《材料力學》課程在本科教學中的思考與探討

倪曉宇　劉英

摘 要：《材料力學》是工科學校土木、機械等專業的一門專業基礎課程，但由于材料力學理論的抽象、學時的短缺以及學生前期知識積累的差異等因素的存在，有必要在教學內容、方法等方面進行深入思考和探討，使學生能高效率地理解并掌握材料力學知識，同時也具有較高工程實踐應用能力和良好的工程素質。如何采用有效的教學手段去切實提高教學質量和教學效率，如何讓學生扎實地掌握課程基礎理論知識并將所學知識應用到工程實際中去，是該文討論的主要方向。

關鍵詞：材料力學 工程應用 實驗 教學方法

中圖分類號：TB301-4；G642 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）12（a）-0144-02

材料力學是機械、土木類專業學生重要的專業基礎課之一，以桿、梁、軸等簡單構件作為研究內容，卻又是力學理論與工程實際問題緊密結合的一門橋梁課程。但簡單的概念介紹、理論推導以及脫離實際問題的題目練習，已經讓多數學生，尤其是工科成績不理想的學生感覺整個材料力學的學習過程十分枯燥；加之目前學校對各個專業課程的調整，材料力學學時縮短，課堂內容較多且授課速度較快，而使得學生在枯燥無味的學習過程中失去了學習材料力學的興趣，久而久之，很多學生養成硬背公式等考前突擊來應付考試的不良心理。然而，對于土木和機械專業的本科生來說，材料力學是學好土木、機械工程其他相關課程以及培養較高工程素質的前提條件。因此根據該課程的特點和教學對象的特點，改善教學方法，結合實際工程問題，使學生能靈活高效、系統且創造性地學習。而如何采用有效的教學手段去切實提高教學質量和教學效率，如何讓學生扎實地掌握課程基礎理論知識并將所學知識應用到工程實際中去，都是目前應用型高校土木、機械類工程專業材料力學課程教學改革中急需解決的問題[1]。

1 教學方法的研究與思考

材料力學是一門理論性較強，但又是應用于工程實際的基礎課程，要求授課的老師有很深的理論基礎，以及較為豐富的工程實踐經驗。授課時，既能將理論講活，又能培養學生動手、分析和解決問題的能力。因此，針對我們學校的材料力學課堂教學效果，以及針對我們學校的土木、機械專業的學生，筆者認為在目前的材料力學課程的教學過程中需要注重以下幾點。

1.1 重視課程的整體性與系統性

材料力學的整體性可以歸結為構件的內力、應力和變形，而系統性則表現為桿件各種基本變形過程中內力、應力和變形的求解。若采用傳統的教學方法，即每堂課都是按照課本上的內容逐一講解，則會產生“照本宣科”的效果，無法體現出材料力學知識的整體性和系統性，學生學習會缺少主線，理解不透，學習積極性逐步削減，學生無法對知識進行系統性學習，也無法對所學知識有整體性上的理解和掌握。因此，教師在教學方法上需注重課程的整體性和系統性，可以在縱向和橫向兩個方面來體現。

在縱向方向上，讓學生了解本科階段材料力學要處理的基本問題和方法，引入內力、應力、應變等基本概念，將各章節內容的重點以及各章節內容之間的內在聯系明確處理，比如從簡單的拉伸（正應力——截面法向方向的應力），扭轉（剪切應力——截面切向方向的應力），彎曲（軸向應力和剪切應力），橫截面上的應力從一個方向變為兩個方向，課程是由簡入難的。在橫向方向上，讓學生了解材料力學包括兩大部分，一是材料的力學性能（或稱機械性能）的研究，是固體力學其他分支的計算中必不可缺少的依據。另一部分是對桿件進行力學分析，而桿件按受力和變形又可分為拉桿、壓桿、受彎曲（有時還應考慮剪切）的梁和受扭轉的軸等幾大類；桿中的內力有軸力、剪力、彎矩和扭矩；桿的變形可分為伸長、縮短、撓曲和扭轉。

但不管是橫向還是縱向，若體現出材料力學的整體性和系統性，學生則會在課程的開始就意識到每個章節之間并非孤立的。后續的學習中，學生自然而然地會將所學內容串聯起來，并找到材料力學的規律，體會知識的整體性和系統性，從而加深并鞏固所學的知識。

1.2 圍繞工程實例授課，強調課程的工程意義，培養學生工程意識

有興趣的學習心理可以讓學生更主動、積極地完成學習，就可以擁有很高的學習效率。對于材料力學學習興趣的培養，很大程度上取決于理論聯系實際。強調材料力學所具有的工程意義無疑是最佳途徑，但僅僅局限于課堂理論的教學模式，是無法真正體現材料力學工程應用價值的。因此，在課程的前期，就需要讓學生在直觀上感受到課程的工程意義，才能很好地激發學生的好奇心，從而提升學習興趣。比如在講解緒論時就可提出類似于“美國911事件中的世貿大廈被炸毀，整個建筑倒塌的根本原因是什么”或者“菲爾普斯的泳衣到底能否為他獲得游泳冠軍發揮了一定的力學作用”等涉及材料力學中關于材料性能的問題。問題的提出肯定能帶動學生積極的思考，于是材料力學的相關研究內容便可在學生的積極思考中引出來。此外，問和答的互動也能活躍課堂氣氛，使學生的學習樂趣和興趣大大提高。

課程中期和后期同樣也需要較多的工程實例來支撐，并且需側重于工程實例問題的分析和求解。授課過程中，讓學生直觀地看到實際的工程結構及其受力狀態，再采取正確的方法和步驟，運用材料力學知識一步一步且快速地對工程實例中的問題進行簡化、歸類，獲得求解模型。綜合目的是指導學生從力學原理角度來完成實際工程問題的分析與求解，讓學生真正懂得如何運用相應的理論知識解決工程問題。當然，整個過程中，需要突出工程意義，這對學生認識力學學科的重要性具有較強的影響力。

除此之外，授課教師可以根據自己的科研項目，選取并設計多個完整的項目進行教學活動，在課堂教學中把理論知識能夠較好地應用于工程實際，充分挖掘學生解決實際問題的能力。

1.3 適當擴充課程內容，拓寬學生知識面，提升學習興趣

根據不同的專業方向，材料力學本科教學分為多學時和少學時課程。少學時的課程一般只講解桿件軸向拉伸壓縮、扭轉、彎曲及壓桿穩定等幾方面的內容，而多學時的課程則是在少學時的基礎上，相應增加能量法等內容。針對多學時和特定專業的學生，有必要對所授內容在深度和廣度上同時擴充。endprint

本科階段的材料力學研究的問題都是在滿足幾個基本假設，材料在服從胡克定律的前提下求解線性問題的，若桿件在多種外力共同作用下的變形（或內力），可采用疊加原理來獲得最終結果，這是線性問題。而類似于訂書釘和釣魚竿等日常生活中很常見的非線性問題則能引起學生更大的注意力，因此，在介紹線性問題時，有必要對一些非線性問題進行解釋并給出簡單的求解思路，即可提出幾何非線性問題。于此同時，還可以進一步引入物理非線性問題（材料不服從胡克定律），并說明在幾何和物理非線性問題中，疊加原理失效，而解決這類問題可用卡氏第一定理、克羅蒂·恩蓋塞定理或單位載荷法等。從線性問題深入到非線性問題，能讓學生進一步感知課程知識的完整性和系統性。

面對更多更復雜的工程問題，無論是線性還是非線性，僅用書上的材料力學知識是無法滿足模型求解的，因此除了在深度上擴展相關內容外，授課教師仍需要在寬度方向上拓寬學生的知識面。可以借用有限元分析軟件，讓學生從仿真的角度了解構件變形規律，比如懸臂梁彎曲時的彎矩分布以及應力分布規律。學生可以通過仿真分析結果更加深入地了解材料力學理論知識，更重要的則是能讓本科學生盡早接觸有限元等工程應用軟件，了解有限元的簡單理論，可以鞏固并延展其材料力學和數學等方面的知識，也能增強學生對工程問題的求知欲。

對知識深度和寬度的擴充也是讓學生能有更多的知識積累，能為他們的后續課程，如板殼力學、斷裂力學、結構力學和彈性力學等的深入學習打下堅實的基礎，同時也能為解決實際問題提供他們前所未知的技術方法，如ANSYS、LS—DYNA、MATLAB等數學仿真軟件。

除此之外，積極鼓勵學生參加材料力學競賽，如全國周培源大學生力學競賽以及基礎實驗競賽等，而知識的擴展則能幫助學生提升在力學競賽中的自信，反之，競賽也能促進學生學習力學的興趣，培養分析、解決實際問題的能力，并充分展示學生的基礎知識和思維能力，對培養應用型人才和研究創造型人才將十分有益。

1.4 發揮實驗作用，充分保證教學效果

材料力學的學習方法是理論與實驗相結合，因此，實驗課是不可或缺的。通過理論與實驗的結合，讓學生知道實驗是驗證理論的重要手段，授課教師需要充分發揮實驗課的效果，在增強學生的動手能力的同時，更好地理解理論知識。除此之外，授課教師還可以設計多種不同的實驗，讓學生通過不同的實驗方案，獲得成功解決實際問題的思路和方法，能夠增強學生獨立學習和解決問題的能力。

授課老師也可以利用虛擬實驗實現教學交互，滿足學生與媒體界面操作的交互、學生與教學內容的交互，讓課堂教學更為豐富和靈活。與此同時，學生在不受時間、地點以及實驗儀器設備等限制條件下進行個性化學習，則能自主制定學習進程，發揮主觀能動性[2]，能與真實實驗一樣鍛煉學生的動手能力以及培養學生的獨立性，從而提高學習效率，并促進學生創造力的發展。例如：每個學生都可以不依賴于實驗室實驗硬件資源，對低碳鋼和鑄鐵材料力學性能進行多次測定，充分了解載荷與變形，應力與應變之間的關系，對材料的幾個基本特征點（比例極限、屈服極限、強度極限等），相信對材料力學中的強度以及剛度問題會有更透徹的理解和認識。

2 結語

教學方法改善是提高教學質量的一個重要手段，培養現代工程人才，需要體現現代的教育理念。材料力學雖然是一門經典老課，但可以通過創新教育教學的方法，來完成該課程的現代教學。在促進學生學習主動性、積極性的同時，提高學生的學習興趣和學習能力，使學生能夠真正掌握材料力學的理論知識，并通過實驗和工程問題相結合，使學生真正擁有解決工程實際問題的能力，成為真正有用的應用型或創造型高級人才。

參考文獻

[1] 李繼生，李遠略.材料力學課程教學改革探討[J].天中學刊，2011，26（5）：98-99.

[2] 李斌，閆琴.材料力學虛擬實驗系統設計[J].中國西部科技，2011，10（12）：36-37.

[3] 劉輝蘭.關于力學習題課教學的幾點思考[J].科技信息，2009（4）：42.endprint