土木工程專業材料力學課程體系的改革

張俊峰 趙更歧 楚留聲

材料力學是土木工程專業一門重要的專業基礎課,是基礎課與專業課的紐帶,材料力學推導的許多公式已直接在專業課(鋼結構、混凝土結構等)中被使用。但由于工科教學任務量大,《材料力學》面臨著教學課時壓縮,而知識結構要求更加合理的矛盾。因此,在教學過程中出現了一系列的問題:內容偏多、偏深和專業結合差、靈活性差,學生忙于應付課內課外的作業,沒有時間思考問題,科學推理、邏輯思維能力欠缺,實踐教學環節與理論教學環節銜接不好,兩個教學內容常常脫節,影響學生對基礎知識的消化和工程技術的掌握,實驗內容長時間不變,缺少與新知識、新技術相關的實驗內容。綜上所述,根據現代教學改革和技術創新的需要,《材料力學》的教材內容、教學思路、教學方法以及教學手段應當更新、發展,以便培養出具有創新意識的土木工程應用型人才。

1 教學內容

1)結合專業特點,主次分明。材料力學是一門專業基礎課,專業課的許多基本理論都來源于材料力學,所以在材料力學的講授中,強調基本理論學習的同時,應結合土木工程專業的特點,在內容講授上突出主次,應突出軸心受力、受彎和壓彎構件的學習,以便與鋼結構、混凝土結構的內容有機銜接,受扭構件在結構設計中一般要盡量避免,所以受扭構件在講授時可以少占用些學時。

2)基礎理論和學科前沿內容并舉。隨著材料科學的發展,許多新材料,新的強度理論的出現,材料力學的內容也在不斷擴充,但在材料力學的講授中還是應該以基本理論的講述為主,適當地介紹學科前沿的發展情況,如高性能混凝土、纖維混凝土等材料的力學性能,這樣即能夠保證較少學時既掌握材料力學的理論基礎,又使學生開闊了眼界,培養了學生主動探索知識、應用知識、解決問題的研究性能力。

3)實驗引導下的材料力學[1]。材料力學的三種基本變形:軸向拉伸和壓縮、扭轉和彎曲都是以觀察到的基本現象作為理論講述的切入點,并根據變形規律做出理論推導的基本假定的,因此應在實驗的引導下進行材料力學的講述。李四光先生曾經說過:“觀察、試驗和分析是科學研究的常用方法。”實驗教學是高等院校教學工作的重要組成部分,它在培養學生的“知識、能力、素質”方面具有其他教學方式不可取代的重要地位和作用。

2 教學思路

材料力學是一門比較系統完整的學科,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→彎曲”為主線,且每種基本變形引出兩條輔線:“外力→內力→變形”和“應力→應變”的次序進行研究,每種基本變形又都采用“平面截面假設→變形幾何關系→物理關系→靜力平衡條件→應力公式”這一相同的推導過程。

雖然這種按基本變形進行的內容體系重復多,但比較結合專業課的講述思路,將來在學習專業課時會很容易和材料力學銜接。在講述時可以把第一種基本變形講解的深入,對其他變形的學習加以引導就能很快使學生理解并掌握,并起到一步一步加深理解,鞏固知識的作用。

3 教學方法

1)問題教學法[2]。從教育學的角度說,提問是調動學生主動、積極、自覺的進行思維的一種最經常、最普遍的教學手段。從心理學角度說,提問可以激發學習動機,啟迪求知欲。以設問形式進行課堂教學,既有利于學生學會分析解決問題的思維策略,培養創造性能力,又可以促進知識和技能的學習,使學生在分析解決問題實踐過程中增加知識才干。提問運用于整個課堂教學活動的全過程,成為聯系師生思維活動的紐帶,主要包括導入布疑、講中設疑、結束留疑三種方式。提問通常設置在以下幾處:學生的疑惑處、教學關鍵處、思維的轉折處、知識的引申處。問題教學法以教育心理學原理為依據,體現了以教師為主導,學生為主體的教學思想。

2)啟發式教學。教師在教學中側重考慮培養學生解決問題的思路與方法。對在解決問題過程中所需要的其他知識,如已學過的力學、數學知識作提示性的回憶;對力學公式的推導講最先碰到的扭轉剪應力公式的推導,認識一般從平衡方程、變形幾何方程、物理方程這三方面聯合求解的方法,后來遇到的彎曲正應力,引導學生回憶破解超靜定問題的三方面條件,讓學生思考如何解決。這樣安排教學內容的必然結果是節省了時間,讓學生集中精力思考解決主攻目標的思路與方法。這樣的課堂教學效果,會使同學們聚精會神,開動腦筋,盡情思維,從而培養學生的創新意識和創新能力。

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

4)反復教學法。重復可以提高記憶,加深理解,材料力學講述的許多內容比較抽象,可以在剛上課時對上一節講述的內容進行回顧,對這一節即將講述的內容進行設問,課后布置思考題和作業。通過課前、課堂和課后使學生將每一節課串起來,也在無形中引導學生課前預習,課后復習的習慣。每章節講述完畢后進行小復習,基本變形等講述完進行大復習,通過這種內容的反復,起到“溫故知新”的效果。

5)擬實際教學法。在進行實驗時針對實驗現象進行仔細講解,講課時多利用現場的照片,這種和實際接近的教學方法具有直觀性,更有利于調動學生的學習熱情,取得更好的教學效果。

6)小論文探討教學法。材料力學是一門密切聯系工程實際的科學,應對學生進行安全、經濟、合理的設計思想等實際專業技術知識教育,并經常進行力學發展和最新信息的介紹,不斷培養學生的邏輯思維能力、分析問題和運用計算機的能力。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,個別可選用研究生試題或課程設計的一部分內容,讓同學分析、思考和討論,以培養學生獨立思考的能力[3]。

4 教學手段

1)多媒體動畫教學。在課堂教學中注重采用現代教學手段,利用圖文并茂、生動形象的多媒體手段,將軸向變形、扭轉變形、彎曲變形、薄壁結構的非對稱彎曲、應力狀態以及壓桿穩定等一些抽象、枯燥的概念通過動畫等形式形象地展示在學生面前,傳達的信息更豐富、更直觀,既便于學生理解,又有利于啟發學生的思維。2)有限元軟件教學。對于材料力學涉及的變形過程、應力的分布、實驗現象的變化等不宜用單一的圖片來表述其特點,我們利用有限元軟件,比如ANSYS,ABAQUS等進行輔助課堂教學,這些軟件的后處理模塊能形象、直觀地顯示結構的變形、位移及應力分布情況,同時還能以動畫的形式展示結構從最初的加載到最終的變形的整個過程,將原來枯燥乏味的力學概念和理論轉化為圖文并茂、生動形象的畫面。由此可以啟發學生的形象思維、培養和激發學生的學習興趣,提高教學效率,增強教學效果[4]。

5 結語

《材料力學》是土木工程專業課學習的基礎,很多理論的創立也都是建立在大量實驗結果的基礎上的,很多的理論假設也必須通過實驗來驗證。因此根據材料力學的特點,在教學內容上應結合具體專業特點突出主次,以實驗引導教學,改革傳統教學模式,教學思路則根據材料力學整個體系多思路并行,教學方法引入更加主動的問題教學法和啟發式教學法,結合比較法和歸納法教學、擬實際教學法和反復教學法,配合小論文探討教學法同時進行,教學手段與時俱進,采用現代化的多媒體和有限元等教學手段,這樣更有利于提高課堂教學質量,培養基礎扎實、知識面寬、能力強、素質高的專業人才。

[1] 李建楠,張彥均.實驗引導下的材料力學教學改革[J].實驗室科學,2006(1):23-25.

[2] 呂 偉,高法賢,馬克明.應用問題教學法改革材料力學的課堂教學模式[J].力學與實踐,2001,23(2):64-65.

[3] 閆冰潔.案例教學在材料力學教學中的應用[J].科技情報開發與經濟,2007,17(7):256-257.

[4] 葉 勇.談ANSYS與《材料力學》課程教學的有機結合[J].科技情報開發與經濟,2005,15(20):216-218.

[5] 寧懷明,崔 揚.材料力學“1234實驗教學模式”的研究與實踐[J].教育理論與實踐,2004,24(12):52-53.

[6] 陳 濤.關于材料力學的教學思考[J].科技創新導報,2008(34):102-104.

[7] 謝桂花,王 軍.土木工程材料教學改革的探討[J].山西建筑,2009,35(25):214-215.