淺談材料力學教學與工程思維能力的培養

卞侃

摘 ? 要：力學是工科專業的重要基礎課程，針對高等教育中工程思維能力培養的欠缺，本文以材料力學課程為例，從教師自身工程思維能力強化、教學過程中工程案例舉例以及改革實踐教學三個方面淺談了工程思維能力的培養方法，最后以生活中常見的金屬票夾為例，討論了該結構與材料力學以及工程思維能力培養之間的關系，為工科高校機械、力學專業的基礎課程教學改革提供了一定的參考。

關鍵詞：材料力學 ?工程思維 ?教學方法

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）07（c）-0223-02

隨著高等教育改革的深入進行，人才培養已經從以“傳授知識”為主的應試教育向以“能力培養”為主的素質教育、創新教育轉變。不少成功人士在談及大學生活時都認為大學教育帶給他們的更多是一種思維方法的鍛煉。其中，工程思維能力的培養，對普通工科學生學習能力和創新能力的提升具有十分重要的作用[1-2]。

材料力學是工科專業的重要基礎課程，理論性強，同時又與工程技術聯系緊密。該學科雖然屬于傳統學科，但相關定理和結論仍然廣泛應用于日新月異的當今社會中，是解決航空航天、機械、土木等領域各類工程實際問題的重要基礎[3]。然而，材料力學作為力學的一個分支，其特點是數學分量重，在具體教學過程中，大家總習慣對經典的假設模型進行理論抽象，然后運用一些定理和數學推導求解相關問題。久而久之，學生能精確地解答材料力學習題，卻不知實際工程應用中的材料力學知識。在實際教學中還發現，過于抽象的理論模型，內容往往比較枯燥，學生很容易走神、犯困，遇到稍帶有實際工程類問題的時候卻又束手無策。筆者曾經就發現有學生將應變片粘貼于懸臂梁自由端，用于校核懸臂梁結構的強度，給出的解釋是懸臂梁自由端“變形”最大，所以應變最大。上述解釋符合材料力學中變形與應變的基本關系，卻混淆了實際懸臂梁結構中“變形”和因變形引起的“位移”兩個基本概念。

材料力學的教學目標不應該僅限于使學生掌握一定的力學知識和簡單的工科基礎技能，更重要的是幫助學生建立和強化工程思維，培養學生的創新能力以及工程實踐能力。從另一方面說，和工程實踐有密切聯系的材料力學課程的原動力和發展基本都是源于工程問題，在培養工程思維的同時，還可以顯著提高學生對材料力學理論知識的理解。

本文將從教師自身工程思維強化，工程案例舉例教學和實踐教學設計三個方面淺談材料力學理論知識教學對工程思維能力培養方面所起到的作用，希望能起到拋磚引玉的效果，推動高等教育課程的教學改革，以更好地發揮力學基礎課程在工科學生能力培養方面的作用。

1 ?教師自身工程思維的強化

材料力學是工科機械類學生的基礎必修課程，一般安排在大二進行授課，課時長、學生多，學校偏向于安排教學型教師進行授課。但如果任課教師的科研經歷少，素材積累少，僅靠吃透書本知識是很難強化自身工程思維的。教師可從文獻閱讀、綜合知識積累等方面不斷拓寬知識面，進而強化與材料力學相關的工程思維。

以材料史方面的知識為例。材料力學主要是從伽利略時期不斷發展起來的實踐課程，在材料力學課程的不斷發展中，一些力學原理、經典工程及古代社會對材料力學所作出的貢獻等都得到了不斷的積累和進步[4]。很多公式和定律都是以科學家的名字命名的，如胡克定律、莫爾積分、泊松比等，教師能否通過對力學史的了解，知道這些命名的來龍去脈，并且通過講解激發學生的學習興趣，是培養學生力學工程思維的前提。

以材料力學和哲學的聯系為例。由于材料力學理論假設和工程實例會存在不一致的地方，學生們在學習過程中很容易陷入困頓。例如行架結構的約束問題，學生們對鉸支和固支的簡化往往存在疑惑，這是因為在實際建筑結構中行架給人的直觀印象就是“固定靜止”的;還比如求結構自由端的位移量，明明拉力也起作用，但在實際工程計算中卻只考慮彎矩的作用。此時可聯系哲學問題中主要矛盾與次要矛盾的關系，透過現象看問題的本質，教育學生上述模型簡化的原因。培養學生的哲學思維，找到普遍性與特殊性、主要因素與次要因素的關系，總結事物的基本規律，完成工程問題的正確簡化與估算這一重要的工程思維。

2 ?工程案例舉例教學

在材料力學的不斷發展過程中，會涉及到很多經典或日常生活中常見的工程案例，應注意這方面素材的積累，結合貼切的材料力學理論，陳述并講解相關的經典案例。例如在講解應力集中概念時，可以給學生普及現代飛機客艙弦窗形狀的發展歷程。早期最先進的彗星式噴氣客機弦窗是方形的，但是在短短一年之內它連續出現了3次飛機空中解體事故，調查發現主要的原因就是方形弦窗產生了應力集中，使鋁合金結構過早出現了疲勞失效。在講解非圓截面桿件扭轉時，可以舉塔科馬海峽大橋因顫振引起扭轉，進而倒塌的例子;受此教訓，現在的斜挎橋均采用鋼箱梁的結構形式，極大地增強了扭轉強度。

值得注意的是，雖然材料力學理論模型是對實際工程模型的簡化，但工程簡化估算思維還應該透過現象看力學的本質。例如我們日常生活中常見的金屬票夾結構，其可以看作一種夾片彈簧，凡是彈簧均存在一個“剛度”屬性。若要計算夾片彈簧的等效剛度，學生首先想到的是胡克定律，即拉伸力比上夾片開口。其中拉伸力假設已知，夾片開口則可用材料力學中的單位載荷法和莫爾積分，將夾片結構等效成帶彎折的桿件模型計算求得。由于模型必須考慮結構的幾何非線性，因此計算得到的剛度仍十分復雜，且受夾片厚度、原始夾角等參數影響較大，難以獲得精確的剛度值。若實際工程中僅需得到平均等效剛度值，觀察胡克定律的本質，可以用材料力學實驗中常見的萬能試驗機拉伸該夾片彈簧，得到拉伸力-位移曲線后再線性擬合，根據直線斜率確定平均等效剛度。該思想就是常見的工程簡化計算思維，教師在教學過程中可以結合該實例進行深入講解，甚至可用于后面所講的實踐教學設計。

3 ?實踐教學設計

材料力學的實踐教學一直被視為理論課程后的附屬，得不到應有的重視，教學體系、模式和內容的安排上也存在不盡合理的地方[5]。例如實驗儀器設備數量少、更新慢，性能極為落后;實驗大綱程式化、教條化、束縛性強;等等。學生往往是稀里糊涂做實驗，抄襲照搬完成實驗報告，加上大多數實驗都是對教材上基礎理論的驗證，完全談不上對工程思維的培養。當前世界科學技術的發展日新月異，材料力學的實踐教學改革已經刻不容緩。

首先要改革的是實踐教學的觀念更新，確定以創新教育和工程思維培養為核心的實踐教學思想，切實改變重知識、輕能力，重課堂理論知識傳授、輕工程思維拓展的舊思想。其次是實踐教學內容的改革，添加更新具有時代特色典型工程應用的實踐教學內容，若存在課時矛盾，可通過設計必修和選修實驗、課程與課后實踐解決。最后是根據具體實踐教學內容設計科學的教學方法，并合理利用資源更新儀器設備或提高利用率，在軟、硬件上滿足實踐教學的基本需求。同樣以金屬票夾為例，若將其置于拉伸試驗機，多次拉伸取平均后得到的拉伸試驗結果幾乎是一條斜率恒定的直線，即在工程上僅估算其平均等效剛度是合理的，此時通過線性擬合求得的直線斜率即為金屬票夾的等效剛度。該實例很好地將材料力學理論知識和具體工程實例結合在了一起。

4 ?結語

布魯納說過：“認知是一個過程，而不是一個結果。”因此，高等課程教學，不是教學生把結果記下來，而是教他知識建立的過程。我國大學工科畢業生數量約為美國的4倍，德國的10倍，但我國工程師人均創造GDP僅為美國、德國的1/10。原因之一就是我國高等教育在培養學生的工程思維上存在突出的問題，絕大多數工程師“上手快”，卻“后勁不足”，缺乏工程創新意識。在力學基礎課程教育過程中，注重培養學生的工程思維，可極大地激發學生學習興趣，引導學生自主思考，顯著提高教學質量。這對工科類學生們從根本上理解、學習、應用知識，最終培養工程創新思維是非常重要的。

參考文獻

[1] 朱高峰.工程教育中的幾個理念問題[J].高等工程教育研究，2011（1）：1-5.

[2] 伍春洪，劉蘊絡，尤佳.電子技術課程與工程思維能力培養[J].電氣電子教學學報，2017，39（2）：48-50.

[3] 劉廣彥.基礎力學課程全英文教學實踐與探索[J].科技創新導報，2016（30）：127-129.

[4] 周余輝.力學史知識在材料力學教學中的結合與實踐[J].現代職業教育，2018（1）：100.

[5] 楊創戰，劉杰，王康.材料力學實驗教學改革的思維與探討[J].科教文匯，2009（7）：188.