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]。積極推進本課程的課程教學(xué)改革對提高學(xué)生分析、研究、解決工程問題能力,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際,它要求學(xué)生具有較強的運用基本概念和基本理論分析、解決實際問題的能力,因此具有理論嚴密、系統(tǒng)完整、邏輯性強等特點。

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題,結(jié)合本科學(xué)生的特點,在材料力學(xué)的講授方法上進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)系實際,將工程實際問題與理論知識充分結(jié)合

材料力學(xué)是解決工程問題的基礎(chǔ)理論,是一種思維方法,為工程提出了解決問題的途徑。目前材料力學(xué)教學(xué)內(nèi)容未能隨學(xué)科的發(fā)展而及時調(diào)整和更新;課程教學(xué)方法落后;課堂理論教學(xué)與實驗教學(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。筆者在講授時始終堅持理論聯(lián)系實際,將工程實際問題貫穿于理論知識的講解中。

比如在講解緒論時,為了讓學(xué)生充分了解材料力學(xué)的研究任務(wù),即強度、剛度和穩(wěn)定性問題。在黑板上畫一座橋式起重機,和學(xué)生一起討論起重機安全工作的條件,大多數(shù)學(xué)生提出大梁和鋼索在工作時不能破壞,這樣自然引出強度的概念。為保證吊車運行平穩(wěn)、振動小,學(xué)生能思考到大梁變形和位移不能過大的問題,建立剛度的概念。經(jīng)過啟發(fā)學(xué)生討論千斤頂失穩(wěn)問題,穩(wěn)定性的概念也會深刻的印在學(xué)生腦海中。隨之提出安全和經(jīng)濟的矛盾關(guān)系,自然引出了材料力學(xué)的任務(wù)。

用材料力學(xué)的知識和公式解釋工程現(xiàn)象[3],通過理論聯(lián)系實際更好的理解知識,引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,達到學(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)于中性軸非對稱等等。這些用材料力學(xué)知識解釋的現(xiàn)象,引起了學(xué)生的極大興趣,感覺這些力學(xué)知識離自己這么近,不再觸不可及,真正體會到這些知識是有用的。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,學(xué)生都抬頭看著頭頂?shù)姆苛?發(fā)出感慨。

1.2 加強材料力學(xué)實驗

材料力學(xué)實驗是“材料力學(xué)”課程的重要組成部分,材料力學(xué)實驗教學(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、測試方法與應(yīng)力測量的基本方法,培養(yǎng)學(xué)生的動手能力,培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用理論與實驗手段解決工程問題的能力。理論來源于實踐而又被實踐所驗證,理論教學(xué)與實驗教學(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,還必須有實驗教學(xué)共同完成,實驗教學(xué)是為理論教學(xué)服務(wù)的,但是材料力學(xué)實驗并不應(yīng)當(dāng)停留在單純理論的驗證上,而必須將培養(yǎng)學(xué)生能力作為重點,開設(shè)學(xué)生獨立實驗,調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,使學(xué)生對實驗內(nèi)容的理解更為深入,對實驗操作也做到心中有數(shù),為此,實驗課應(yīng)側(cè)重三個階段的培養(yǎng),即實驗觀察能力的培養(yǎng)、實驗基本技能的培養(yǎng)、獨立實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)。

在實驗教學(xué)中,我們應(yīng)該借助現(xiàn)代力學(xué)手段,為學(xué)生提供更多的動手機會,以往由于實驗設(shè)備數(shù)量有限,大部分實驗都是演示性實驗,主要是教師演示、學(xué)生觀看,學(xué)生處于被動地位,不利于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力。為培養(yǎng)學(xué)生的工程意識和科學(xué)作風(fēng),啟發(fā)學(xué)生的開創(chuàng)思維,應(yīng)創(chuàng)造條件采用開放實驗室,給學(xué)生留有充足的時間,讓他們有自己動手動腦的機會,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,切實把理論知識和實驗技能密切結(jié)合起來,使學(xué)生對所學(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

在每一個變形的講解中加強按層次組織教學(xué)內(nèi)容,突出一條主線,即:實際問題→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))→強度條件→強度計算[4]。這樣學(xué)生對研究問題的思路方法非常清晰,每講完一個問題筆者都會去問學(xué)生下面該涉及什么問題,了解了研究思路,學(xué)生就很清楚接下來該講什么了。內(nèi)容結(jié)束時,要求學(xué)生合上書本能說一下本課程都講了哪些內(nèi)容,是按什么方式展開的。通過這種方法,學(xué)生一致反映找到了書中的骨架內(nèi)容,體會到了將書由厚讀薄的過程。

教學(xué)中學(xué)生不僅要獲取知識,更要能獨立運用知識。明確了材料力學(xué)的研究方法和思路后,要求學(xué)生每人寫一篇小論文,題目范圍是“關(guān)于××問題的設(shè)想”。要求寫明工程背景,應(yīng)用力學(xué)的內(nèi)容,力學(xué)模型的描述,準(zhǔn)備解決的問題等。不求答案完整、設(shè)計完善,只求廣開思路,從不同的方面應(yīng)用力學(xué)知識,盡量具有獨特、新穎和實用性,培養(yǎng)解決問題的能力。學(xué)生經(jīng)過構(gòu)件的力學(xué)簡化圖示、外荷簡化、受力分析、強度計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)實踐有機結(jié)合起來,學(xué)生在實踐問題中引入理論,加深理解,調(diào)動了積極性,開發(fā)了創(chuàng)造力。

1.4 考核方式

在考核方式、方法上,應(yīng)該有利于識別學(xué)生的創(chuàng)造力和實際操作能力,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,分別采用了開卷筆試、大作業(yè)、讀書報告、課堂提問、實驗操作等多種方法相結(jié)合,符合課程內(nèi)容特點的考試方法。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)問題的能力,同時也考察學(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家比較流行的“一頁開卷”的方式,即考試時學(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上自己認為最重要的知識點。這一過程,就是對重點知識的歸納、提煉和總結(jié)的過程,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、下課補筆記、復(fù)習(xí)考試背筆記,是缺乏自主精神的被動學(xué)習(xí),既不利于智力和創(chuàng)造力的發(fā)展,也影響學(xué)生良好個性的形成。大學(xué)生既有獨立、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、提高彎曲強度和剛度的措施和交變應(yīng)力等知識,均要求學(xué)生課后自學(xué),未在課堂講解。自學(xué)有利于知識的內(nèi)化,學(xué)生自己搞清楚比聽老師講清楚印象深得多,只有自己真正理解的知識才會使用。

2 結(jié)語

材料力學(xué)及教學(xué)改革及完善是一個漫長的過程,是一個與時俱進的過程。本文中提出的觀點及建議在作者的教學(xué)當(dāng)中取得了良好的效果。為了使我國的教育事業(yè)與國際接軌,我們應(yīng)該更有針對性的進行教育改革,并在改革中不斷總結(jié)積累經(jīng)驗,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,努力實踐對學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)——力學(xué)課程報告論壇[M].北京:高等教育出版社,2006.