材料力學(xué)課程知識(shí)體系調(diào)整研究與實(shí)踐

王明祿

摘 要 材料力學(xué)是高等工科院校工科專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，隨著高等教育的不斷改革與發(fā)展，材料力學(xué)教學(xué)改革已變得非常必要。從材料力學(xué)課程知識(shí)體系調(diào)整的角度出發(fā)，分析傳統(tǒng)課程體系存在的若干問(wèn)題及改革的必要性，提出相應(yīng)的調(diào)整措施，分析新課程體系的優(yōu)點(diǎn)，并在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中加以實(shí)踐，教學(xué)效果非常明顯。

關(guān)鍵詞 材料力學(xué)；知識(shí)體系；實(shí)驗(yàn)；教學(xué)改革

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2017）22-0090-03

Research and Practice on Adjustment of Material Mechanics Course Knowledge System//WANG Minglu

Abstract Materials mechanics is an important professional basic course of engineering majors in technological university. Teaching reform of materials mechanics has become a necessity with the con-

tinuous reform and development of higher education. This paper starts from the perspective of the material mechanics course know-ledge system， Several problems in the traditional course system and the necessity of reform are analyzed. The corresponding adjustment measures were put forward. The advantages of the new curriculum system are analyzed and applied it in practice. The practice proves that the teaching effect is very good.

Key words materials mechanics； knowledge system； experiment； teaching reform

1 前言

材料力學(xué)是高等工科院校機(jī)械、土木及材料等專(zhuān)業(yè)一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，對(duì)于后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和專(zhuān)業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)框架的構(gòu)建起著至關(guān)重要的作用[1]。通過(guò)學(xué)習(xí)材料力學(xué)，可以使學(xué)生掌握研究構(gòu)件強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的基本原理和方法，培養(yǎng)學(xué)生掌握將實(shí)際工程問(wèn)題轉(zhuǎn)化為力學(xué)模型的方法，為后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)、工程問(wèn)題的解決及科學(xué)研究打下良好的基礎(chǔ)[2]。

為了適應(yīng)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的需要，許多高等院校對(duì)課程設(shè)置及學(xué)時(shí)分配做了重大調(diào)整，材料力學(xué)的授課學(xué)時(shí)因此受到大幅削減。在材料力學(xué)基本教學(xué)內(nèi)容基本無(wú)法減少的情況下，為了在有限的時(shí)間內(nèi)完成教學(xué)計(jì)劃所規(guī)定的內(nèi)容，傳統(tǒng)的材料力學(xué)教學(xué)體系的調(diào)整與改革已經(jīng)變得刻不容緩。筆者從材料力學(xué)課程知識(shí)體系調(diào)整的角度出發(fā)，分析傳統(tǒng)課程體系存在的若干問(wèn)題及改革的必要性，并且提出相應(yīng)的調(diào)整措施，分析新課程體系的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中加以實(shí)踐，教學(xué)效果非常明顯。

2 現(xiàn)行材料力學(xué)課程體系存在的問(wèn)題

現(xiàn)行材料力學(xué)課程體系主要存在兩個(gè)方面的問(wèn)題：一是材料力學(xué)授課學(xué)時(shí)的削減已無(wú)法保質(zhì)保量地完成傳統(tǒng)知識(shí)體系中的教學(xué)內(nèi)容；二是傳統(tǒng)的材料力學(xué)知識(shí)體系已經(jīng)跟不上高等教育不斷改革與發(fā)展的需求。

授課學(xué)時(shí)不斷被削減 近年來(lái)，隨著高等院校教學(xué)計(jì)劃的調(diào)整，與其他專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課一樣，材料力學(xué)的授課學(xué)時(shí)被大幅削減。以齊魯工業(yè)大學(xué)機(jī)械制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)為例，材料力學(xué)最初的授課學(xué)時(shí)是72學(xué)時(shí)，而現(xiàn)在為56學(xué)時(shí)，還有些專(zhuān)業(yè)（如過(guò)程裝備工程等）則減少到48學(xué)時(shí)。但是為了后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和滿(mǎn)足學(xué)生考研的需求，材料力學(xué)的基本教學(xué)內(nèi)容無(wú)法進(jìn)行刪減[3]。材料力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容主要包括四種基本變形、強(qiáng)度理論、組合變形、壓桿穩(wěn)定、動(dòng)載荷、能量法和超靜定問(wèn)題等，覆蓋的知識(shí)點(diǎn)較多，內(nèi)容的邏輯性較強(qiáng)，這就要求學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中必須做到溫故知新，否則就會(huì)比較吃力。但是，由于課時(shí)較緊，部分學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性不高，或者偶爾曠課，造成個(gè)別內(nèi)容沒(méi)有及時(shí)理解，就會(huì)對(duì)后續(xù)內(nèi)容的學(xué)習(xí)造成障礙，最后導(dǎo)致學(xué)生喪失對(duì)材料力學(xué)的學(xué)習(xí)興趣。

傳統(tǒng)的知識(shí)體系知識(shí)點(diǎn)重復(fù)太多 目前，大多數(shù)材料力學(xué)教材的內(nèi)容體系仍延續(xù)蘇聯(lián)的鐵木辛柯體系，即以拉壓、剪切、扭轉(zhuǎn)和彎曲這四種基本變形為主線(xiàn)，講述構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度問(wèn)題，進(jìn)而講述復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下構(gòu)件的強(qiáng)度問(wèn)題（即應(yīng)力應(yīng)變理論和組合變形）及壓桿的穩(wěn)定性問(wèn)題，最后講述能量法和超靜定問(wèn)題。材料力學(xué)傳統(tǒng)知識(shí)體系在講述四種基本變形時(shí)均采用了相同的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系，即通過(guò)構(gòu)件所受外力利用截面法求出內(nèi)力，然后利用“三關(guān)系法”（即變形幾何關(guān)系、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、靜力學(xué)關(guān)系）推導(dǎo)應(yīng)力計(jì)算公式進(jìn)而解決強(qiáng)度問(wèn)題，通過(guò)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系即本構(gòu)方程推導(dǎo)變形計(jì)算公式進(jìn)而解決剛度問(wèn)題。這種以構(gòu)件的四種基本變形為主線(xiàn)的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系，雖然理論講解很詳細(xì)，但是公式推導(dǎo)過(guò)程和重復(fù)點(diǎn)過(guò)多；盡管看似分類(lèi)清晰，但是學(xué)時(shí)花費(fèi)量太大；教師難以對(duì)教學(xué)過(guò)程加以創(chuàng)新，很難抓住學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，故而學(xué)習(xí)效果不佳。

另外，對(duì)于材料力學(xué)中的超靜定問(wèn)題，一般教材中分別分布在四個(gè)章節(jié)中，即拉壓超靜定問(wèn)題、扭轉(zhuǎn)超靜定問(wèn)題、彎曲超靜定問(wèn)題和正則方程解決超靜定問(wèn)題。這幾種超靜定問(wèn)題的解題思路是基本相同的，即平衡方程個(gè)數(shù)不足，幾何方程加以補(bǔ)充，物理方程聯(lián)系平衡方程和幾何方程得以求解。用力法求解超靜定結(jié)構(gòu)時(shí)，其正則方程的實(shí)質(zhì)同樣是幾何方程。但是上述幾個(gè)問(wèn)題分布在不同章節(jié)中，教學(xué)內(nèi)容重復(fù)太多，造成學(xué)時(shí)花費(fèi)量大，不利于學(xué)生的理解和學(xué)習(xí)。endprint

由此可見(jiàn)，現(xiàn)行的這套教學(xué)知識(shí)體系已經(jīng)不適應(yīng)教學(xué)發(fā)展，對(duì)材料力學(xué)課程知識(shí)體系進(jìn)行必要調(diào)整勢(shì)在必行。

3 材料力學(xué)知識(shí)體系調(diào)整方案

一般到特殊的內(nèi)容體系 對(duì)于材料力學(xué)的基本概念和基本定理，考慮從一般問(wèn)題出發(fā)，將復(fù)雜載荷作用下構(gòu)件的六個(gè)內(nèi)力分量（即一個(gè)軸力、兩個(gè)剪力、兩個(gè)彎矩、一個(gè)扭矩）全部推出，并分析這幾個(gè)內(nèi)力所產(chǎn)生的變形的不同，以及這幾個(gè)內(nèi)力組合作用時(shí)所產(chǎn)生的復(fù)雜變形。這樣的知識(shí)點(diǎn)安排既能做到承前啟后，又利于學(xué)生理解和掌握。同時(shí)，在講授四種基本變形形式之前，可以先引入應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)分析的內(nèi)容，使學(xué)生從一開(kāi)始就對(duì)構(gòu)件的變形問(wèn)題建立起一個(gè)更加全面而深刻的理解和掌握。這樣，學(xué)生可以從一個(gè)較高的認(rèn)識(shí)起點(diǎn)出發(fā)，進(jìn)一步推導(dǎo)、分析和解決四種具體的變形的強(qiáng)度和剛度問(wèn)題，對(duì)知識(shí)的理解更加透徹，掌握更加牢固。

專(zhuān)題方式分析解決材料力學(xué)問(wèn)題 從方法論的角度出發(fā)，將材料力學(xué)的主要知識(shí)內(nèi)容分解成若干專(zhuān)題進(jìn)行講解，在具體教學(xué)過(guò)程中分析總結(jié)同一類(lèi)問(wèn)題的特點(diǎn)與規(guī)律，著重培養(yǎng)學(xué)生從工程實(shí)際中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。此方法的基本做法：在新知識(shí)體系的前半部分，將材料力學(xué)四種基本變形的內(nèi)力、應(yīng)力及變形分成若干專(zhuān)題內(nèi)容組織講述。

1）內(nèi)力及內(nèi)力圖專(zhuān)題：集中講解桿件在不同外力作用下所產(chǎn)生的各種簡(jiǎn)單變形的內(nèi)力（即軸向拉壓的軸力、剪切變形的剪力、圓軸扭轉(zhuǎn)的扭矩、直梁彎曲的剪力和彎矩）；求解構(gòu)件內(nèi)力的基本方法（截面法），以及在此基礎(chǔ)上總結(jié)形成的求不同變形內(nèi)力的簡(jiǎn)便方法；最后分別講解不同變形內(nèi)力圖的畫(huà)法（內(nèi)力方程描點(diǎn)作圖法、微分關(guān)系快速作圖法、疊加原理作圖法），同時(shí)總結(jié)出不同變形內(nèi)力圖的簡(jiǎn)便畫(huà)法。

2）應(yīng)力及強(qiáng)度條件專(zhuān)題：集中講解桿件四種變形情況下橫截面上應(yīng)力計(jì)算公式的推導(dǎo)、應(yīng)力分布規(guī)律及構(gòu)件強(qiáng)度條件的建立與應(yīng)用。對(duì)于每一種變形，這些問(wèn)題的解決過(guò)程非常相似，可對(duì)后出現(xiàn)的相似內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)略講解，既利于學(xué)生接受，又可大大節(jié)省授課學(xué)時(shí)。

3）變形及剛度條件專(zhuān)題：集中講解外力作用下，桿件四種變形情況的變形計(jì)算公式推導(dǎo)和構(gòu)件剛度條件的建立及應(yīng)用。同樣，對(duì)于每一種變形，這些問(wèn)題的解決過(guò)程非常相似，可對(duì)后出現(xiàn)的相似內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)略講解。

新知識(shí)體系的后半部分為知識(shí)加深或補(bǔ)充的內(nèi)容，具體包括組合變形專(zhuān)題、壓桿穩(wěn)定校核專(zhuān)題、疲勞強(qiáng)度計(jì)算專(zhuān)題、能量法專(zhuān)題、超靜定專(zhuān)題、現(xiàn)代材料力學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)等，在實(shí)際教學(xué)中根據(jù)專(zhuān)業(yè)要求的不同，進(jìn)行選擇性開(kāi)設(shè)。

實(shí)驗(yàn)課與理論課的銜接問(wèn)題 實(shí)驗(yàn)在材料力學(xué)課程知識(shí)體系中占有非常重要的地位。在材料力學(xué)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括軸向拉壓實(shí)驗(yàn)、圓軸扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)、直梁彎曲實(shí)驗(yàn)和組合變形實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)兩學(xué)時(shí)?，F(xiàn)在一般做法是先講理論后實(shí)驗(yàn)，在當(dāng)前高校普遍擴(kuò)招的大環(huán)境下，實(shí)驗(yàn)室資源就變得相對(duì)緊張，較多班級(jí)排隊(duì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，且同組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的學(xué)生數(shù)較多，這樣引起的后果不言而喻。

可將實(shí)驗(yàn)課安排在相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象之間進(jìn)行，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)分析實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的相關(guān)原理和探索實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)生的本質(zhì)原因，最終達(dá)到實(shí)現(xiàn)研究性教學(xué)的目的。如對(duì)于圓軸扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，可在講述扭轉(zhuǎn)應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律后立即實(shí)驗(yàn)，然后講述材料扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能。這樣既能激發(fā)學(xué)生的探索欲望，又利于后續(xù)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)。

4 材料力學(xué)新知識(shí)體系的優(yōu)點(diǎn)

結(jié)構(gòu)清晰，易于理解和掌握 由一般到特殊的材料力學(xué)新知識(shí)體系，使教學(xué)內(nèi)容變得簡(jiǎn)潔而又脈絡(luò)清晰，易于教師講解和學(xué)生接受。在特殊的材料力學(xué)問(wèn)題中，以?xún)?nèi)力計(jì)算為例，先講解最一般外力情況下構(gòu)件橫截面上的六種內(nèi)力，再分別講解特殊外力作用下的內(nèi)力（即軸向拉壓時(shí)的軸力、剪切時(shí)的剪力、圓軸扭轉(zhuǎn)時(shí)的扭矩、直梁彎曲時(shí)的剪力和彎矩），使學(xué)生對(duì)構(gòu)件的幾種變形產(chǎn)生整體的了解和掌握，再講其應(yīng)力和變形時(shí)，學(xué)生的聽(tīng)講目標(biāo)就會(huì)非常明確，對(duì)于知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握就會(huì)變得非常容易，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性[4]。

這種從一般到特殊的知識(shí)體系，有利于教師全面準(zhǔn)確地闡述材料力學(xué)的基本概念和基本定理，使學(xué)生對(duì)材料力學(xué)基本理論的理解、掌握和應(yīng)用更加簡(jiǎn)單。這種知識(shí)體系使學(xué)生用全新的思路去理解材料力學(xué)的基本概念和基本定理，從整體上對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行理解和把握，從具體而片面的理解提高到一般而全面的掌握。學(xué)生在應(yīng)用力學(xué)知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題時(shí)，可有效避免因?qū)靖拍詈屠碚摰膶?shí)質(zhì)認(rèn)知局限性而產(chǎn)生的分析障礙與理解錯(cuò)誤。對(duì)于教師而言，在知識(shí)體系的順序安排及講解上提高了起點(diǎn)，能夠充分利用學(xué)生前續(xù)課程中掌握的內(nèi)容，使理論敘述簡(jiǎn)明而利于學(xué)生接受、推導(dǎo)嚴(yán)謹(jǐn)而利于學(xué)生信服。同時(shí)，這種新的知識(shí)體系有利于培養(yǎng)學(xué)生用所學(xué)知識(shí)來(lái)解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力[5]。

利于學(xué)生理解掌握和創(chuàng)造性思維的培養(yǎng) 新的材料力學(xué)知識(shí)體系有利于教師對(duì)重要知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行展開(kāi)講述，并且對(duì)學(xué)生創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)是十分有利的。如在講述拉壓正應(yīng)力公式的推導(dǎo)時(shí)，由于該變形的公式較其他變形相對(duì)簡(jiǎn)單，可潛引默化地引入所謂的“三關(guān)系法”。當(dāng)學(xué)生對(duì)該法有一定的了解和掌握后，進(jìn)一步要求學(xué)生利用該方法自行推導(dǎo)扭轉(zhuǎn)應(yīng)力公式和彎曲正應(yīng)力公式，利用自己推導(dǎo)出來(lái)的公式解決相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度問(wèn)題和彎曲強(qiáng)度問(wèn)題，可謂一舉多得。采用新的材料力學(xué)知識(shí)體系授課，教師可以培養(yǎng)學(xué)生舉一反三的學(xué)習(xí)能力，引導(dǎo)學(xué)生積極創(chuàng)新，使學(xué)生的思維空間得到充分發(fā)展和創(chuàng)新，培養(yǎng)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

利于學(xué)生職業(yè)素養(yǎng)和科研素養(yǎng)的培養(yǎng) 目前，許多學(xué)校要求將科研融入課堂，因此可充分利用調(diào)整材料力學(xué)知識(shí)體系的機(jī)會(huì)，將一些前沿性的知識(shí)點(diǎn)融入教材中。新的材料力學(xué)知識(shí)體系及教師相關(guān)的科研成果適當(dāng)引入新的知識(shí)點(diǎn)，有利于開(kāi)闊學(xué)生視野。新的材料力學(xué)知識(shí)體系通過(guò)引入新的知識(shí)、新的理論和新的方法，既適應(yīng)了當(dāng)前要求科研融入課堂的要求，又開(kāi)闊了學(xué)生的視野，有利于學(xué)生職業(yè)素養(yǎng)和科研素養(yǎng)的培養(yǎng)，為日后工作或繼續(xù)深造打下良好的基礎(chǔ)。

減少不必要的重復(fù)，節(jié)省了教學(xué)學(xué)時(shí) 通過(guò)重新編排材料力學(xué)知識(shí)體系，減少了不必要的重復(fù)，達(dá)到節(jié)省教學(xué)學(xué)時(shí)的目的。新的知識(shí)體系更有利于教師組織課堂教學(xué)，抓住學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課堂教學(xué)質(zhì)量。同時(shí)，新的知識(shí)體系下，教師根據(jù)實(shí)際學(xué)情精選基本教學(xué)內(nèi)容變得更加方便，更有利于拓寬學(xué)生的知識(shí)面，有利于學(xué)生將材料力學(xué)中所學(xué)的理論知識(shí)和方法與實(shí)際工程問(wèn)題相結(jié)合。

5 結(jié)論

材料力學(xué)在高等工科院校工科專(zhuān)業(yè)構(gòu)成中占有非常重要的地位。但是隨著高等教育的不斷改革與發(fā)展，一方面，材料力學(xué)的教學(xué)學(xué)時(shí)在不斷被削減；另一方面，材料力學(xué)知識(shí)體系日顯陳舊。因此，材料力學(xué)知識(shí)體系的調(diào)整與改革已經(jīng)刻不容緩。本文從材料力學(xué)課程知識(shí)體系調(diào)整的角度出發(fā)，分析傳統(tǒng)課程體系存在的若干問(wèn)題和調(diào)整的必要性，提出相應(yīng)的調(diào)整措施：對(duì)基本概念和定理采用從一般到特殊的內(nèi)容體系進(jìn)行安排；采用專(zhuān)題方式分析解決材料力學(xué)問(wèn)題；重新安排實(shí)驗(yàn)課與理論課的銜接問(wèn)題。

將以上調(diào)整與改革措施在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中加以實(shí)踐，教學(xué)效果非常明顯。在當(dāng)前授課學(xué)時(shí)少、教學(xué)內(nèi)容多的情況下，新的材料力學(xué)知識(shí)體系使教學(xué)內(nèi)容更加緊湊，更加有利于教師合理調(diào)整授課內(nèi)容，提高課堂教學(xué)效率和學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，有利于培養(yǎng)出基礎(chǔ)知識(shí)牢固且各方面全面發(fā)展的高素質(zhì)人才。

參考文獻(xiàn)

[1]教育部高等學(xué)校力學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)力學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì).高等學(xué)校理工科非力學(xué)專(zhuān)業(yè)力學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求[M].北京：高等教育出版社，2012.

[2]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)：社會(huì)科學(xué)版，2014（4）：40-44.

[3]夏錦文，程曉樵.研究性教學(xué)的理論內(nèi)涵與實(shí)踐要求[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2009（12）：25-28.

[4]閆冰潔.案例教學(xué)在材料力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2007（7）：256-257.

[5]司鵠.材料力學(xué)課程教學(xué)體系改革研究與實(shí)踐[J].高等建筑教育，2005（1）：62-63.endprint