土木工程專業(yè)材料力學(xué)課程體系的改革

張俊峰 趙更歧 楚留聲

材料力學(xué)是土木工程專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課,是基礎(chǔ)課與專業(yè)課的紐帶,材料力學(xué)推導(dǎo)的許多公式已直接在專業(yè)課(鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)等)中被使用。但由于工科教學(xué)任務(wù)量大,《材料力學(xué)》面臨著教學(xué)課時(shí)壓縮,而知識(shí)結(jié)構(gòu)要求更加合理的矛盾。因此,在教學(xué)過程中出現(xiàn)了一系列的問題:內(nèi)容偏多、偏深和專業(yè)結(jié)合差、靈活性差,學(xué)生忙于應(yīng)付課內(nèi)課外的作業(yè),沒有時(shí)間思考問題,科學(xué)推理、邏輯思維能力欠缺,實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)與理論教學(xué)環(huán)節(jié)銜接不好,兩個(gè)教學(xué)內(nèi)容常常脫節(jié),影響學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的消化和工程技術(shù)的掌握,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容長時(shí)間不變,缺少與新知識(shí)、新技術(shù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。綜上所述,根據(jù)現(xiàn)代教學(xué)改革和技術(shù)創(chuàng)新的需要,《材料力學(xué)》的教材內(nèi)容、教學(xué)思路、教學(xué)方法以及教學(xué)手段應(yīng)當(dāng)更新、發(fā)展,以便培養(yǎng)出具有創(chuàng)新意識(shí)的土木工程應(yīng)用型人才。

1 教學(xué)內(nèi)容

1)結(jié)合專業(yè)特點(diǎn),主次分明。材料力學(xué)是一門專業(yè)基礎(chǔ)課,專業(yè)課的許多基本理論都來源于材料力學(xué),所以在材料力學(xué)的講授中,強(qiáng)調(diào)基本理論學(xué)習(xí)的同時(shí),應(yīng)結(jié)合土木工程專業(yè)的特點(diǎn),在內(nèi)容講授上突出主次,應(yīng)突出軸心受力、受彎和壓彎構(gòu)件的學(xué)習(xí),以便與鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)容有機(jī)銜接,受扭構(gòu)件在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一般要盡量避免,所以受扭構(gòu)件在講授時(shí)可以少占用些學(xué)時(shí)。

2)基礎(chǔ)理論和學(xué)科前沿內(nèi)容并舉。隨著材料科學(xué)的發(fā)展,許多新材料,新的強(qiáng)度理論的出現(xiàn),材料力學(xué)的內(nèi)容也在不斷擴(kuò)充,但在材料力學(xué)的講授中還是應(yīng)該以基本理論的講述為主,適當(dāng)?shù)亟榻B學(xué)科前沿的發(fā)展情況,如高性能混凝土、纖維混凝土等材料的力學(xué)性能,這樣即能夠保證較少學(xué)時(shí)既掌握材料力學(xué)的理論基礎(chǔ),又使學(xué)生開闊了眼界,培養(yǎng)了學(xué)生主動(dòng)探索知識(shí)、應(yīng)用知識(shí)、解決問題的研究性能力。

3)實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)下的材料力學(xué)[1]。材料力學(xué)的三種基本變形:軸向拉伸和壓縮、扭轉(zhuǎn)和彎曲都是以觀察到的基本現(xiàn)象作為理論講述的切入點(diǎn),并根據(jù)變形規(guī)律做出理論推導(dǎo)的基本假定的,因此應(yīng)在實(shí)驗(yàn)的引導(dǎo)下進(jìn)行材料力學(xué)的講述。李四光先生曾經(jīng)說過:“觀察、試驗(yàn)和分析是科學(xué)研究的常用方法?！睂?shí)驗(yàn)教學(xué)是高等院校教學(xué)工作的重要組成部分,它在培養(yǎng)學(xué)生的“知識(shí)、能力、素質(zhì)”方面具有其他教學(xué)方式不可取代的重要地位和作用。

2 教學(xué)思路

材料力學(xué)是一門比較系統(tǒng)完整的學(xué)科,在講述思路上可以采用以基本變形為主線,多思路并行。

整書以“拉伸→剪切→扭轉(zhuǎn)→彎曲”為主線,且每種基本變形引出兩條輔線:“外力→內(nèi)力→變形”和“應(yīng)力→應(yīng)變”的次序進(jìn)行研究,每種基本變形又都采用“平面截面假設(shè)→變形幾何關(guān)系→物理關(guān)系→靜力平衡條件→應(yīng)力公式”這一相同的推導(dǎo)過程。

雖然這種按基本變形進(jìn)行的內(nèi)容體系重復(fù)多,但比較結(jié)合專業(yè)課的講述思路,將來在學(xué)習(xí)專業(yè)課時(shí)會(huì)很容易和材料力學(xué)銜接。在講述時(shí)可以把第一種基本變形講解的深入,對(duì)其他變形的學(xué)習(xí)加以引導(dǎo)就能很快使學(xué)生理解并掌握,并起到一步一步加深理解,鞏固知識(shí)的作用。

3 教學(xué)方法

1)問題教學(xué)法[2]。從教育學(xué)的角度說,提問是調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)、積極、自覺的進(jìn)行思維的一種最經(jīng)常、最普遍的教學(xué)手段。從心理學(xué)角度說,提問可以激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī),啟迪求知欲。以設(shè)問形式進(jìn)行課堂教學(xué),既有利于學(xué)生學(xué)會(huì)分析解決問題的思維策略,培養(yǎng)創(chuàng)造性能力,又可以促進(jìn)知識(shí)和技能的學(xué)習(xí),使學(xué)生在分析解決問題實(shí)踐過程中增加知識(shí)才干。提問運(yùn)用于整個(gè)課堂教學(xué)活動(dòng)的全過程,成為聯(lián)系師生思維活動(dòng)的紐帶,主要包括導(dǎo)入布疑、講中設(shè)疑、結(jié)束留疑三種方式。提問通常設(shè)置在以下幾處:學(xué)生的疑惑處、教學(xué)關(guān)鍵處、思維的轉(zhuǎn)折處、知識(shí)的引申處。問題教學(xué)法以教育心理學(xué)原理為依據(jù),體現(xiàn)了以教師為主導(dǎo),學(xué)生為主體的教學(xué)思想。

2)啟發(fā)式教學(xué)。教師在教學(xué)中側(cè)重考慮培養(yǎng)學(xué)生解決問題的思路與方法。對(duì)在解決問題過程中所需要的其他知識(shí),如已學(xué)過的力學(xué)、數(shù)學(xué)知識(shí)作提示性的回憶;對(duì)力學(xué)公式的推導(dǎo)講最先碰到的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力公式的推導(dǎo),認(rèn)識(shí)一般從平衡方程、變形幾何方程、物理方程這三方面聯(lián)合求解的方法,后來遇到的彎曲正應(yīng)力,引導(dǎo)學(xué)生回憶破解超靜定問題的三方面條件,讓學(xué)生思考如何解決。這樣安排教學(xué)內(nèi)容的必然結(jié)果是節(jié)省了時(shí)間,讓學(xué)生集中精力思考解決主攻目標(biāo)的思路與方法。這樣的課堂教學(xué)效果,會(huì)使同學(xué)們聚精會(huì)神,開動(dòng)腦筋,盡情思維,從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。

3)比較法和歸納法教學(xué)。采用比較法和歸納法教學(xué)不僅能起到承前啟后的作用,而且加深學(xué)生對(duì)新概念的理解和記憶,從外部影響學(xué)生的學(xué)習(xí)思路。例如,桿件的軸向拉伸和壓縮這部分內(nèi)容比較直觀、簡單,但卻包含了材料力學(xué)的許多基本概念和常用方法,因此講課的重點(diǎn)應(yīng)該放在講深、講透這些概念和方法上,使學(xué)生在今后的學(xué)習(xí)中能夠運(yùn)用比較、歸納的方法,或是同中求異,如在分析各種基本變形的特點(diǎn)時(shí),同時(shí)努力找其差別,或是異中求同,雖然各種基本變形的應(yīng)力、變形公式及其內(nèi)容各不相同,物理意義也不盡相同,但在表達(dá)式上卻有類似之處,可以歸納為同樣的規(guī)律形式。

4)反復(fù)教學(xué)法。重復(fù)可以提高記憶,加深理解,材料力學(xué)講述的許多內(nèi)容比較抽象,可以在剛上課時(shí)對(duì)上一節(jié)講述的內(nèi)容進(jìn)行回顧,對(duì)這一節(jié)即將講述的內(nèi)容進(jìn)行設(shè)問,課后布置思考題和作業(yè)。通過課前、課堂和課后使學(xué)生將每一節(jié)課串起來,也在無形中引導(dǎo)學(xué)生課前預(yù)習(xí),課后復(fù)習(xí)的習(xí)慣。每章節(jié)講述完畢后進(jìn)行小復(fù)習(xí),基本變形等講述完進(jìn)行大復(fù)習(xí),通過這種內(nèi)容的反復(fù),起到“溫故知新”的效果。

5)擬實(shí)際教學(xué)法。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)針對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行仔細(xì)講解,講課時(shí)多利用現(xiàn)場(chǎng)的照片,這種和實(shí)際接近的教學(xué)方法具有直觀性,更有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,取得更好的教學(xué)效果。

6)小論文探討教學(xué)法。材料力學(xué)是一門密切聯(lián)系工程實(shí)際的科學(xué),應(yīng)對(duì)學(xué)生進(jìn)行安全、經(jīng)濟(jì)、合理的設(shè)計(jì)思想等實(shí)際專業(yè)技術(shù)知識(shí)教育,并經(jīng)常進(jìn)行力學(xué)發(fā)展和最新信息的介紹,不斷培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力、分析問題和運(yùn)用計(jì)算機(jī)的能力。采用討論課和小論文形式,選用概念綜合性和靈活性大、有開拓性或有一定難度的小論文題目,個(gè)別可選用研究生試題或課程設(shè)計(jì)的一部分內(nèi)容,讓同學(xué)分析、思考和討論,以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的能力[3]。

4 教學(xué)手段

1)多媒體動(dòng)畫教學(xué)。在課堂教學(xué)中注重采用現(xiàn)代教學(xué)手段,利用圖文并茂、生動(dòng)形象的多媒體手段,將軸向變形、扭轉(zhuǎn)變形、彎曲變形、薄壁結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱彎曲、應(yīng)力狀態(tài)以及壓桿穩(wěn)定等一些抽象、枯燥的概念通過動(dòng)畫等形式形象地展示在學(xué)生面前,傳達(dá)的信息更豐富、更直觀,既便于學(xué)生理解,又有利于啟發(fā)學(xué)生的思維。2)有限元軟件教學(xué)。對(duì)于材料力學(xué)涉及的變形過程、應(yīng)力的分布、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的變化等不宜用單一的圖片來表述其特點(diǎn),我們利用有限元軟件,比如ANSYS,ABAQUS等進(jìn)行輔助課堂教學(xué),這些軟件的后處理模塊能形象、直觀地顯示結(jié)構(gòu)的變形、位移及應(yīng)力分布情況,同時(shí)還能以動(dòng)畫的形式展示結(jié)構(gòu)從最初的加載到最終的變形的整個(gè)過程,將原來枯燥乏味的力學(xué)概念和理論轉(zhuǎn)化為圖文并茂、生動(dòng)形象的畫面。由此可以啟發(fā)學(xué)生的形象思維、培養(yǎng)和激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高教學(xué)效率,增強(qiáng)教學(xué)效果[4]。

5 結(jié)語

《材料力學(xué)》是土木工程專業(yè)課學(xué)習(xí)的基礎(chǔ),很多理論的創(chuàng)立也都是建立在大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上的,很多的理論假設(shè)也必須通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。因此根據(jù)材料力學(xué)的特點(diǎn),在教學(xué)內(nèi)容上應(yīng)結(jié)合具體專業(yè)特點(diǎn)突出主次,以實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)教學(xué),改革傳統(tǒng)教學(xué)模式,教學(xué)思路則根據(jù)材料力學(xué)整個(gè)體系多思路并行,教學(xué)方法引入更加主動(dòng)的問題教學(xué)法和啟發(fā)式教學(xué)法,結(jié)合比較法和歸納法教學(xué)、擬實(shí)際教學(xué)法和反復(fù)教學(xué)法,配合小論文探討教學(xué)法同時(shí)進(jìn)行,教學(xué)手段與時(shí)俱進(jìn),采用現(xiàn)代化的多媒體和有限元等教學(xué)手段,這樣更有利于提高課堂教學(xué)質(zhì)量,培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實(shí)、知識(shí)面寬、能力強(qiáng)、素質(zhì)高的專業(yè)人才。

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