材料力學(xué)教改體系研究

高永輝 楊 凱

材料力學(xué)是工科各專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。它以理論力學(xué)為研究基礎(chǔ),以高等數(shù)學(xué)為研究工具,同時(shí)又以結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)等后續(xù)力學(xué)課程為其延伸,起著承上啟下的作用,對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)、工程素質(zhì)及創(chuàng)新能力有著重要的意義[2]。積極推進(jìn)本課程的課程教學(xué)改革對(duì)提高學(xué)生分析、研究、解決工程問(wèn)題能力,提升學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)十分重要。由于可以直接用于工程實(shí)際,它要求學(xué)生具有較強(qiáng)的運(yùn)用基本概念和基本理論分析、解決實(shí)際問(wèn)題的能力,因此具有理論嚴(yán)密、系統(tǒng)完整、邏輯性強(qiáng)等特點(diǎn)。

作者根據(jù)“材料力學(xué)”教學(xué)及考試中存在的一些普遍問(wèn)題,結(jié)合本科學(xué)生的特點(diǎn),在材料力學(xué)的講授方法上進(jìn)行了一些探索和改革,效果理想。

1 《材料力學(xué)》教學(xué)改革

1.1 理論聯(lián)系實(shí)際,將工程實(shí)際問(wèn)題與理論知識(shí)充分結(jié)合

材料力學(xué)是解決工程問(wèn)題的基礎(chǔ)理論,是一種思維方法,為工程提出了解決問(wèn)題的途徑。目前材料力學(xué)教學(xué)內(nèi)容未能隨學(xué)科的發(fā)展而及時(shí)調(diào)整和更新;課程教學(xué)方法落后;課堂理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)脫節(jié)。抽象的圖示很難和工程掛上鉤,初學(xué)者不理解所學(xué)的目的和意義,學(xué)習(xí)興趣不大。筆者在講授時(shí)始終堅(jiān)持理論聯(lián)系實(shí)際,將工程實(shí)際問(wèn)題貫穿于理論知識(shí)的講解中。

比如在講解緒論時(shí),為了讓學(xué)生充分了解材料力學(xué)的研究任務(wù),即強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性問(wèn)題。在黑板上畫(huà)一座橋式起重機(jī),和學(xué)生一起討論起重機(jī)安全工作的條件,大多數(shù)學(xué)生提出大梁和鋼索在工作時(shí)不能破壞,這樣自然引出強(qiáng)度的概念。為保證吊車運(yùn)行平穩(wěn)、振動(dòng)小,學(xué)生能思考到大梁變形和位移不能過(guò)大的問(wèn)題,建立剛度的概念。經(jīng)過(guò)啟發(fā)學(xué)生討論千斤頂失穩(wěn)問(wèn)題,穩(wěn)定性的概念也會(huì)深刻的印在學(xué)生腦海中。隨之提出安全和經(jīng)濟(jì)的矛盾關(guān)系,自然引出了材料力學(xué)的任務(wù)。

用材料力學(xué)的知識(shí)和公式解釋工程現(xiàn)象[3],通過(guò)理論聯(lián)系實(shí)際更好的理解知識(shí),引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,達(dá)到學(xué)以致用。例如用公式Me=n/9 549N解釋為什么低速軸比高速軸直徑大;用扭矩圖解釋為什么不把主動(dòng)輪放在軸的兩端;用梁橫截面正應(yīng)力分布規(guī)律解釋為什么鑄鐵梁截面關(guān)于中性軸非對(duì)稱等等。這些用材料力學(xué)知識(shí)解釋的現(xiàn)象,引起了學(xué)生的極大興趣,感覺(jué)這些力學(xué)知識(shí)離自己這么近,不再觸不可及,真正體會(huì)到這些知識(shí)是有用的。特別是在用梁截面抗彎截面系數(shù)解釋梁豎放比平放好時(shí),學(xué)生都抬頭看著頭頂?shù)姆苛?發(fā)出感慨。

1.2 加強(qiáng)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)

材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)是“材料力學(xué)”課程的重要組成部分,材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本任務(wù)是:幫助學(xué)生理解掌握“材料力學(xué)”的基本概念和基本理論,使學(xué)生掌握材料的力學(xué)性能、測(cè)試方法與應(yīng)力測(cè)量的基本方法,培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力,培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用理論與實(shí)驗(yàn)手段解決工程問(wèn)題的能力。理論來(lái)源于實(shí)踐而又被實(shí)踐所驗(yàn)證,理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)是相輔相成的,不能相互取代。除了理論教學(xué)教授得法外,還必須有實(shí)驗(yàn)教學(xué)共同完成,實(shí)驗(yàn)教學(xué)是為理論教學(xué)服務(wù)的,但是材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)并不應(yīng)當(dāng)停留在單純理論的驗(yàn)證上,而必須將培養(yǎng)學(xué)生能力作為重點(diǎn),開(kāi)設(shè)學(xué)生獨(dú)立實(shí)驗(yàn),調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,使學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解更為深入,對(duì)實(shí)驗(yàn)操作也做到心中有數(shù),為此,實(shí)驗(yàn)課應(yīng)側(cè)重三個(gè)階段的培養(yǎng),即實(shí)驗(yàn)觀察能力的培養(yǎng)、實(shí)驗(yàn)基本技能的培養(yǎng)、獨(dú)立實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,我們應(yīng)該借助現(xiàn)代力學(xué)手段,為學(xué)生提供更多的動(dòng)手機(jī)會(huì),以往由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量有限,大部分實(shí)驗(yàn)都是演示性實(shí)驗(yàn),主要是教師演示、學(xué)生觀看,學(xué)生處于被動(dòng)地位,不利于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力。為培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和科學(xué)作風(fēng),啟發(fā)學(xué)生的開(kāi)創(chuàng)思維,應(yīng)創(chuàng)造條件采用開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,給學(xué)生留有充足的時(shí)間,讓他們有自己動(dòng)手動(dòng)腦的機(jī)會(huì),以充分發(fā)揮設(shè)備資源的潛力,培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣,切實(shí)把理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能密切結(jié)合起來(lái),使學(xué)生對(duì)所學(xué)課程有較為形象和深入的理解。

1.3 突出材料力學(xué)研究思路的講解

在每一個(gè)變形的講解中加強(qiáng)按層次組織教學(xué)內(nèi)容,突出一條主線,即:實(shí)際問(wèn)題→力學(xué)模型→約束反力→內(nèi)力(圖)→應(yīng)力分布規(guī)律→最大應(yīng)力(應(yīng)力狀態(tài))→強(qiáng)度條件→強(qiáng)度計(jì)算[4]。這樣學(xué)生對(duì)研究問(wèn)題的思路方法非常清晰,每講完一個(gè)問(wèn)題筆者都會(huì)去問(wèn)學(xué)生下面該涉及什么問(wèn)題,了解了研究思路,學(xué)生就很清楚接下來(lái)該講什么了。內(nèi)容結(jié)束時(shí),要求學(xué)生合上書(shū)本能說(shuō)一下本課程都講了哪些內(nèi)容,是按什么方式展開(kāi)的。通過(guò)這種方法,學(xué)生一致反映找到了書(shū)中的骨架內(nèi)容,體會(huì)到了將書(shū)由厚讀薄的過(guò)程。

教學(xué)中學(xué)生不僅要獲取知識(shí),更要能獨(dú)立運(yùn)用知識(shí)。明確了材料力學(xué)的研究方法和思路后,要求學(xué)生每人寫(xiě)一篇小論文,題目范圍是“關(guān)于××問(wèn)題的設(shè)想”。要求寫(xiě)明工程背景,應(yīng)用力學(xué)的內(nèi)容,力學(xué)模型的描述,準(zhǔn)備解決的問(wèn)題等。不求答案完整、設(shè)計(jì)完善,只求廣開(kāi)思路,從不同的方面應(yīng)用力學(xué)知識(shí),盡量具有獨(dú)特、新穎和實(shí)用性,培養(yǎng)解決問(wèn)題的能力。學(xué)生經(jīng)過(guò)構(gòu)件的力學(xué)簡(jiǎn)化圖示、外荷簡(jiǎn)化、受力分析、強(qiáng)度計(jì)算及合理性分析等內(nèi)容,完成了學(xué)習(xí)的飛躍,使力學(xué)理論與生產(chǎn)實(shí)踐有機(jī)結(jié)合起來(lái),學(xué)生在實(shí)踐問(wèn)題中引入理論,加深理解,調(diào)動(dòng)了積極性,開(kāi)發(fā)了創(chuàng)造力。

1.4 考核方式

在考核方式、方法上,應(yīng)該有利于識(shí)別學(xué)生的創(chuàng)造力和實(shí)際操作能力,而不是只考學(xué)生的記憶力。我們改革了單一的閉卷筆試的方法,分別采用了開(kāi)卷筆試、大作業(yè)、讀書(shū)報(bào)告、課堂提問(wèn)、實(shí)驗(yàn)操作等多種方法相結(jié)合,符合課程內(nèi)容特點(diǎn)的考試方法。不僅減少了學(xué)生作弊現(xiàn)象的發(fā)生,還起到了促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的作用。為了便于考核學(xué)生分析、歸納、綜合解決力學(xué)問(wèn)題的能力,同時(shí)也考察學(xué)生查閱、收集和利用有關(guān)資料的技能。我們采用了在北美一些國(guó)家比較流行的“一頁(yè)開(kāi)卷”的方式,即考試時(shí)學(xué)生帶上由任課老師事先發(fā)給的空白試卷一張,學(xué)生可以在紙的正反面寫(xiě)上自己認(rèn)為最重要的知識(shí)點(diǎn)。這一過(guò)程,就是對(duì)重點(diǎn)知識(shí)的歸納、提煉和總結(jié)的過(guò)程,等于把教材讀薄了。

1.5 增加自學(xué)內(nèi)容,培養(yǎng)自學(xué)能力

當(dāng)前,一些學(xué)生滿足于上課記筆記、下課補(bǔ)筆記、復(fù)習(xí)考試背筆記,是缺乏自主精神的被動(dòng)學(xué)習(xí),既不利于智力和創(chuàng)造力的發(fā)展,也影響學(xué)生良好個(gè)性的形成。大學(xué)生既有獨(dú)立、自主的要求,也具備形成這種能力的可能性,加上如今學(xué)時(shí)少、教學(xué)內(nèi)容多,所以教學(xué)中應(yīng)適當(dāng)將一部分章節(jié)作為自學(xué)內(nèi)容。例如直桿軸向拉伸斜截面上的應(yīng)力、圓柱形密圈螺旋彈簧的應(yīng)力和變形、提高彎曲強(qiáng)度和剛度的措施和交變應(yīng)力等知識(shí),均要求學(xué)生課后自學(xué),未在課堂講解。自學(xué)有利于知識(shí)的內(nèi)化,學(xué)生自己搞清楚比聽(tīng)老師講清楚印象深得多,只有自己真正理解的知識(shí)才會(huì)使用。

2 結(jié)語(yǔ)

材料力學(xué)及教學(xué)改革及完善是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程,是一個(gè)與時(shí)俱進(jìn)的過(guò)程。本文中提出的觀點(diǎn)及建議在作者的教學(xué)當(dāng)中取得了良好的效果。為了使我國(guó)的教育事業(yè)與國(guó)際接軌,我們應(yīng)該更有針對(duì)性的進(jìn)行教育改革,并在改革中不斷總結(jié)積累經(jīng)驗(yàn),逐步完善。

[1] 王玉山,王 銳.關(guān)于材料力學(xué)教學(xué)方法的思考[J].山西建筑,2008,34(1):212-213.

[2] 杜慶華.力學(xué)與工程應(yīng)用[M].北京:中國(guó)林業(yè)出版社,1998.

[3] 劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2005.

[4] 張文閣.以材料力學(xué)課程為載體,努力實(shí)踐對(duì)學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)——力學(xué)課程報(bào)告論壇[M].北京:高等教育出版社,2006.