土木工程專業材料力學教學改革的思考★

梁旭黎 司京欣

(1.石家莊經濟學院勘查技術與工程學院，河北石家莊 050031; 2.中國人民解放軍93484部隊，北京 100006)

0 引言

材料力學作為土木工程專業的專業基礎課，在整個課程體系里占據著十分重要的地位。我校土木工程專業是在原水文地質工程地質專業的基礎上發展起來的，通過教學學習，學生應具有工程構件強度、剛度和穩定性的基本概念及計算能力，并運用材料力學的基本知識來分析和計算后續專業課程所涉及到的力學問題，從而體現專業特色，為畢業生更好地適應社會發展，從事相關專業的研究和工作奠定基礎。

結合筆者這幾年的教授材料力學課程的經驗，為了達到更好的授課效果，從以下幾個方面進行了教學改革。

1 做好與先前所學過的力學知識進行銜接

材料力學中的某些知識已在中學物理里的力學和大學里的先修課程理論力學涉及到，例如平衡、力、力偶等，這些概念在材料力學中已經有了新的內涵，這時在講解新的內容點時必須注意與以往知識點進行銜接并引申。例如，在講解扭矩、彎矩時，首先強調它們的單位與力偶的單位一致，但要與之前所講授過的力偶的定義相區別，不論扭矩還是彎矩，它們都是用假象截面截開受力物體后暴露出的內力偶，這樣學生就可以明白內力與外力的區別與聯系，再遇到扭矩、彎矩問題時，就不會與理論力學中的力偶的定義——大小相等、方向相反、不作用在同一直線上的兩個力所組成的特殊力系僵硬的聯系起來，然后再強調，力偶的作用效應是使物體發生轉動，彎矩和扭矩雖然都是內力，但它們會使物體繞著不同的坐標軸發生轉動，此時通過建立空間坐標系，明確二者將會使物體繞著哪根坐標軸轉動，由此強調它們的作用效應，使學生牢牢地掌握住了彎矩、扭矩的概念。再例如，為了強調材料力學是研究物體受力后發生微小變形的課程，它的研究對象與理論力學的研究對象——剛體有了本質的不同，這時可以舉懸臂梁受集中力的例子，讓學生們自己分析后明確不同課程里由于把相同的受力體看作是不同的研究對象，最終導致它們的受力分析結果是不同的，表現為受力后內效應不同。

通過與已有知識的銜接，引入了新的知識點，并強調了新老知識點之間的區別與聯系，培養了學生通過已有知識學習新知識內容的能力。

2 加強與專業課程的聯系，激發學生的學習熱情

土木工程專業具有實踐性強的特點，作為專業基礎課的材料力學應當在教學過程中體現理論知識能為實際問題的解決提供指導的作用，這樣才能吸引學生聽講，發揮其主觀能動性。在教學中，如果不能有效的使教學內容與實踐聯系，學生學起來就會很迷茫，不能明確學習的目的，從而產生思想懈怠甚至厭學的情緒，不利于課程的進行，因此必須加強課程與實踐問題的聯系，通過初步引入后續專業課程里所涉及到的材料力學內容，引導學生試著解決工程實際問題，從而使他們對學習越來越有興趣，自覺自愿地參與到材料力學的學習中，勤于思考并與教師良好互動。例如，土木工程專業課程水力學中，在求解閘門上所受到靜止流體總壓力的大小時要用到截面的慣性矩，材料力學在介紹慣性矩的概念時，給出了不同形狀截面的慣性矩的計算式，根據筆者的經驗，從慣性矩概念的引出到慣性矩的計算式的給出往往要用一節課的時間，等到真正用到慣性矩進行計算時，很多學生腦子里一片空白，甚至回想不起來它的概念，其原因有學生掌握基礎知識不扎實，也是教師未能將基本概念與后續專業課程的應用相聯系的結果。因此，在講授這些基本概念時，非常有必要給學生交代這些知識會用于今后課程或實際工作中的哪些方面，加強他們的概念理解能力。

還有，在基礎工程課程中，計算作用于基底面彎矩時用到截面的抗彎模量值，材料力學中給出矩形截面的抗彎模量的計算公式為和h分別為矩形截面兩個方向的尺寸。在應用材料力學知識解決該問題時，不能生搬硬套公式，必須結合基礎上所受的荷載形式來確定b和h的值，比如，對于僅受豎向荷載作用時，基礎的短邊為h，當有彎矩作用時，h為力矩作用方向的基礎底面邊長，如果不能明確誰是b誰是h就盲目代入公式，必然在實際應用中帶來錯誤。這些問題看似是專業課程的知識，但細想，它們就是材料力學的實際應用問題。在材料力學課程的講授過程中，如果結合建筑物的基礎模型進行講解，不僅能將材料力學與土木工程專業知識結合起來，還能為學生將來順暢地接受專業課程知識打下基礎，培養了學生處理工程實際問題的能力。

此外，值得一提的是，我國已經從2002年開始了注冊土木工程師的執業資格考試，作為土木工程專業的學生今后若想從事土木工程方面的研究和工作，取得執業資格證是十分必要的。該考試的基礎考試部分要考材料力學，專業考試部分，如基礎工程、基坑工程等均涉及材料力學知識，因此更要向學生強調材料力學課程的重要性，激發學生的學習熱情。

3 改進教學手段，突出教學重點

在以往的材料力學教學中，主要采用板書的教學手段，該種教學手段的優點是可以使學生的注意力集中，通過帶領學生在黑板上推導公式，使學生更加明確公式的由來，便于理解。但是這種教學手段也有局限性，一些抽象的力學模型由于受到手畫圖形或時間限制，不能更好的展現出來，因此需要借助多媒體的教學手段。可以采用CAI課件，以圖片或動畫的形式展示力學模型，給學生以直觀形象的認識，可以有效地幫助學生理解材料力學的知識。比如在介紹桿件的彎曲變形時，為了講解中性層、中性軸、曲率半徑等概念，連寫帶畫，進行了由表及里的推導，浪費了很多課時，學生聽起來也很費勁，通過多媒體課件的演示，既形象生動，又可以使學生一目了然地看到了變形情況，較輕松地理解了桿件在彎曲時的變形規律，為接下來教授彎曲應力公式做好了鋪墊。值得注意的是，切不可一味的依賴多媒體教學手段，在實際教學中發現，如果在整堂課程的教學中始終運用多媒體課件，學生易產生觀看疲勞，不能長時間的精神集中，特別是用多媒體課件進行公式推導效果較差，雖然教師可以節省在黑板上的書寫時間，幻燈片上打出的公式也比較整潔美觀，但與學生溝通后發現，整頁打出來的公式對于大部分人來說，盡管在老師的講解帶領下，也不如板書逐一推導出來的理解效果好，因此總結出來，根據材料力學的課程特點，材料力學課程內容中公式眾多，而且每一個公式都有它的推導條件，在公式應用時這些推導條件就變成了公式的應用條件，同時，材料力學課程上也更需要將某些抽象的力學模型形象地展示出來，因此，在教學中，必須將板書與多媒體這兩種教學手段相結合，要以板書為主，多媒體為輔，當進行公式的導出時，盡量以板書形式進行推導，當演示力學模型及受力變形特點時，要借助多媒體的教學手段，從而達到突出教學重點，節省時間的目的。

4 加強實驗教學，培養學生的動手能力

實驗教學的目的，除配合理論教學外，主要是培養學生的動手能力。學生在得到了第一手感性材料后，再經教師啟發和講授，學習積極性和效果會明顯提高。我校于2006年在原有材料力學實驗室的基礎上，引入了600 kN的液壓萬能試驗機，300 kN的電子萬能試驗機和1 000 N·m的電子扭轉試驗機，豐富了教學試驗內容。新引進的試驗設備，使得材料力學的教學更加直觀，通過試驗可使學生的理解能力大大加強。試驗開始之前，為了增強學生的動手能力，讓他們親自觸摸試驗機、理解試驗機結構，在教師指導下，可以通過拆卸可以拆卸的部分，如夾具、試驗機外殼等，更加深入地了解試驗機的構造。在實驗過程中，讓學生不能僅滿足于實驗現象的觀察，有的學生看見試驗機繪制了應力應變曲線，將試件拉斷、扭斷即感到完成了實驗課程，這時，要引導學生進行實驗現象的分析，分析斷裂面的發生位置、進行壓縮試驗時試驗機停止的原因等等，此外，還要求學生進行實驗誤差分析，使得課程內容飽滿，上完實驗課后，學生也會覺得真實地參與到工程實踐中了，達到了實驗課程的教學目的。

5 結語

通過教學方法的改進，激發了學生的學習興趣，使學生們明確了材料力學課程與先前力學知識及后續專業課程的關系與聯系，設定了學習目標，而課堂上實際工程例子的講解，讓學生不僅牢固掌握了材料力學知識內容，還逐漸了解了今后將要學習的專業課程以及工作中將會遇到的力學問題。通過教學還培養了學生勤于觀察、思考的思維模式，為今后走向工作崗位、適應社會需要打下堅實的專業基礎。

［1］ 孫訓方，方孝淑，關來泰.材料力學［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［2］ 高富強，侯愛軍.《材料力學》教學改革的探索與實踐［J］.企業技術開發，2010，29(17)：136-137.

［3］ 孫立紅，吳云鵬，郝俊才.材料力學教學改革的方法和實踐 ［J］.雞西大學學報，2002，2(3)：17-18.