材料力學(xué)所研究的對(duì)象,僅限于軸線為直線的等直桿件物體;同時(shí)也不同于材料科學(xué),它只研究材料宏觀的力學(xué)行為不涉及材料的微觀機(jī)理.[4]在講授的過程中既要聯(lián)系前期已經(jīng)學(xué)習(xí)過的知識(shí),同時(shí)也要加以區(qū)分,即“聯(lián)系、區(qū)別”.一般材料力學(xué)課程安排在理論力學(xué)課程之后,在講授的時(shí)候要強(qiáng)調(diào)理論力學(xué)研究對(duì)象為剛體,而材料力學(xué)的研究對(duì)象為彈性體.研究對(duì)象的不同使得理論力學(xué)中很多理論在材料力學(xué)中不再適用.比如緒論一節(jié)里所介紹的材料力學(xué)中的內(nèi)力和理論力學(xué)中內(nèi)力的概念就應(yīng)加以區(qū)分.在緒論部分介紹材料力學(xué)基本假設(shè)的時(shí)候還可以和先修的機(jī)械工程材料的一些知識(shí)加以聯(lián)系和區(qū)別.

對(duì)于四種基本變形劉鴻文主編的《材料力學(xué)》一書中《主要介紹了拉壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲三種基本變形.對(duì)該三種變形每種變形都進(jìn)行了大篇幅理論的系統(tǒng)的介紹,其遵循了“軸力－應(yīng)力－強(qiáng)度－剛度”這么一條線在講解.同時(shí)又都遵循“平面假設(shè)－變形幾何關(guān)系－物理關(guān)系－靜力平衡條件－應(yīng)力公式－計(jì)算變形量公式”這么一條線講解.[5]比如“拉壓變形”開篇所講的“截面法”求軸力同樣適用于“扭轉(zhuǎn)變形”與“彎曲變形”求內(nèi)力.拉壓變形強(qiáng)度計(jì)算可以解決強(qiáng)度校核、確定截面尺寸、確定系統(tǒng)許可載荷這三類問題,后邊的扭轉(zhuǎn)變形和彎曲變形的強(qiáng)度計(jì)算同樣是解決這幾類問題.這種在三種變形中運(yùn)用同一方法的例子較多,此處不再敘述.總之,在講授材料力學(xué)這門課程的時(shí)候要突出共性,強(qiáng)化概念讓學(xué)生深刻理解事物的內(nèi)在共性,掌握課程的精華.

2 教學(xué)方法

材料力學(xué)課程學(xué)習(xí)過程中,普遍存在學(xué)生學(xué)習(xí)熱情度不高,授課效果較差的現(xiàn)象.針對(duì)這種情況應(yīng)采用各個(gè)不同的方法,提高同學(xué)們的學(xué)習(xí)熱情,講透基本概念,使學(xué)生了解本課程知識(shí)在日常生活中的應(yīng)用,增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的成就感和使命感.2.1 講好緒論,激發(fā)興趣

材料力學(xué)是經(jīng)典力學(xué)和生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合而發(fā)展的一門學(xué)科,現(xiàn)實(shí)生活中運(yùn)用材料力學(xué)而成的例子比比皆是.講好緒論,可以大大激發(fā)學(xué)生對(duì)材料力學(xué)這門課程的好奇心從而增加其學(xué)習(xí)的興趣.同時(shí),在講授緒論中要將材料力學(xué)研究的對(duì)象、任務(wù);研究方法;基本假設(shè)及桿件的基本變形等問題講清楚.這就要求教師不僅對(duì)材料力學(xué)的內(nèi)容要有深刻理解,同時(shí)對(duì)材料力學(xué)的產(chǎn)生、發(fā)展及現(xiàn)狀全面了解.在開篇介紹材料力學(xué)的時(shí)候,可以從學(xué)生熟悉的力學(xué)課程的力學(xué)體系介紹引入材料力學(xué)的概念.在講授材料力學(xué)起源及現(xiàn)狀的時(shí)候,可用一些從古流傳至今的偉大工程實(shí)例.如趙州橋,其長(zhǎng)度為50.82米跨度為37.72米,用石料2800余噸,歷經(jīng)了10次水災(zāi),8次戰(zhàn)亂和多次地震,至今完好.山西應(yīng)縣木塔建于1056年,塔高67.31米,底層直徑30.27米,全塔耗木料3000立方米,2600多噸,純木結(jié)構(gòu)、無(wú)釘無(wú)鉚,900多年來歷經(jīng)數(shù)次地震不倒,是中國(guó)現(xiàn)存最高最古的一座木構(gòu)塔式建筑.以此展示我們先輩對(duì)本門知識(shí)不管在生活實(shí)踐還是工程技術(shù)中的理解之深刻、運(yùn)用之成熟,即便當(dāng)時(shí)他們沒有做嚴(yán)格的邏輯推理及數(shù)學(xué)分析.

2.2 理論聯(lián)系實(shí)際,加深知識(shí)的理解

與實(shí)踐結(jié)合緊密是材料力學(xué)課程一個(gè)重要的特點(diǎn),培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐的能力顯得尤為重要,在教學(xué)過程中可以精選一些工程實(shí)例進(jìn)行分析、講解.這樣通過實(shí)際應(yīng)用加深了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解,也培養(yǎng)了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力.在講授剪切變形的時(shí)候,首先對(duì)比生活中的事例,比如剪刀剪東西時(shí)上下兩個(gè)刀刃是不是對(duì)齊的、夏天吃黃瓜時(shí)上門牙和下門牙的位置怎么布置的.這樣學(xué)生在今后的學(xué)習(xí)中看見剪刀或者吃固體的需要上下牙剪斷的東西就會(huì)想到剪切變形,對(duì)該概念的書面文字的理解轉(zhuǎn)化為生活常識(shí)的理解.在扭轉(zhuǎn)變形時(shí)讓大家想想,如果手洗床單讓床單快干就需要兩個(gè)同學(xué)兩邊各站一人扭轉(zhuǎn),金工實(shí)習(xí)時(shí)給圓柱外表面加工螺紋時(shí)所做的動(dòng)作,就可以很快地引入扭轉(zhuǎn)變形的概念.彎曲變形較復(fù)雜,在講解之前讓學(xué)生思考教室屋頂混凝土大梁橫截面面積的形狀、放置方式.通過這些實(shí)例,讓學(xué)生感受材料力學(xué)的神奇,同時(shí)也讓學(xué)生知道了材料力學(xué)和生活密切相連,并沒有書本上用那么多公式表現(xiàn)的那么難,增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的信心.

2.3 把握學(xué)科特點(diǎn),培養(yǎng)科學(xué)思維

任何一門學(xué)科的授課,不僅要注重傳授具體知識(shí),同時(shí)也要培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維,達(dá)到即授“魚”又授“漁”,材料力學(xué)課程也不例外.材料力學(xué)課程假設(shè)多、概念多、公式多,但分析問題的方式方法卻基本相同,前后章節(jié)內(nèi)在聯(lián)系緊密.為了讓學(xué)生在后續(xù)課程的學(xué)習(xí)中不為那些新的公式所困擾,在拉壓變形中就應(yīng)將一些基本方法、原理講透徹:即對(duì)待一個(gè)受力桿件首先是分析所受外力的特點(diǎn),其次是軸力的求法、軸力圖的繪制、截面上應(yīng)力的求法、斜截面上應(yīng)力的求法、強(qiáng)度條件及計(jì)算、拉壓變形胡克定律成立的條件、桿件單位長(zhǎng)度的變形量及剛度條件及計(jì)算.從一開始就給學(xué)生建立一個(gè)系統(tǒng)的、聯(lián)系的分析問題的基本思路,在后續(xù)章節(jié)中以這樣的程序再學(xué)習(xí)一邊,最終,使得學(xué)生對(duì)材料力學(xué)中分析問題時(shí)可以遵循一定的科學(xué)思維.

2.4 前后類比,降低學(xué)習(xí)難度

在材料力學(xué)的授課過程中,教師要引導(dǎo)學(xué)生將前后知識(shí)、新舊知識(shí)之間進(jìn)行比較,搞清它們之間的聯(lián)系與區(qū)別.這樣一則可以幫助學(xué)生將已經(jīng)學(xué)習(xí)過的知識(shí)由“點(diǎn)”“線”“面”的形式串接起來,形成知識(shí)體系,是為“溫故”,二則可以讓學(xué)生對(duì)后續(xù)要學(xué)習(xí)的知識(shí)的概念、方法等有一個(gè)大致的了解,是為“知新”.比如在學(xué)習(xí)完拉壓變形后要進(jìn)行扭轉(zhuǎn)變形學(xué)習(xí)時(shí),在復(fù)習(xí)完拉壓變形基本知識(shí)點(diǎn)后,可以簡(jiǎn)要介紹扭轉(zhuǎn)變形的研究過程,前后類比而達(dá)到降低學(xué)習(xí)難度的目的.類比如表2.

表2 拉壓變形和扭轉(zhuǎn)變形參數(shù)對(duì)比

此外,材料力學(xué)中前后章節(jié)公式很多,但許多公式內(nèi)在形式是一致的,通過類比幫助深刻理解公式,便于記憶.例如.兩公式雖然描述的變形不同,表達(dá)的量不一樣,但都可以寫為其中,x表示ΔL或φ.通過這樣的對(duì)比,整本書中很多的公式都可以這樣記憶.

3 結(jié)論

材料力學(xué)課程作為工科院校許多工科專業(yè)的一門核心基礎(chǔ)課程,對(duì)授課教師和學(xué)生而言提高其教學(xué)質(zhì)量、學(xué)習(xí)質(zhì)量是一個(gè)嚴(yán)肅的問題.隨著社會(huì)的發(fā)展學(xué)生對(duì)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐的要求越來越高,材料力學(xué)作為和實(shí)踐聯(lián)系緊密的一門課程,在鍛煉學(xué)生形成科學(xué)思維、提高動(dòng)手能力方面發(fā)揮著重要作用,在教學(xué)過程中提高學(xué)生的工程能力是現(xiàn)今教學(xué)的根本目的.

[1]劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2010:1－4.

[2]孫訓(xùn)方,方孝淑,關(guān)來泰.材料力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2009:1－5.

[3]劉 露,沈玉鳳.提高《材料力學(xué)》教學(xué)質(zhì)量的研究[J].中國(guó)科技信息,2012(10):140.

[4]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(5):54－57.

[5]謝 冰.改進(jìn)材料力學(xué)課程教學(xué)的幾點(diǎn)體會(huì)[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備,2012(4):70－72.

[責(zé)任編輯 范 藻]

Research on the Teaching Contents and Methods of Mechanics of Materials with Less Lessons

ZHANG Xiaoan1－2,FAN Kaimin1
(1.Intelligent Manufacturing School of Sichuan University of Arts and Sciences,Dazhou Sichuan 635000; 2.Dazhou Intelligent Manufacturing Industrial Technology Institute,Dazhou Sichuan 635000,China)

This paper is going to research on the teaching contents and methods of the course Mechanics of Materials.In view of the teaching arrangements compression in the current university,this paper discusses the teaching content selection of Mechanics of Materials,and puts forward some basicmeasures on how to improve students’interest in study,and reduce the difficulty in learning the course.

material Mechanics;teaching content;teaching method;basic measures

G427

A

1674－5248(2017)05－0132－03

2017－05－20

四川文理學(xué)院教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“理工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)踐——以材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教改為例”(2013JY16)

張小安(1979—),男,陜西咸陽(yáng)人.助教,碩士,主要從事材料力學(xué)教學(xué)及數(shù)字化裝備與制面研究.