材料力學課堂“新““舊“概念對接教學探討

張克明 鄭佩 焦古月 張振亞

摘 ?要：理論力學和材料力學是高等工程類專業技術基礎課程，在機械、土木和力學等工科專業中的作用和地位不容忽視。材料力學作為理論力學的后續課程，課程內容繁雜且抽象而課時卻在不斷減少。文章結合自身教學實踐和體會，借助理論力學中的基本概念，探討了材料力學課堂教學中的“新”概念與理論力學的“舊”概念的對接關系，基于此引導學生通過概念建立力學模型，提高課堂的教學品質和學習效果。從“新”“舊”概念對接出發，培養學生靈活運用理論力學和材料力學“新”“舊”知識解決實際問題的能力，進而從理論分析逐步向工程實際過渡，提高學生的工程師職業素質。

關鍵詞：材料力學;理論力學;基本概念;工程實際

中圖分類號：G642 ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）22-0126-06

Abstract： Theoretical mechanics and material mechanics are basic technical courses for advanced engineering specialties， and their roles and positions in engineering majors such as machinery， civil engineering and mechanics cannot be ignored. As a follow-up course of theoretical mechanics， material mechanics， although the course content is complex and abstract， the class hours are constantly decreasing. This article combined with its own teaching practice and experience， with the help of the basic concepts in theoretical mechanics， discussed the "new" concept in the classroom teaching of materials mechanics The docking relationship with the "old" concept of theoretical mechanics is based on guiding students to build a mechanics model through the concept to improve classroom teaching quality and learning effect. Starting from the docking of the concepts of "new" and "old"， students will be able to flexibly use the "new" and "old" knowledge of theoretical mechanics and material mechanics to solve practical problems， and then gradually transition from theoretical analysis to engineering practice to improve the quality of students' engineers.

Keywords： material mechanics; theoretical mechanics; basic concepts; engineering practice

一、 存在的問題

理論力學和材料力學作為最重要的兩門力學類專業技術基礎課，理解其中的概念是很重要的，掌握概念之間的聯系就更為重要。特別是，理論力學研究對象一般不是實際具體的物體，而是簡化模型（例如航天器、大型儲罐等簡化為多體動力學模型），包括質點、質點系和剛體，實際上它們都是不存在的;任何構件在外力作用下都會產生變形，或大或小，并在外力增加到一定程度時還可能發生破壞。而材料力學[1-2]是本科學習階段第一門與工程實際聯系比較緊密的學科，理論力學[3-4]的概念是如何應用到材料力學上的呢？或者材料力學如何借助理論力學的知識使學習得到更大的提升呢？理論力學的概念是否全部可以繼承和使用呢？下面本文將從基本概念出發進行前修課程與后續課程的對接分析。

材料力學和理論力學的研究對象差別大。在理論力學課程中，主要的一部分學習內容是計算構件所受外力的基本方法，在分析研究時通常把構件看成是不發生變形的剛性物體（剛體）。引入剛體概念讓我們忽視了很多細節。在一般情況下，理論力學的剛體假設有利于我們對力學理論的理解。材料力學可以認為是同樣的理論知識在實際工程中的具體分析過程[5-6]。在現實的工程中根本沒有理想化的剛體，無論多么硬的材料遇到力的作用都會產生形變，但形變很小，甚至無法用肉眼來分辨，材料力學就是研究工程實際中的材料，研究物體受力時的形變以及特性的一門學科。如何實現剛體到變形體概念上的無縫對接，在材料力學學習乃至后續力學課程中都是很重要的。

材料力學和理論力學的分析方法有很多不同[7-8]。理論力學是一門理論物理課程，其特點是理論體系和思維方法嚴密、系統性強，題目類型各異，解題方法比較靈活，比其他力學課抽象、復雜。材料力學是工程技術基礎課，實踐性較強，是以數學、物理、理論力學為基礎的課程。在理論力學中，對剛體進行受力分析，一般是從對剛體的外力分析入手，先從整體再到局部，從而將物體的整體受力情況以及未知量求出。只需要將外力分析清楚，根據公式即可解答一些問題。在材料力學中，常常需要考慮受力材料的特性，其更注重受力物體的內力分析，內外力的結合分析等。更重要的一點不同之處是，材料力學還注重物體受力后的形變，這是為了讓我們掌握材料的特性，以便在工程建筑中選取更好的材料。通常還借助了剪力圖、彎矩圖等圖表來分析加強我們對材料的受力情況的理解。截面法的運用以及內力正負號規定和設正法都是很好的受力分析方法。理論力學的“舊”分析方法如何在材料力學中得到應用推廣呢？它是如何被引向解決工程實際“新”問題的，這是在課堂講解時需重點指出的問題。