基于工程實際的彈性力學教學改革的探索與實踐

朱力 劉萌 盧文良

摘 要：作為工程力學學科中最基礎，也是最重要的一門課程，彈性力學被廣泛應用于眾多工程范疇，并且具有十分多的工程典型案例。因為彈性力學研究對象廣泛、研究內(nèi)容抽象，導致在目前的教學中學生普遍認為彈性力學只是推導繁瑣又復雜的公式，甚至對這門學科產(chǎn)生逆反心理。本文根據(jù)現(xiàn)階段此科目教學中采用的講授方式與設置的課堂內(nèi)容上出現(xiàn)的一些弊端，研究彈性力學課程在教學方法和內(nèi)容上進行變革的新思路。在不斷摸索與改進的過程中喚起學生在課堂上學習的積極性和自主性，與此同時鍛煉出工科學生的科學研究能力和工程實際應用能力，提高課堂效率和教學水平。

關鍵詞：彈性力學; 教學內(nèi)容; 教學方法; 教學改革

中圖分類號：G642.0? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1006-3315（2019）11-159-002

一、彈性力學教學中存在的問題

1.教學內(nèi)容不注重實踐能力培養(yǎng)

當前，彈性力學課程的教學內(nèi)容往往不考慮將結(jié)果進行對照分析，而過于側(cè)重理論公式的推導[1]。彈性力學理論知識抽象，有繁雜的公式需要老師帶領學生進行逐步遞推，可是學生不知道這些公式如何進行工程實踐應用，也不知道這些公式的正確性，因而工科學生普遍反映這門課程比較難掌握。

2.教學方法脫離科研及工程實際

如今彈性力學的教課方式缺乏對學生處理難度較大的科研問題或者是專業(yè)工程問題能力的指引與培養(yǎng)，卻偏向于對古典問題進行講解。所以，學生無法熟練地借助于所學彈性力學的分析思路和技巧去處理科研和工程實際中遇到的問題。

二、彈性力學的教學改革探討

1.啟發(fā)式教學

彈性力學課程對工科的學生而言始終是一門重要卻難學的課程，其中繁多的偏分、微分運算和數(shù)學公式推導，會使學生在理解過程中感覺難度很大，喪失對彈性力學知識學習的熱情[2]。因為該門課程公式繁雜，老師僅僅以講授作為教學方法是不足夠的，授課過程當中應該重點引發(fā)學生的興趣，同時提高學生的積極性和自主性。確定了每堂課的講解內(nèi)容之余，還要準備在提及這部分知識時采取啟發(fā)式和提問式相結(jié)合的課堂環(huán)節(jié)設置。

啟發(fā)式講授最核心的是老師在教學中要針對某一章節(jié)的知識提出實際工程遇到的問題，讓學生們發(fā)散思維，開動腦筋，帶著問題學習也能更專心、更投入。例如，在講解圓孔應力集中的問題時，可以采用提問的方式要求學生們試著舉例描述一些日常生活中存在的應力集中現(xiàn)象，這樣在教課的時候就變得生動活躍不枯燥，學生也可以打起精神用心聽講，用心思考，提出難點，課堂效率也大大提高[3]。

2.結(jié)合其他力學講解彈性力學

學生在解決實際工程問題時，通常不清楚應該選用哪門力學中的理論來進行簡化分析，也不能認識到彈性力學的重要性，因此有必要讓學生清楚三大力學和彈性力學之間的關系，并加以比對和歸納。當學生明確這幾門力學課程的研究對象、假設、在結(jié)構計算中的作用等以及每門課程的任務、聯(lián)系與區(qū)別后，便能靈活的解決科研和工程問題。其中理論力學為后繼所學課程鋪墊基礎，主要總結(jié)出平衡方程;此后材料力學主要探討單一桿系結(jié)構受力過程中產(chǎn)生的剪切、拉伸、彎曲、壓縮、扭轉(zhuǎn)等變形下的強度和剛度;而結(jié)構力學則主要涉及算出桿系結(jié)構的軸力、剪切、彎曲等內(nèi)力，解決桿系結(jié)構的超靜定問題，并且繪出相應的內(nèi)力圖。如此可以轉(zhuǎn)換成材料力學問題，來計算桿系結(jié)構的強度以及剛度，例如建筑結(jié)構中的框架結(jié)構等[4]。

可是實際工程中有些結(jié)構不可以簡化為桿件，比如板、殼、壩體等實體結(jié)構，再運用材料力學以及結(jié)構力學知識處理就會受到限制，必須利用彈性力學知識去解決。與此同時，由于材料力學重點分析桿件受力，通常基于平截面假定推導應力公式，彈性力學則不考慮平截面假定而是利用微元體來分析靜力、幾何與物理的微分關系，此舉不但可以解決桿件結(jié)構受力問題，還能夠分析研究實體結(jié)構，學生也能在學習過程中親自領悟材料力學公式的適用性。

三、彈性力學的教學改革實施過程

在彈性力學的授課過程中，要將某方面內(nèi)容的講解與實際工程相互聯(lián)系，做到使學生明白如何應用所學內(nèi)容。正所謂學以致用，學生應該意識到，攻讀彈性力學是不能脫離專業(yè)工程實踐的。工程力學學科的學習目的不是為了通過某一科目的結(jié)課考試，取得一個較為滿意的分數(shù)，而是為了以后科研或工作中解決工程問題時能夠保證效率高、可靠性強，這樣也對學生今后的發(fā)展大有裨益。

1.以闡釋生活現(xiàn)象的方式引出問題

彈性力學的課程在教課時，很多的學生都認為彈性力學全部為理論推導，內(nèi)容抽象，學完覺得毫無用處，因而產(chǎn)生抗拒心理，其根源還是對彈性力學的了解不足。事實上彈性力學內(nèi)容中大多數(shù)的理論與公式都是根據(jù)具體工程問題歸納總結(jié)的，它是一門與實際工程問題聯(lián)系較為密切的課程。因而在教學設計中應當融入一些實際問題，比如在進行圣維南原理的講授時，可以隨堂引入一些與生活息息相關的問題：用鉗子剪鐵絲時，為什么鐵絲的兩端不會發(fā)生變形？有水流經(jīng)過地面下的排水管道的時候為什么路面上的人卻毫無感覺？以此來引發(fā)學生對于“圣維南原理局部邊界”的理論思考，培養(yǎng)學生以學到的東西來解釋日常存在的問題的能力，達到實現(xiàn)學以致用的目的。

2.從工程實際出發(fā)講解彈性力學

彈性力學的教學應該更加嚴謹?shù)慕Y(jié)合專業(yè)的工程上的問題，從具體的實際應用出發(fā)，讓學生能夠理解更為透徹，掌握并學會以彈性力學來解決實際運用中一般問題。教師在設計講義時，盡量在每一章節(jié)的內(nèi)容中都引入工程實例，讓學生對工程背景的受力特點和幾何特征進行分析和討論，使學生清楚老師講到的知識是如何運用和體現(xiàn)到工程實例中的[5]。

例如在第三章“簡支梁受均布荷載”的教學內(nèi)容中，老師可以先根據(jù)實際工程中可能遇到的淺梁和深梁受均布荷載的問題，引導學生課堂思考與發(fā)言，使得學生對該問題的彈性力學解答和材料力學解答進行對比，并闡述他們的分析過程和結(jié)論，然后師生再針對深梁共同建立該工程實際問題的力學計算模型，試算當梁的深度為跨度的一半時，最大彎應力的修正量，共同探討并總結(jié)材料力學的解答在解決哪類力學問題時才足夠精確，而哪些問題必須用彈性力學的理論來解決。[4]啟迪和指導學生理論對比分析材料力學和彈性力學解答的不同，以此使學生對深梁等工程的應力計算這方面內(nèi)容的理解更深刻[6]。

又例如，由日常生活中常見的樓板引發(fā)學生對薄板受力彎曲問題的思考，一根梁可以通過結(jié)構力學來分析其受力，而平板問題則需要彈性力學來解決。

以上舉例也說明了彈性力學與之前學過的其余各門力學課程之間有著一定的關聯(lián)和差異。學生大多不會意識到彈性力學有何種意義，就是因為在學完其他力學后沒有作充分總結(jié)和對比。因而需指導學生在學習的同時總結(jié)各門課程在研究對象、內(nèi)容以及方法等方面的差異，經(jīng)過對比分析，使學生意識到本課程的重要地位和作用。

四、總結(jié)

彈性力學課程教學改革的檢驗標準就是學生能否將彈性力學基本理論及其相關知識作為有力工具來進行之后的科學研究分析和解決實際復雜工程結(jié)構問題。相關領域的實操和發(fā)展深受教學效果的影響，故此項改革是十分重要的。

本文提出將實際案例融入彈性力學理論教學中，通過講授彈性力學理論在科研和實操中的使用，引導學生多加思索，對思考感興趣，同時實現(xiàn)對學生們提高科研創(chuàng)新及解決實際問題的能力的教學目標。實踐證明，結(jié)合實際背景教學，將理論和實際的使用相關聯(lián)，就是該門課培養(yǎng)工科生創(chuàng)新能力的重要方式，這樣當學生以后繼續(xù)做科研的話就會有足夠的基礎知識。

參考文獻：

[1]彭一江.土木工程專業(yè)本科生彈性力學課程的教學改革設想[C]中國會議，2015

[2]王潤富.彈性力學課程教學的基本要求和基本內(nèi)容[C]力學課程論壇2009論文集.北京：高等教育出版社，2010

[3]韓芳.問題式教學法在彈性力學中的探索[J]成都師范學院學報，2013，29（1）：114-116

[4]彈性力學課程在專業(yè)基礎課教學中的教學與實踐[J]長春工程學院學報（社會科學版），2015，16（3）：150-152

[5]任中俊.工科專業(yè)彈性力學課程教學探討[J]當代教育理論與實踐，2014，5：130-131

[6]徐芝綸.彈性力學[M]北京：高等教育出版社，2006