材料力學(xué)課堂“新““舊“概念對(duì)接教學(xué)探討

張克明 鄭佩 焦古月 張振亞

摘 ?要：理論力學(xué)和材料力學(xué)是高等工程類專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程，在機(jī)械、土木和力學(xué)等工科專業(yè)中的作用和地位不容忽視。材料力學(xué)作為理論力學(xué)的后續(xù)課程，課程內(nèi)容繁雜且抽象而課時(shí)卻在不斷減少。文章結(jié)合自身教學(xué)實(shí)踐和體會(huì)，借助理論力學(xué)中的基本概念，探討了材料力學(xué)課堂教學(xué)中的“新”概念與理論力學(xué)的“舊”概念的對(duì)接關(guān)系，基于此引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)概念建立力學(xué)模型，提高課堂的教學(xué)品質(zhì)和學(xué)習(xí)效果。從“新”“舊”概念對(duì)接出發(fā)，培養(yǎng)學(xué)生靈活運(yùn)用理論力學(xué)和材料力學(xué)“新”“舊”知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，進(jìn)而從理論分析逐步向工程實(shí)際過(guò)渡，提高學(xué)生的工程師職業(yè)素質(zhì)。

關(guān)鍵詞：材料力學(xué);理論力學(xué);基本概念;工程實(shí)際

中圖分類號(hào)：G642 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-000X（2021）22-0126-06

Abstract： Theoretical mechanics and material mechanics are basic technical courses for advanced engineering specialties， and their roles and positions in engineering majors such as machinery， civil engineering and mechanics cannot be ignored. As a follow-up course of theoretical mechanics， material mechanics， although the course content is complex and abstract， the class hours are constantly decreasing. This article combined with its own teaching practice and experience， with the help of the basic concepts in theoretical mechanics， discussed the "new" concept in the classroom teaching of materials mechanics The docking relationship with the "old" concept of theoretical mechanics is based on guiding students to build a mechanics model through the concept to improve classroom teaching quality and learning effect. Starting from the docking of the concepts of "new" and "old"， students will be able to flexibly use the "new" and "old" knowledge of theoretical mechanics and material mechanics to solve practical problems， and then gradually transition from theoretical analysis to engineering practice to improve the quality of students' engineers.

Keywords： material mechanics; theoretical mechanics; basic concepts; engineering practice

一、 存在的問(wèn)題

理論力學(xué)和材料力學(xué)作為最重要的兩門力學(xué)類專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，理解其中的概念是很重要的，掌握概念之間的聯(lián)系就更為重要。特別是，理論力學(xué)研究對(duì)象一般不是實(shí)際具體的物體，而是簡(jiǎn)化模型（例如航天器、大型儲(chǔ)罐等簡(jiǎn)化為多體動(dòng)力學(xué)模型），包括質(zhì)點(diǎn)、質(zhì)點(diǎn)系和剛體，實(shí)際上它們都是不存在的;任何構(gòu)件在外力作用下都會(huì)產(chǎn)生變形，或大或小，并在外力增加到一定程度時(shí)還可能發(fā)生破壞。而材料力學(xué)[1-2]是本科學(xué)習(xí)階段第一門與工程實(shí)際聯(lián)系比較緊密的學(xué)科，理論力學(xué)[3-4]的概念是如何應(yīng)用到材料力學(xué)上的呢？或者材料力學(xué)如何借助理論力學(xué)的知識(shí)使學(xué)習(xí)得到更大的提升呢？理論力學(xué)的概念是否全部可以繼承和使用呢？下面本文將從基本概念出發(fā)進(jìn)行前修課程與后續(xù)課程的對(duì)接分析。

材料力學(xué)和理論力學(xué)的研究對(duì)象差別大。在理論力學(xué)課程中，主要的一部分學(xué)習(xí)內(nèi)容是計(jì)算構(gòu)件所受外力的基本方法，在分析研究時(shí)通常把構(gòu)件看成是不發(fā)生變形的剛性物體（剛體）。引入剛體概念讓我們忽視了很多細(xì)節(jié)。在一般情況下，理論力學(xué)的剛體假設(shè)有利于我們對(duì)力學(xué)理論的理解。材料力學(xué)可以認(rèn)為是同樣的理論知識(shí)在實(shí)際工程中的具體分析過(guò)程[5-6]。在現(xiàn)實(shí)的工程中根本沒(méi)有理想化的剛體，無(wú)論多么硬的材料遇到力的作用都會(huì)產(chǎn)生形變，但形變很小，甚至無(wú)法用肉眼來(lái)分辨，材料力學(xué)就是研究工程實(shí)際中的材料，研究物體受力時(shí)的形變以及特性的一門學(xué)科。如何實(shí)現(xiàn)剛體到變形體概念上的無(wú)縫對(duì)接，在材料力學(xué)學(xué)習(xí)乃至后續(xù)力學(xué)課程中都是很重要的。

材料力學(xué)和理論力學(xué)的分析方法有很多不同[7-8]。理論力學(xué)是一門理論物理課程，其特點(diǎn)是理論體系和思維方法嚴(yán)密、系統(tǒng)性強(qiáng)，題目類型各異，解題方法比較靈活，比其他力學(xué)課抽象、復(fù)雜。材料力學(xué)是工程技術(shù)基礎(chǔ)課，實(shí)踐性較強(qiáng)，是以數(shù)學(xué)、物理、理論力學(xué)為基礎(chǔ)的課程。在理論力學(xué)中，對(duì)剛體進(jìn)行受力分析，一般是從對(duì)剛體的外力分析入手，先從整體再到局部，從而將物體的整體受力情況以及未知量求出。只需要將外力分析清楚，根據(jù)公式即可解答一些問(wèn)題。在材料力學(xué)中，常常需要考慮受力材料的特性，其更注重受力物體的內(nèi)力分析，內(nèi)外力的結(jié)合分析等。更重要的一點(diǎn)不同之處是，材料力學(xué)還注重物體受力后的形變，這是為了讓我們掌握材料的特性，以便在工程建筑中選取更好的材料。通常還借助了剪力圖、彎矩圖等圖表來(lái)分析加強(qiáng)我們對(duì)材料的受力情況的理解。截面法的運(yùn)用以及內(nèi)力正負(fù)號(hào)規(guī)定和設(shè)正法都是很好的受力分析方法。理論力學(xué)的“舊”分析方法如何在材料力學(xué)中得到應(yīng)用推廣呢？它是如何被引向解決工程實(shí)際“新”問(wèn)題的，這是在課堂講解時(shí)需重點(diǎn)指出的問(wèn)題。