探索材料力學的趣味性

王路珍，孔海陵，佘 斌，劉根林，蔡中兵

（鹽城工學院 土木工程學院，江蘇 鹽城 224051）

一、趣味是學習的原動力

趣味性，就是使學生感到愉快，能引起學生學習的興趣。孔子說：“知之者不如好之者，好之者不如樂之者。”愛因斯坦說：“興趣是最好的老師。”美國教育家布魯諾說：“學習的最大動力乃是對所學材料的興趣。”我國數學大師陳省身因為覺得數學“好玩”，所以把數學當作自己終生的事業。學習一門課程需要趣味性，學生由被動學習變成主動學習的關鍵之一是提高學習的趣味性。本文旨在探索材料力學的趣味性，增加學生學習興趣，提高教學效果。

二、如何培養學生對材料力學的興趣

材料力學作為一門承前（理論力學）啟后（結構力學、彈性力學等）的工科專業基礎課程，對工科專業的學生來說十分重要。如何讓學生感到材料力學的學習具有趣味性，而不覺得這門古老的課程單調枯燥，就成為材料力學教師的責任之一。能夠全面、準確地講解教材內容，既不遺漏也不講錯，是對教師的基本要求。在此基礎上能夠讓學生愛上這門課，才是教師真正的責任。教師要挖掘課程的趣味性，講解內容應該不限于教材內容，而是緊緊圍繞書中知識，利用身邊實物作為問題的起源，采用人物事件作為問題分析的旁證，引用工程實例作為理論問題的工程應用。尤其是工科專業學生的教學，課堂絕不能成為公式和符號的“表演專場”，而應該是妙趣橫生的能夠解決實際問題的“演練場”。在材料力學教學中，首先，教師應注意挖掘課程本身的趣味性，在教學中有意識地闡述和利用這種趣味性；其次，教師平時搜集和積累一些古今中外與材料力學有關的趣聞和事例，在講完基本理論后，適時聯系這些既生動又貼近生活和工程的實例，來激發學生對所學基本理論的學習興趣，提高學習效果；當然，還可以選擇那些在材料力學發展過程中作出過顯著貢獻的人物的生平事跡進行引申，這對學生掌握基本概念、理解基本原理、分析研究方法都能起到良好的效果，也激發、調動了學生學習的積極性。

三、材料力學的趣味性舉例

材料力學經過幾百年的發展，已經成為一門很成熟的學科。而材料力學的教學卻有待發展。教學過程中師生之間總是存在著矛盾，即教師認為很淺顯的概念、公式，學生卻認為概念多、公式復雜，不易于學習和掌握。究其原因，一方面，教師所傳授的知識點一概平鋪直敘；另一方面，學生學習也很被動，他們早已習慣了“老師講什么聽什么”，不講的不看，更別說主動思考、總結了。鑒于上述現象，提高課堂的教學質量，提高學生的學習興趣，就顯得尤為重要。下面是作者在材料力學教學過程中，經參閱資料和自己實踐后總結的關于材料力學的趣味性教學經驗，從三方面淺談：

1.課程趣味性。彎扭組合變形時常常運用第三強度理論或者第四強度理論來進行強度校核，其相當應力不管是淆、記錯。但只要掌握這樣一個有趣的乘積表達式，相當應力的下標值與切應力τ或T扭矩的系數乘積正好相等，即3×4=4×3或3×1=4×0.75，記住兩組公式就顯得輕松多了。莫爾應力圓與單元體的對應關系，再加上主應力的概念等，這些一直是教學中的難點，教師在講解概念的同時，可以這樣形象描述：“切應力跟著正應力默默地行走在莫爾應力圓上。切應力有個地方千萬不能去，但那卻是正應力的理想之地——主平面。在那個地方，切應力感覺乏力好想睡覺，正應力卻驚喜若狂、興奮不已，因為他看到自己很高大，當正應力回頭安慰切應力時，卻發現切應力不見了，自己搖身一變成為主應力。在這個地方，主應力既沒了切應力的陪伴，也看不到互相垂直的其他兩個主應力，感覺孤獨無助，還不時成為強度理論的焦點，很不習慣。于是決定離開主平面，才邁出一小步，就發現切應力出現在自己身旁，羞答答地跟著正應力，還說我剛成一個應力，請多多關照，不要帶我去主平面，在那里我會變為零”。風趣幽默的語言、形象生動的故事，揭示了正應力、切應力和主應力的聯系與區別，學生學得也輕松。

2.實例教學。實例一：清代畫家鄭板橋的題畫詩“咬定青山不放松，立根原在破巖中。千磨萬擊還堅勁，任爾東西南北風。”雖是一首詠物詩，但是詩中卻包涵著深刻的力學原理。貝聿銘先生的“仿竹杰作”香港中國銀行大廈就是得益于竹子的啟示，雖然大廈高度達三百多米，而且還是在香港這樣的海邊多風城市建造，設計模型像竹子一樣，“嘴尖皮厚腹中空”，截面采用中空型，既節約材料又減輕自重，在相同面積下，截面越高，對結構的強度和剛度越有利，由于結構整體是下粗上細，按高度一節一節變細，使每一節的最大應力都相等，充分發揮材料的作用，是最合理的階梯形等強度管狀結構。可見建筑師也是煞費苦心，深刻理解到建筑中的力學與自然界中的力學是有機融合的。實例二：“泰坦尼克號”沉船時，船殼受到冰山的擠壓，殼體鋼板間的鉚釘連接件受到過大的剪切應力被折斷，船的右舷鋼板有一個長91.5米的裂口。當然這與當時船速較快有關，但與制船的材料的力學性能也有關。調查發現，不管是船舷鋼板還是船上鉚釘，其力學性能實驗數據都是在室溫下做的，船行駛在北大西洋的冰海中，溫度遠遠低于室溫，鋼材在常溫下表現為塑性，隨著溫度的降低塑性降低，在低溫下會變脆，在極低的溫度下甚至像陶瓷那樣經不起沖擊和震動。因此，不管是鉚釘還是鋼板在低溫下的破壞應力遠低于室溫下的破壞應力，導致船發生脆斷事故，沉入海底。當然，與材料力學相關的生活和工程實例舉不勝舉，它已經滲透到人們衣食住行的方方面面。教師講課時，從身邊的力學問題談起，學生學習力學知識的動力和興趣也會倍增。

3.人物勵志。伽利略（1564～1642）對力學的思想、理論、實驗和應用發展做出了極大貢獻，他在研究中引入了“力學模型”的思想。伽利略以實驗研究為重點，從實驗中來到實踐中去，從身邊熟悉的現象中分析得出精彩的結論。材料力學的教學中反復印證著這樣一種研究方法，即實驗現象觀察—假說提出—理論分析—實踐檢驗。比如講解合理截面形狀與強度、剛度的知識點時，可以用田野中的麥稈為什么是空心的作為引例。其實，大自然中的空心結構同樣引起了伽利略極大的興趣，“一根麥稈所負載的麥穗較整個麥稈要重得多，如果麥稈是用同樣多的材料做成實心形狀，那么將降低其抗彎和抗斷裂的能力”。帶著對身邊這些熟悉的現象的懸疑展開材料力學的學習，引起學生的好奇心，會增加學生對材料力學的學習興趣。科學家對未知事物的執著追求，是每一個求知者的榜樣，而將這樣的人物生平事跡貫穿在教學過程中，無疑既激勵著學生的學習意志，又激發著學生的學習興趣，也增加了課程本身的趣味性。當然，與材料力學課程相關的人物還有很多，如圣維南、歐拉等，課堂上講授人物生平事跡，既增加課程的趣味性，提高學生的學習興趣，又能培養學生對科學的探索和追求精神。

針對目前材料力學教學過程中學生學習興趣匱乏的現象，本文從三個方面探索了材料力學教學過程中的趣味性：通過課程本身的趣味性，使呆板的知識變得生動；引入貼近生活和工程的實例，從身邊的力學問題談起，增加學生學習力學知識的動力和興趣；引入力學人物的生平事跡，激勵和鼓舞學生，培養學生對科學的探索和追求精神。通過增強課堂教學的趣味性，增加學生對材料力學課程的興趣，提高了教學效果。

[1]葉志明.略談一名基礎力學課程教師的基本功[J].力學與實踐，2005，27（3）：75～76.

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[5]《身邊的力學》編寫組.身邊的力學[M].北京：中國出版集團，世界圖書出版公司，2010.

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