材料力學課程知識體系調整研究與實踐

王明祿

摘 要 材料力學是高等工科院校工科專業的一門重要專業基礎課，隨著高等教育的不斷改革與發展，材料力學教學改革已變得非常必要。從材料力學課程知識體系調整的角度出發，分析傳統課程體系存在的若干問題及改革的必要性，提出相應的調整措施，分析新課程體系的優點，并在實際教學過程中加以實踐，教學效果非常明顯。

關鍵詞 材料力學；知識體系；實驗；教學改革

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）22-0090-03

Research and Practice on Adjustment of Material Mechanics Course Knowledge System//WANG Minglu

Abstract Materials mechanics is an important professional basic course of engineering majors in technological university. Teaching reform of materials mechanics has become a necessity with the con-

tinuous reform and development of higher education. This paper starts from the perspective of the material mechanics course know-ledge system， Several problems in the traditional course system and the necessity of reform are analyzed. The corresponding adjustment measures were put forward. The advantages of the new curriculum system are analyzed and applied it in practice. The practice proves that the teaching effect is very good.

Key words materials mechanics； knowledge system； experiment； teaching reform

1 前言

材料力學是高等工科院校機械、土木及材料等專業一門重要的專業基礎課，對于后續課程的學習和專業知識結構框架的構建起著至關重要的作用[1]。通過學習材料力學，可以使學生掌握研究構件強度、剛度和穩定性的基本原理和方法，培養學生掌握將實際工程問題轉化為力學模型的方法，為后續專業課程的學習、工程問題的解決及科學研究打下良好的基礎[2]。

為了適應經濟和社會發展的需要，許多高等院校對課程設置及學時分配做了重大調整，材料力學的授課學時因此受到大幅削減。在材料力學基本教學內容基本無法減少的情況下，為了在有限的時間內完成教學計劃所規定的內容，傳統的材料力學教學體系的調整與改革已經變得刻不容緩。筆者從材料力學課程知識體系調整的角度出發，分析傳統課程體系存在的若干問題及改革的必要性，并且提出相應的調整措施，分析新課程體系的優點，在實際教學過程中加以實踐，教學效果非常明顯。

2 現行材料力學課程體系存在的問題

現行材料力學課程體系主要存在兩個方面的問題：一是材料力學授課學時的削減已無法保質保量地完成傳統知識體系中的教學內容；二是傳統的材料力學知識體系已經跟不上高等教育不斷改革與發展的需求。

授課學時不斷被削減 近年來，隨著高等院校教學計劃的調整，與其他專業基礎課一樣，材料力學的授課學時被大幅削減。以齊魯工業大學機械制造及其自動化專業為例，材料力學最初的授課學時是72學時，而現在為56學時，還有些專業（如過程裝備工程等）則減少到48學時。但是為了后續課程的學習和滿足學生考研的需求，材料力學的基本教學內容無法進行刪減[3]。材料力學的教學內容主要包括四種基本變形、強度理論、組合變形、壓桿穩定、動載荷、能量法和超靜定問題等，覆蓋的知識點較多，內容的邏輯性較強，這就要求學生在學習過程中必須做到溫故知新，否則就會比較吃力。但是，由于課時較緊，部分學生學習主動性不高，或者偶爾曠課，造成個別內容沒有及時理解，就會對后續內容的學習造成障礙，最后導致學生喪失對材料力學的學習興趣。

傳統的知識體系知識點重復太多 目前，大多數材料力學教材的內容體系仍延續蘇聯的鐵木辛柯體系，即以拉壓、剪切、扭轉和彎曲這四種基本變形為主線，講述構件的強度和剛度問題，進而講述復雜應力狀態下構件的強度問題（即應力應變理論和組合變形）及壓桿的穩定性問題，最后講述能量法和超靜定問題。材料力學傳統知識體系在講述四種基本變形時均采用了相同的知識結構體系，即通過構件所受外力利用截面法求出內力，然后利用“三關系法”（即變形幾何關系、應力應變關系、靜力學關系）推導應力計算公式進而解決強度問題，通過應力應變關系即本構方程推導變形計算公式進而解決剛度問題。這種以構件的四種基本變形為主線的知識結構體系，雖然理論講解很詳細，但是公式推導過程和重復點過多；盡管看似分類清晰，但是學時花費量太大；教師難以對教學過程加以創新，很難抓住學生的學習興趣，故而學習效果不佳。

另外，對于材料力學中的超靜定問題，一般教材中分別分布在四個章節中，即拉壓超靜定問題、扭轉超靜定問題、彎曲超靜定問題和正則方程解決超靜定問題。這幾種超靜定問題的解題思路是基本相同的，即平衡方程個數不足，幾何方程加以補充，物理方程聯系平衡方程和幾何方程得以求解。用力法求解超靜定結構時，其正則方程的實質同樣是幾何方程。但是上述幾個問題分布在不同章節中，教學內容重復太多，造成學時花費量大，不利于學生的理解和學習。endprint

由此可見，現行的這套教學知識體系已經不適應教學發展，對材料力學課程知識體系進行必要調整勢在必行。

3 材料力學知識體系調整方案

一般到特殊的內容體系 對于材料力學的基本概念和基本定理，考慮從一般問題出發，將復雜載荷作用下構件的六個內力分量（即一個軸力、兩個剪力、兩個彎矩、一個扭矩）全部推出，并分析這幾個內力所產生的變形的不同，以及這幾個內力組合作用時所產生的復雜變形。這樣的知識點安排既能做到承前啟后，又利于學生理解和掌握。同時，在講授四種基本變形形式之前，可以先引入應力應變狀態分析的內容，使學生從一開始就對構件的變形問題建立起一個更加全面而深刻的理解和掌握。這樣，學生可以從一個較高的認識起點出發，進一步推導、分析和解決四種具體的變形的強度和剛度問題，對知識的理解更加透徹，掌握更加牢固。

專題方式分析解決材料力學問題 從方法論的角度出發，將材料力學的主要知識內容分解成若干專題進行講解，在具體教學過程中分析總結同一類問題的特點與規律，著重培養學生從工程實際中發現問題、分析問題和解決問題的能力。此方法的基本做法：在新知識體系的前半部分，將材料力學四種基本變形的內力、應力及變形分成若干專題內容組織講述。

1）內力及內力圖專題：集中講解桿件在不同外力作用下所產生的各種簡單變形的內力（即軸向拉壓的軸力、剪切變形的剪力、圓軸扭轉的扭矩、直梁彎曲的剪力和彎矩）；求解構件內力的基本方法（截面法），以及在此基礎上總結形成的求不同變形內力的簡便方法；最后分別講解不同變形內力圖的畫法（內力方程描點作圖法、微分關系快速作圖法、疊加原理作圖法），同時總結出不同變形內力圖的簡便畫法。

2）應力及強度條件專題：集中講解桿件四種變形情況下橫截面上應力計算公式的推導、應力分布規律及構件強度條件的建立與應用。對于每一種變形，這些問題的解決過程非常相似，可對后出現的相似內容進行簡略講解，既利于學生接受，又可大大節省授課學時。

3）變形及剛度條件專題：集中講解外力作用下，桿件四種變形情況的變形計算公式推導和構件剛度條件的建立及應用。同樣，對于每一種變形，這些問題的解決過程非常相似，可對后出現的相似內容進行簡略講解。

新知識體系的后半部分為知識加深或補充的內容，具體包括組合變形專題、壓桿穩定校核專題、疲勞強度計算專題、能量法專題、超靜定專題、現代材料力學的發展趨勢等，在實際教學中根據專業要求的不同，進行選擇性開設。

實驗課與理論課的銜接問題 實驗在材料力學課程知識體系中占有非常重要的地位。在材料力學教學中，實驗內容包括軸向拉壓實驗、圓軸扭轉實驗、直梁彎曲實驗和組合變形實驗，每個實驗兩學時。現在一般做法是先講理論后實驗，在當前高校普遍擴招的大環境下，實驗室資源就變得相對緊張，較多班級排隊進行實驗，且同組進行實驗的學生數較多，這樣引起的后果不言而喻。

可將實驗課安排在相應知識點與實驗現象之間進行，引導學生主動分析實驗內容的相關原理和探索實驗結果發生的本質原因，最終達到實現研究性教學的目的。如對于圓軸扭轉實驗，可在講述扭轉應力應變規律后立即實驗，然后講述材料扭轉力學性能。這樣既能激發學生的探索欲望，又利于后續理論知識的學習。

4 材料力學新知識體系的優點

結構清晰，易于理解和掌握 由一般到特殊的材料力學新知識體系，使教學內容變得簡潔而又脈絡清晰，易于教師講解和學生接受。在特殊的材料力學問題中，以內力計算為例，先講解最一般外力情況下構件橫截面上的六種內力，再分別講解特殊外力作用下的內力（即軸向拉壓時的軸力、剪切時的剪力、圓軸扭轉時的扭矩、直梁彎曲時的剪力和彎矩），使學生對構件的幾種變形產生整體的了解和掌握，再講其應力和變形時，學生的聽講目標就會非常明確，對于知識點的理解和掌握就會變得非常容易，進而激發學生的學習主動性[4]。

這種從一般到特殊的知識體系，有利于教師全面準確地闡述材料力學的基本概念和基本定理，使學生對材料力學基本理論的理解、掌握和應用更加簡單。這種知識體系使學生用全新的思路去理解材料力學的基本概念和基本定理，從整體上對知識點進行理解和把握，從具體而片面的理解提高到一般而全面的掌握。學生在應用力學知識解決實際工程問題時，可有效避免因對基本概念和理論的實質認知局限性而產生的分析障礙與理解錯誤。對于教師而言，在知識體系的順序安排及講解上提高了起點，能夠充分利用學生前續課程中掌握的內容，使理論敘述簡明而利于學生接受、推導嚴謹而利于學生信服。同時，這種新的知識體系有利于培養學生用所學知識來解決工程實際問題的能力[5]。

利于學生理解掌握和創造性思維的培養 新的材料力學知識體系有利于教師對重要知識點進行展開講述，并且對學生創造性思維的培養是十分有利的。如在講述拉壓正應力公式的推導時，由于該變形的公式較其他變形相對簡單，可潛引默化地引入所謂的“三關系法”。當學生對該法有一定的了解和掌握后，進一步要求學生利用該方法自行推導扭轉應力公式和彎曲正應力公式，利用自己推導出來的公式解決相應的扭轉強度問題和彎曲強度問題，可謂一舉多得。采用新的材料力學知識體系授課，教師可以培養學生舉一反三的學習能力，引導學生積極創新，使學生的思維空間得到充分發展和創新，培養分析問題和解決問題的能力。

利于學生職業素養和科研素養的培養 目前，許多學校要求將科研融入課堂，因此可充分利用調整材料力學知識體系的機會，將一些前沿性的知識點融入教材中。新的材料力學知識體系及教師相關的科研成果適當引入新的知識點，有利于開闊學生視野。新的材料力學知識體系通過引入新的知識、新的理論和新的方法，既適應了當前要求科研融入課堂的要求，又開闊了學生的視野，有利于學生職業素養和科研素養的培養，為日后工作或繼續深造打下良好的基礎。

減少不必要的重復，節省了教學學時 通過重新編排材料力學知識體系，減少了不必要的重復，達到節省教學學時的目的。新的知識體系更有利于教師組織課堂教學，抓住學生的學習興趣，提高課堂教學質量。同時，新的知識體系下，教師根據實際學情精選基本教學內容變得更加方便，更有利于拓寬學生的知識面，有利于學生將材料力學中所學的理論知識和方法與實際工程問題相結合。

5 結論

材料力學在高等工科院校工科專業構成中占有非常重要的地位。但是隨著高等教育的不斷改革與發展，一方面，材料力學的教學學時在不斷被削減；另一方面，材料力學知識體系日顯陳舊。因此，材料力學知識體系的調整與改革已經刻不容緩。本文從材料力學課程知識體系調整的角度出發，分析傳統課程體系存在的若干問題和調整的必要性，提出相應的調整措施：對基本概念和定理采用從一般到特殊的內容體系進行安排；采用專題方式分析解決材料力學問題；重新安排實驗課與理論課的銜接問題。

將以上調整與改革措施在實際教學過程中加以實踐，教學效果非常明顯。在當前授課學時少、教學內容多的情況下，新的材料力學知識體系使教學內容更加緊湊，更加有利于教師合理調整授課內容，提高課堂教學效率和學生的學習效率，有利于培養出基礎知識牢固且各方面全面發展的高素質人才。

參考文獻

[1]教育部高等學校力學教學指導委員會力學基礎課程教學指導分委員會.高等學校理工科非力學專業力學基礎課程教學基本要求[M].北京：高等教育出版社，2012.

[2]陳云信.《材料力學》課程教學改革與實踐[J].江漢大學學報：社會科學版，2014（4）：40-44.

[3]夏錦文，程曉樵.研究性教學的理論內涵與實踐要求[J].中國大學教學，2009（12）：25-28.

[4]閆冰潔.案例教學在材料力學教學中的應用[J].科技情報開發與經濟，2007（7）：256-257.

[5]司鵠.材料力學課程教學體系改革研究與實踐[J].高等建筑教育，2005（1）：62-63.endprint