材料力學教改思考

鄭佩

摘 要 材料力學是工科類專業的一門重要技術基礎課。本文從培養目標、教學內容、教學手段三方面出發對材料力學課程的教學改革進行了初步的探討和思考，以期能夠在今后的教學實踐中培養出適合國家需要的多層次、多類別專業人才。

關鍵詞 材料力學 教學內容 改革

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.02.051

Abstract Material mechanics is an important technical basic course for engineering majors. This paper from the training objectives， teaching contents and teaching methods in three aspects of material mechanics course teaching reform is discussed and thinking， with a view to teaching practice in the future development for the country needs multi-level， multi class professionals.

Keywords materials mechanics； teaching content； reform

材料力學是工科類專業的一門重要技術基礎課，對航空航天類、土建類、機械類各專業顯得尤其重要。材料力學課程的任務是為解決工程實際問題（強度、剛度、穩定性）提供必要的理論基礎。隨著材料制造工藝的飛速發展及計算機技術的日益普及，傳統的材料力學課程在教學方法和內容上需要改革調整。本文以下結合筆者所在高校的教學實踐活動，對今后材料力學課程的改革進行了初步的探討和思考，以期能夠在新的歷史時期下，培養出國家所需要的多層次、多類別的專業人才。

1 進一步明確培養人才的目標

目前，中國正處于快速發展階段，急需大量的各行業人才，而培養人才的重任便落在各種高校身上。中國有幾百所工科大學，但每所高校培養人才的方式不一樣，其中絕大多數高校是以培養應用型人才為主，少數高校是以培養研究性人才為主。以培養應用型人才為主要目標的高校，學生畢業后絕大多數都流入了生產型企業，他們主要從事相關產品的研發和設計工作，是產品生產過程中的中堅力量。而以培養研究型人才為主要目標的高校，學生畢業后有相當一部分會流入研究所和設計研究院，主要從事以技術創新為主的研究和深度研發工作，是產品研發階段的創新型人才。培養技術應用型人才的高校，應側重教會學生如何“用”的問題。而對于培養研究性人才的高校，更為重要的是告訴學生“為什么是這樣”的問題。所以，首先應該根據學校自身的定位，明確學生的培養目標，從而合理組織教學內容。其次，應根據不同的專業設置來明確教學內容。

材料力學是力學、航空、航天、機械、動力、土木、水利等專業的一門重要專業基礎科，而且是一門理論性很強的學科，其包含的公式，定理，思維方式，建模思路等對于各行業的產品研發，創新發展，優化問題等方面起到很大幫助作用。不同專業對材料力學課程所要求的深度、廣度和側重點有所不同。所以，必須根據不同的專業設置，來安排和組織教學。在但無論培養什么樣的學生和什么專業的學生，都應注重學生分析問題的能力和解決問題能力的培養，另外也應注重學生的創新能力的培養。

2 教材內容與時俱進

傳統的材料力學課程主要以宏觀尺度的一維桿件為研究對象，在教學內容上先安排講授桿件的四種基本變形形式及對應的強、剛度問題，在此之后講授組合變形并通過引入應力狀態的概念引出組合變形模式下的強度問題，最后安排講授壓桿的穩定性問題。以上講授內容，自上世紀八十年代中后期就已經成型，到30年后的今天仍然是材料力學的核心講授內容。這樣的教學方式和考查形式著重培養學生學習材料力學中的定理，理論和研究方法，然后解決一些傳統的問題，然而這并不利于培養學生的創新能力，與我國快速發展的現狀越來越不適應。因此，使教材內容適應國家發展是很重要的。

隨著科學技術的不斷發展，材料制造工藝水平的不斷提高及新材料的不斷涌現，對材料力學這門“成熟”的課程提出了全新的力學問題。如何在傳統的材料力學課程中適度、適時地反映這些全新的課題和進展是十分必要的。特別是近年來有限元思想的快速發展，這對材料力學的學習和教學有了很大影響，在研究工程變形和靜定結構的基本變形中，有限元思想更是突出了它的便利之處。另外，隨著新的交叉學科的不斷涌現，傳統材料力學中的一些結論和分析方法，也已在其他一些學科中得到了具體應用。但是，這種全新的應用并沒有在傳統的材料力學課程中得到體現。因此，在當前學科交叉日益密集的趨勢下，如何對傳統的材料力學內容進行安排和重組，以反映這種學科間的交叉和滲透也是十分必要的。

傳統的材料力學內容已不能滿足現代工程技術的發展，這并不是說要舍棄那些傳統內容，而是要保留核心內容，并加入一些新的思維方法，重組教學內容，優化課程體系，以達到完善教材，適應時代發展的效果。這不僅可以激發學生的學習積極性，還可以提高學生的創新能力，提高學生解決問題的能力，并有利于高校培養專業的人才，滿足國家的需求。因此，教學內容與時俱進勢在必行。

3 完善教學手段

目前，隨著計算機技術的飛速發展，利用計算機的計算能力來解決實際工程問題以成為當前的一種主流趨勢。計算機的普遍使用，也為材料力學課程教學方法提供了很大發展空間，老師應該利用學生對計算機的興趣，合理使用計算機輔助教學，不僅可以提高信息的輸送和表達，而且還能激發學生的學習熱情和創造性。另外，利用多媒體教學，還能加深學生對材料力學基本概念的理解，相應的提高了學生解決問題的能力，計算機教學方式是傳統教學手段的有力補充。還有一些大型的商業有限元軟件，尤其是ANSYS軟件早已被用來進行結構的強度計算。很多工科院校也已經將ANSYS作為本科生或研究生的一門必修課程，通常都安排在材料力學課程之后學習。但是，在講授材料力學的過程中，也應該充分利用ANSYS直觀形象的圖形顯示能力和強大的計算分析優勢，來演示材料力學課程中的一些重要結論和驗證一些主要假設的合理性問題。舉例來說，在學習梁的彎曲變形時，采取了平截面假設，也就是說當梁發生彎曲變形的時候，變形前原為平面的梁的橫截面變形后任保持為平面，且仍然垂直于變形后的梁的軸線。①這一假設的實質是忽略了剪應力對梁彎曲變形的影響，而且僅對長高比較大的梁（ >5）近似成立。

在教學過程中，一般僅是定性的告訴學生這一結論。利用ANSYS軟件，通過不同的單元選擇，比如可以利用Timoshenko梁單元，二維實體單元和三維實體單元，具體形象地展示不同單元的數值結果，從而定量的告訴學生這一假設合理性及適用性的問題。此外，另外一款數學軟件Matlab也因其強大的分析和仿真功能，被廣泛地應用于研究及教學領域。事實上，Matlab也早已被列為本科生的一門選修課。國內一些高校也開展了Matlab和材料力學課程相結合的一些有益探索和嘗試，比如利用Matlab計算超靜定機構的支反力及繪制撓曲線的形狀等。②在材料力學課程中的把ANSYS，Matlab等仿真類軟件引入到材料力學課程教學中來，不僅可以激發學生的學習興趣，還可以加深學生對材料力學基本概念的理解，并有助于提高學生實際分析能力和解決問題能力的提高，為其將來更好更快地解決實際工程問題打下基礎。因此，在今后的材料力學教學中，應該加大ANSYS，Matlab等軟件的介紹，在更深的層次上和教學過程相結合。

在利用計算機輔助教學的同時，也應該注重加強學生進行材料力學試驗，材料力學是一門理論性較強的學科。學生在學習基本概念和理論后，并不能完全理解，這就需要進行材料力學試驗來加深學生對理論的理解，使理論與實踐相結合。從簡單的力學現象引出復雜的問題，通過理論的學習進而解決力學問題揭示力學原理，激發學生的學習熱情，通過看得見、摸得著的實驗可以加深學生對抽象概念的理解，提高學生的自主學習能力和創新能力。

最后，要完善教學課堂，老師在完成規定的教學內容后，應該不斷鼓勵學生樂于提出問題，并在課堂上解決，這不僅能激發學生的思考和發散思維，還能起到現學現用的作用，更能加深學生對基本概念的理解，提高學生解決問題的能力和創新能力。對于學有余力的學生，應該給他們一些力學問題，讓他們合作解決，最后在課堂教學之余舉行一個小競賽，促使學生獨立思考和鉆研。這種教學方式不僅增強了學生自己查閱文獻和書籍的能力，還提高他們的學習積極性，培養他們接受新知識、新思想的能力，在使學生獨立思考的同時，也讓學生意識到團隊合作的重要性，加強了學生發現問題、解決問題的能力。總之，材料力學這門課程雖然是理論性學科，但是從課程理論學習、教學方式、課堂實驗的創新等各個環節入手，并在各個過程中大膽創新，努力實踐，最終可以提高教學質量，促進學生學習，提高學生創新能力，使學校培養出高素質，復合型人才，滿足國家對工程性技術人才的需求。

4 結語

材料力學是工科類專業一門重要的技術基礎課程，筆者作為工科類材料力學課程的一線授課教師，對材料力學課程今后的教學改革方向提出了以上幾點思考和建議。為了培養出國家所需要的多層次、多類別的專業人才，在今后的教學工作中，只有明確了培養目標，不斷改進教學方法、與時俱進地更新教學內容，才能使學校培養出的學生肩負起時代所賦予的責任。

注釋

① 劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2004.

② 王繁生，蔣紅旗.Matlab 在材料力學教學中的應用[J].高等建筑教育，2009（18）：101-103.