《材料力學》課程的教學改革與探索

文/李瓊

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《材料力學》課程的教學改革與探索

文/李瓊

摘要:材料力學是機械，土木和建筑等專業的重要專業基礎課，也是很多專業課的預備課程。本文探討了材料力學課程教學中的常見問題，并提出了改進辦法。

關鍵詞:材料力學;力學現象;物理過程;教學改革

一、材料力學課程的特點

材料力學是研究結構的安全性和可靠性的一門學科，該課程是機械，土木和建筑等專業的重要專業基礎課，是機械原理、土木和建筑結構等專業課的預備課程，也是進行課程設計和畢業設計的必修課程。它研究外力作用下物體內部微觀的響應，即應力及應變的分布規律，該課程同時考察由材料的微觀點陣結構所決定的材料力學性能，即能材料的應力與應變之間關系及應力與應變的極限。該課程內容繁雜，對本科生來說比較抽象，是專業基礎課里面比較難的一門課，課堂上能感到相當一部分同學思路無法跟上，每次考試掛科人數眾多，甚至有些學生重修都無法通過。本文基于材料力學的教學實踐來探討該課程教授過程中發現的問題，并提出改進方案。

二、材料力學課程教學中的問題探討

1．概念理解不透。有些學生對材料力學中標志性的概念，如應力與應變，理解不透。不理解這些概念，就無從理解材料力學的其他內容。

2．知識點又多又雜。例如每種基本變形對應不同的內力分析，應力及應變計算方法;基本變形的強度條件，復雜應力狀態的強度理論等，都非常繁雜。

3．公式多且難記憶。經常聽到學生抱怨，材料力學里面要記各種計算的公式、復雜應力狀態分析的公式等，公式很多也復雜。

4．做題無法下手，思路不清。有些學生概念和公式都掌握了，但是面對習題或試題，感覺束手無策。

5．表達不規范。學生作業和考試中出現表達不規范的問題，尤其是受力分析圖、變形協調圖等重要分析圖都給省略了。

三、如何改進該課程的教學

1．針對概念難懂的問題:本人認為，教師講述概念應循序漸進，逐步引導。一方面，教師可以試著從對實驗現象的觀察和分析入手來引入概念，這樣就很生動，學生也不會覺得生疏。這一點在力學大師們的教材中體現得淋漓盡致。例如，前蘇聯力學大師鐵木辛科編寫了材料力學，彈性力學，等一系列力學教材，該系列教材寫得深入淺出，每一概念和公式都由對實驗現象的觀察入手，讓人覺得水到渠成。教師平時可以多讀大師們寫的教材來開闊思維和眼界;另一方面，教師對概念的講解不應局限在字面上的意思，而要結合該學科研究的內容和待解決的問題來引入。例如，對應力這一重要概念的講解，聯系到材料力學是研究的內容是:結構在外力作用下內部會產生變形，變形會導致內力的產生，內力又會導致應力;每種材料能承受的應力是有極限的。于是當由外力產生的應力大于材料能承受的極限應力，結構就會發生破壞。材料力學的本質就是通過比較由外力產生的應力與材料能承受的極限應力之間的大小，來判斷結構是否會發生破壞。應力就是為解決以上問題而產生的。相信如果像這樣，從該學科所針對的研究內容的角度來介紹概念，學生理解起來會容易得多。

2．針對知識點太多太雜的問題:教師可以引導學生通過對知識點進行總結和歸納來提取出該學科的線索和框架，然后根據提取物對知識點進行歸類。這樣就能將零散的知識點串起來，使其繁而不雜。這就比如一個衣櫥，要裝很多衣服。如果首先將衣服歸類，然后合理布置，將衣物規劃好，這樣衣柜就不會顯得亂，而且我們找起衣服來也豪不費事。反之則衣柜會凌亂無章，找起衣服則會費事費力。知識也是一樣，任何一門學科都有它的框架，需要將知識進行梳理，理出知識的框架和線索，將知識點分類，它們被有機地串起來了，這樣用的時候就可以輕而易舉地根據線索將所需知識點取出來。材料力學這門課的基本線索是:先是討論用傳統的力學分析方法解決強度問題:即由對拉伸，扭轉和彎曲這幾個基本變形的分析入手，對每一基本變形，都按照由外力到內力，由內力到應力和應變的步驟進行分析，然后根據強度條件來判斷結構的安全性;基本變形介紹完后，介紹了復雜應力狀態的分析方法，以及其強度條件的建立，以分析組合變形的安全性。簡要討論穩定性等問題，如壓桿穩定。介紹利用不同于傳統力學分析方法——能量法來求解位移等問題。在理出了基本線索后，就可以把知識點定位并理順，這樣知識點就不會顯得雜亂了。

3．針對公式生疏難記的問題:一般每一個公式都是針對一個具體力學現象或物理過程，如果能好好分析，理解公式就不難了。比如，軸向拉伸公式:伸長量= (外力×桿長) / (彈性模量×橫截面積)。這個公式是針對桿件拉伸這一物理過程，教師如果能通過實驗，讓學生觀察和分析桿件拉升過程，桿件的伸長量受那些因素影響，以及外力，桿長等因素分別怎樣影響伸長量。當學生了解這一物理過程，就不會覺得公式難以理解。

4．針對做題無法下手或思路不清的問題:這種情況是掌握了知識，但不會分析解決。解材料力學等工科習題，首先要分析該題涉及什么樣的物理過程以確定解題思路，然后分析該物理過程與哪些知識有關，以選擇合適的方法來解題。所以，分析物理過程是關鍵，物理過程把握準確了，解題思路才清晰，也才能選擇正確的方法。

5．針對表達不規范的問題:教師上課是應反復強調，材料力學是一門力學課程，受力分析圖，變形圖這些步驟是不可以省略的，否則無法體現思路。

四、總結

綜上所述，要學好材料力學或其他工程類的專業基礎課或者專業課:要明確該學科所研究的現象和所要解決的問題;要理出該課程的框架和線索;做題時，先要分析該題描述的物理現象和過程;要掌握該學科的基本分析方法;要表達規范。

(作者單位:華僑大學機電及自動化學院)

作者簡介:李瓊( 1977－)，女，漢族，湖北荊州人，博士，講師，研究方向:應用力學。

中圖分類號:G641

文獻標志碼:A

文章編號:2095－9214 ( 2015) 08－0086－01