材料力學(xué)課程建設(shè)研究與探索

陶 鑫

(黑龍江工業(yè)學(xué)院，黑龍江 雞西 158100)

材料力學(xué)作為固體力學(xué)的一個(gè)分支，是1638年由意大利著名數(shù)學(xué)家、理學(xué)家、天文學(xué)家伽利略在《關(guān)于兩門新科學(xué)的談話和數(shù)學(xué)證明》一書中提到的，是材料力學(xué)的開端。在書中，首次提出了材料的力學(xué)性能及強(qiáng)度的概念。材料力學(xué)對(duì)于土木工程專業(yè)來說，是一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，同時(shí)兼顧應(yīng)用性[1-2]。而其對(duì)于結(jié)構(gòu)力學(xué)、鋼結(jié)構(gòu)等一些后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)也起到至關(guān)重要的作用。對(duì)于土木工程專業(yè)來說，材料力學(xué)主要講授拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲等基本變形的應(yīng)力及變形的計(jì)算，同時(shí)對(duì)于每種變形體進(jìn)行強(qiáng)度及剛度的校核。兼顧連接件強(qiáng)度計(jì)算及組合變形應(yīng)力的計(jì)算，壓桿穩(wěn)定的計(jì)算也是不可或缺的一部分[3-4]。

一、教學(xué)中存在的問題

1.理論教學(xué)內(nèi)容較多，理論性較強(qiáng)

材料力學(xué)中涉及到的知識(shí)點(diǎn)及計(jì)算公式較多，理論性也較強(qiáng)。材料力學(xué)所講授的內(nèi)容包括簡(jiǎn)單的拉伸(壓縮)、剪切、扭轉(zhuǎn)和彎曲四種基本變形，通過分析變形后的應(yīng)力狀態(tài)及強(qiáng)度理論最終解決工程實(shí)際中的壓桿穩(wěn)定及組合變形等問題。其中大量公式的推導(dǎo)都從幾何方面，物理方面及靜力學(xué)方面出發(fā)，利用數(shù)學(xué)方法導(dǎo)出，大部分理論知識(shí)都較抽象。學(xué)生很難將整個(gè)變形及破壞過程想象出來，從而降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，導(dǎo)致本課程的通過率較低。

2.課程線上建設(shè)資源較少

對(duì)于線上線下混合教學(xué)模式來說，材料力學(xué)可應(yīng)用的資源相對(duì)較少，內(nèi)容較為枯燥。以往材料力學(xué)線上課程建設(shè)主要包括教學(xué)大綱、教學(xué)計(jì)劃、教學(xué)用ppt、教材電子書、輔助案例分析、練習(xí)題及模擬題等。以上知識(shí)對(duì)于學(xué)生的自學(xué)起到一定的作用，但對(duì)于擴(kuò)展性專業(yè)知識(shí)及創(chuàng)新型能力培養(yǎng)的資源較少，對(duì)于學(xué)生整體能力的提升意義不大。

3.實(shí)驗(yàn)教學(xué)不夠重視

實(shí)驗(yàn)方式仍停留在最初的演示階段，對(duì)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)輔助作用有限。教學(xué)內(nèi)容停留在書本，與實(shí)際工程問題脫節(jié)[5-6]。礙于實(shí)驗(yàn)室的使用情況及學(xué)生的授課計(jì)劃安排，以往的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)都是安排在理論教學(xué)之后。大部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為對(duì)于四種基本變形的演示實(shí)驗(yàn)。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限，學(xué)生數(shù)量較多，所有演示實(shí)驗(yàn)基本為教師的演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生缺乏最基本的動(dòng)手能力。最后教師再將所演示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)交給學(xué)生，學(xué)生撰寫個(gè)人的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師根據(jù)學(xué)生所上交實(shí)驗(yàn)報(bào)告判斷學(xué)生實(shí)驗(yàn)是否合格[7-9]。存在“形式主義”教學(xué)的現(xiàn)象，對(duì)于提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力意義不大。

4.授課內(nèi)容缺乏專業(yè)性

現(xiàn)在較經(jīng)典的材料力學(xué)教材包括張如三、孫訓(xùn)方、劉鴻文等主編的《材料力學(xué)》。由于大多工科專業(yè)，如土木工程、機(jī)械工程、采礦工程等專業(yè)都要學(xué)習(xí)材料力學(xué)，因此材料力學(xué)教材的綜合性較強(qiáng)，專業(yè)性相對(duì)較差。教材內(nèi)容不能將相關(guān)理論和土木工程實(shí)際相結(jié)合，學(xué)生不能很好的將書本知識(shí)與工程實(shí)際問題相結(jié)合，從而很難提升學(xué)習(xí)興趣[10]。

5.授課教師專業(yè)實(shí)踐性較欠缺

現(xiàn)在一些年輕教師都是從“學(xué)?！钡健皩W(xué)?！?，工程實(shí)際經(jīng)歷較欠缺。對(duì)于土木工程實(shí)踐缺乏深入的了解，教學(xué)內(nèi)容僅局限于書本，在教學(xué)舉例過程中涉及到的工程實(shí)際問題較少，這種現(xiàn)象對(duì)于提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣意義不大。

二、課程建設(shè)的方法

1.加強(qiáng)課程理念建設(shè)

課程建設(shè)及改革的根本目的是提高學(xué)生的能力，因此教學(xué)中應(yīng)以學(xué)生為中心，注重學(xué)生能力的培養(yǎng)，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生利用本學(xué)科知識(shí)來解決實(shí)際工程問題的能力，提高學(xué)生的綜合能力。提高學(xué)生的創(chuàng)新思維，時(shí)刻掌握學(xué)科的前沿問題。積極改進(jìn)教學(xué)方法，將智慧樹、ANSYS有限元分析軟件應(yīng)用到材料力學(xué)的教學(xué)過程中，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

2.加強(qiáng)課程思政教育

材料力學(xué)的授課過程中積極將思政內(nèi)容融入到授課過程中。在課程講授中，從我國(guó)為基建強(qiáng)國(guó)入手，增強(qiáng)民族自豪感進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的愛國(guó)情懷，同時(shí)提高學(xué)生對(duì)土木工程的熱愛，最終使學(xué)生樹立正確的人生觀價(jià)值觀，從而全面提高學(xué)生的政治素養(yǎng)。在材料力學(xué)的四種基本變形的講解過程中，涉及到材料的強(qiáng)度及剛度時(shí)，找到強(qiáng)度及剛度的最薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行計(jì)算，要想綜合提高材料的強(qiáng)度及剛度就要充分彌補(bǔ)最薄弱環(huán)節(jié)，積極引導(dǎo)學(xué)生努力彌補(bǔ)自身的短處從而提高自身的綜合能力。

3.將虛擬仿真軟件引入教學(xué)過程當(dāng)中

材料力學(xué)教學(xué)過程中涉及到的內(nèi)容較為抽象，學(xué)生無法直觀的看到材料變形演化規(guī)律，學(xué)生學(xué)習(xí)存在一定的難度。引入虛擬仿真軟件，在講解四種變形時(shí)加入虛擬仿真軟件的模擬，生成計(jì)算云圖，使學(xué)生直觀看到變形中應(yīng)力的分布情況。在講解應(yīng)力集中現(xiàn)象時(shí)，引入虛擬仿真軟件的計(jì)算云圖可以使學(xué)生直觀的觀察到不同的開口形狀對(duì)應(yīng)力集中現(xiàn)象的不同影響。課下督促學(xué)生自學(xué)虛擬仿真軟件，進(jìn)而大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

4.豐富教學(xué)內(nèi)容，積極引進(jìn)學(xué)科前沿知識(shí)與科學(xué)研究成果

在日常課程講授中，積極將學(xué)科前沿知識(shí)及最新研究成果引入教學(xué)過程中，努力拓寬學(xué)生的視野。引入教學(xué)主線也就是教學(xué)思想，例如，在講授四種變形時(shí)都是圍繞強(qiáng)度及剛度的校核進(jìn)行的，學(xué)習(xí)主線為通過外力求出材料內(nèi)部所受的最大應(yīng)力以及最大變形，再與許用應(yīng)力及許用變形進(jìn)行比較，從而確定材料強(qiáng)度及剛度是否達(dá)標(biāo)。思路非常清晰，不同之處為不同變形的應(yīng)力及變形的求解公式。抓住學(xué)習(xí)主線有助于學(xué)生對(duì)材料力學(xué)的學(xué)習(xí)。再如在講授應(yīng)力集中時(shí)，可列舉出現(xiàn)實(shí)生活中的相關(guān)現(xiàn)象予以解釋，比如包裝上面會(huì)預(yù)留豁口或做成鋸齒狀，這種設(shè)計(jì)都是為了有效利用應(yīng)力集中現(xiàn)象。通過這些生活中最常見的現(xiàn)象可以更好的讓學(xué)生真正的了解材料力學(xué)。學(xué)生也能通過這些生活現(xiàn)象了解到材料力學(xué)存在于日常生活中這一基本事實(shí)。進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生將材料力學(xué)知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際問題中。在授課過程中積極引入學(xué)科前沿的相關(guān)知識(shí)，比如，在講到彎曲變形時(shí)，可以列舉為了改善混凝土抗彎性差而采取的措施，如在混凝土中添加各種類型的纖維來提高混凝土的抗彎性能，這些纖維主要包括鋼纖維、木纖維、PVC纖維、玄武巖纖維等。通過以上內(nèi)容的引入可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，同時(shí)也可促進(jìn)學(xué)生對(duì)土木工程專業(yè)的了解。

5.加強(qiáng)案例教學(xué)的比重

材料力學(xué)課程主要包括四種基本變形，而這四種變形主要是單獨(dú)變形的講解。實(shí)際工程中涉及到單獨(dú)變形的構(gòu)件較少，大多數(shù)為多種變形的組合或是細(xì)長(zhǎng)桿的壓桿穩(wěn)定問題，這兩種問題工程實(shí)踐性強(qiáng)，與四種基本變形相比存在一定的難度。因此在講解這兩章時(shí)可引入工程實(shí)際案例。比如講到壓桿穩(wěn)定問題時(shí)，可引入加拿大魁北克大橋的垮塌事件來加深學(xué)生對(duì)壓桿穩(wěn)定問題的理解。魁北克大橋是20世紀(jì)初世界上最長(zhǎng)懸臂橋，但是在其施工過程中發(fā)生兩次垮塌事故?？笨舜髽蚴且蛔骺玳L(zhǎng)為549m鋼桁架橋，此橋共三跨，歷經(jīng)30年才建成，建造過程中發(fā)生兩次垮塌事故：第一次在1907年8月29日，事故原因?yàn)殄^跨中兩根下弦桿壓桿失穩(wěn)導(dǎo)致垮塌，75人喪生；第二次是中跨合龍時(shí)起吊設(shè)備局部構(gòu)件斷裂，13人喪生。大橋最終于1917年竣工運(yùn)營(yíng)[11]。相信通過這樣的例子可以使學(xué)生認(rèn)識(shí)到壓桿穩(wěn)定在材料力學(xué)中的重要性，同時(shí)也能認(rèn)識(shí)到材料力學(xué)在工程實(shí)際中的重要性。激勵(lì)學(xué)生能夠更加努力學(xué)習(xí)材料力學(xué)。

6.建立多層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

材料力學(xué)課程包括一定學(xué)時(shí)的實(shí)踐教學(xué)，主要包括低碳鋼、鑄鐵的拉伸及壓縮實(shí)驗(yàn)，低碳鋼、鑄鐵的扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，彎曲正應(yīng)力等實(shí)驗(yàn)。多數(shù)為驗(yàn)證基本假設(shè)及客觀規(guī)律的實(shí)驗(yàn)。通過這些實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備具有一定的了解，同時(shí)也能使學(xué)生對(duì)四種基本變形具有更加深刻的了解。達(dá)到促進(jìn)理論知識(shí)學(xué)習(xí)的目的。但以上驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)不利于學(xué)生創(chuàng)新性的提高，因此在實(shí)踐教學(xué)過程中應(yīng)引入綜合性實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，也可以提高交叉實(shí)驗(yàn)的比重。對(duì)于實(shí)驗(yàn)設(shè)備不充分的情況，可以引入實(shí)驗(yàn)?zāi)M軟件進(jìn)行輔助教學(xué)[12]，通過實(shí)驗(yàn)徹底激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而提高學(xué)生的創(chuàng)新性。

7.教學(xué)方法要注重靈活性

在日常的教學(xué)過程中教師應(yīng)努力使學(xué)生參與到教學(xué)過程中，改變傳統(tǒng)的教師講，學(xué)生被動(dòng)聽的學(xué)習(xí)模式，發(fā)揮學(xué)生在教學(xué)過程中的主導(dǎo)作用。積極引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，做到課前有預(yù)習(xí)，課后有復(fù)習(xí)。教師可將書本中的知識(shí)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為實(shí)際問題留給學(xué)生課前預(yù)習(xí)來進(jìn)行解決，課堂上留出5-10分鐘與學(xué)生探討，從而加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)識(shí)[13-14]。在學(xué)生進(jìn)行探討的同時(shí)可定期挑選學(xué)生上講臺(tái)講課，令學(xué)生自主進(jìn)行ppt制作、內(nèi)容歸納整理、素材收集等工作，對(duì)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)也起到了一定的促進(jìn)作用，同時(shí)也可提高學(xué)生的表達(dá)能力。課下可積極安排答疑，讓學(xué)生帶著問題集中探討。通過靈活多樣的教學(xué)方式提高學(xué)生的積極性，最終達(dá)到提高學(xué)生個(gè)人能力的目的。

8.教師隊(duì)伍注重專業(yè)性建設(shè)

材料力學(xué)課程的講授應(yīng)該優(yōu)先選擇理論知識(shí)較強(qiáng)且工程實(shí)際背景較豐富的教師。這樣教師可以很好的將工程實(shí)際問題與書本知識(shí)點(diǎn)充分結(jié)合在一起。比如在講梁的類型及支座的類型時(shí)，支座可分為固定鉸支座、滑動(dòng)鉸支座及固定端約束，但在實(shí)際的教學(xué)過程中可以發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)于這三種約束的工程實(shí)際使用存在一定的誤區(qū)，對(duì)于實(shí)際支座向著三種支座簡(jiǎn)化存在困難。對(duì)于鋼筋混凝土梁構(gòu)件來說，當(dāng)有負(fù)彎矩作用于梁端時(shí)，上部混凝土承受拉應(yīng)力，容易開裂，針對(duì)這種情況可以采取兩種方法解決：第一種，釋放梁上部反彎矩，此時(shí)梁端可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，上部不需要配置縱向受力鋼筋，此時(shí)的支座可以看作固定鉸支座；第二種，將縱向受力鋼筋布置到梁的上部承受反彎矩，此時(shí)的支座可看作固定端約束。這樣通過專業(yè)老師的講解，學(xué)生可直觀的認(rèn)識(shí)到工程實(shí)際中支座的分類方法，從而做到理論知識(shí)與工程實(shí)際相結(jié)合，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

9.課程考核注重多樣性

以往的課程考核過程中，總成績(jī)是由30%的平時(shí)成績(jī)和期末考試卷面成績(jī)的70%組成，其中30%的平時(shí)成績(jī)由學(xué)生的日常出勤、課堂表現(xiàn)、平時(shí)作業(yè)成績(jī)及實(shí)驗(yàn)報(bào)告完成情況組成。期末考核方式為閉卷考試。實(shí)驗(yàn)部分所占比例較小。相關(guān)改進(jìn)方法如下：(1)增大實(shí)驗(yàn)課程的比重，將實(shí)驗(yàn)報(bào)告的占比提高到平時(shí)成績(jī)的15%，實(shí)行一票否決制，即實(shí)驗(yàn)報(bào)告不合格學(xué)生的材料力學(xué)平時(shí)成績(jī)只能在85分以下；(2)增大期末試卷中計(jì)算題的比重，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的應(yīng)用能力?？紤]到材料力學(xué)所涉及到的公式較多，在考試時(shí)允許學(xué)生自帶一張紙，紙上寫清個(gè)人認(rèn)為較重要的公式，概念等，但不可以互相傳閱，考試結(jié)束后寫上名字與試卷一并上交。這樣可以減輕學(xué)生記公式的壓力，將更多的精力放到公式的應(yīng)用上。

結(jié)語

材料力學(xué)課程建設(shè)過程中，應(yīng)在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、參考資料、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)等方面展開工作。在課程建設(shè)過程中得到以下結(jié)論:第一，要從人才培養(yǎng)方案入手，明確課程對(duì)人才的培養(yǎng)目標(biāo)起到的作用。第二，要積極提高教師的綜合能力，特別是科研能力和對(duì)學(xué)科前沿知識(shí)的掌握能力。第三，構(gòu)建合理的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的綜合性來提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。通過以上方式可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)學(xué)生的動(dòng)手能力及解決實(shí)際問題的能力也會(huì)相應(yīng)提高，學(xué)習(xí)過程中的參與感逐漸增強(qiáng)。