《材料力学》课程在本科教学中的思考与探讨

倪晓宇　刘英

摘 要：《材料力学》是工科学校土木、机械等专业的一门专业基础课程，但由于材料力学理论的抽象、学时的短缺以及学生前期知识积累的差异等因素的存在，有必要在教学内容、方法等方面进行深入思考和探讨，使学生能高效率地理解并掌握材料力学知识，同时也具有较高工程实践应用能力和良好的工程素质。如何采用有效的教学手段去切实提高教学质量和教学效率，如何让学生扎实地掌握课程基础理论知识并将所学知识应用到工程实际中去，是该文讨论的主要方向。

关键词：材料力学 工程应用 实验 教学方法

中图分类号：TB301-4；G642 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）12（a）-0144-02

材料力学是机械、土木类专业学生重要的专业基础课之一，以杆、梁、轴等简单构件作为研究内容，却又是力学理论与工程实际问题紧密结合的一门桥梁课程。但简单的概念介绍、理论推导以及脱离实际问题的题目练习，已经让多数学生，尤其是工科成绩不理想的学生感觉整个材料力学的学习过程十分枯燥；加之目前学校对各个专业课程的调整，材料力学学时缩短，课堂内容较多且授课速度较快，而使得学生在枯燥无味的学习过程中失去了学习材料力学的兴趣，久而久之，很多学生养成硬背公式等考前突击来应付考试的不良心理。然而，对于土木和机械专业的本科生来说，材料力学是学好土木、机械工程其他相关课程以及培养较高工程素质的前提条件。因此根据该课程的特点和教学对象的特点，改善教学方法，结合实际工程问题，使学生能灵活高效、系统且创造性地学习。而如何采用有效的教学手段去切实提高教学质量和教学效率，如何让学生扎实地掌握课程基础理论知识并将所学知识应用到工程实际中去，都是目前应用型高校土木、机械类工程专业材料力学课程教学改革中急需解决的问题[1]。

1 教学方法的研究与思考

材料力学是一门理论性较强，但又是应用于工程实际的基础课程，要求授课的老师有很深的理论基础，以及较为丰富的工程实践经验。授课时，既能将理论讲活，又能培养学生动手、分析和解决问题的能力。因此，针对我们学校的材料力学课堂教学效果，以及针对我们学校的土木、机械专业的学生，笔者认为在目前的材料力学课程的教学过程中需要注重以下几点。

1.1 重视课程的整体性与系统性

材料力学的整体性可以归结为构件的内力、应力和变形，而系统性则表现为杆件各种基本变形过程中内力、应力和变形的求解。若采用传统的教学方法，即每堂课都是按照课本上的内容逐一讲解，则会产生“照本宣科”的效果，无法体现出材料力学知识的整体性和系统性，学生学习会缺少主线，理解不透，学习积极性逐步削减，学生无法对知识进行系统性学习，也无法对所学知识有整体性上的理解和掌握。因此，教师在教学方法上需注重课程的整体性和系统性，可以在纵向和横向两个方面来体现。

在纵向方向上，让学生了解本科阶段材料力学要处理的基本问题和方法，引入内力、应力、应变等基本概念，将各章节内容的重点以及各章节内容之间的内在联系明确处理，比如从简单的拉伸（正应力——截面法向方向的应力），扭转（剪切应力——截面切向方向的应力），弯曲（轴向应力和剪切应力），横截面上的应力从一个方向变为两个方向，课程是由简入难的。在横向方向上，让学生了解材料力学包括两大部分，一是材料的力学性能（或称机械性能）的研究，是固体力学其他分支的计算中必不可缺少的依据。另一部分是对杆件进行力学分析，而杆件按受力和变形又可分为拉杆、压杆、受弯曲（有时还应考虑剪切）的梁和受扭转的轴等几大类；杆中的内力有轴力、剪力、弯矩和扭矩；杆的变形可分为伸长、缩短、挠曲和扭转。

但不管是横向还是纵向，若体现出材料力学的整体性和系统性，学生则会在课程的开始就意识到每个章节之间并非孤立的。后续的学习中，学生自然而然地会将所学内容串联起来，并找到材料力学的规律，体会知识的整体性和系统性，从而加深并巩固所学的知识。

1.2 围绕工程实例授课，强调课程的工程意义，培养学生工程意识

有兴趣的学习心理可以让学生更主动、积极地完成学习，就可以拥有很高的学习效率。对于材料力学学习兴趣的培养，很大程度上取决于理论联系实际。强调材料力学所具有的工程意义无疑是最佳途径，但仅仅局限于课堂理论的教学模式，是无法真正体现材料力学工程应用价值的。因此，在课程的前期，就需要让学生在直观上感受到课程的工程意义，才能很好地激发学生的好奇心，从而提升学习兴趣。比如在讲解绪论时就可提出类似于“美国911事件中的世贸大厦被炸毁，整个建筑倒塌的根本原因是什么”或者“菲尔普斯的泳衣到底能否为他获得游泳冠军发挥了一定的力学作用”等涉及材料力学中关于材料性能的问题。问题的提出肯定能带动学生积极的思考，于是材料力学的相关研究内容便可在学生的积极思考中引出来。此外，问和答的互动也能活跃课堂气氛，使学生的学习乐趣和兴趣大大提高。

课程中期和后期同样也需要较多的工程实例来支撑，并且需侧重于工程实例问题的分析和求解。授课过程中，让学生直观地看到实际的工程结构及其受力状态，再采取正确的方法和步骤，运用材料力学知识一步一步且快速地对工程实例中的问题进行简化、归类，获得求解模型。综合目的是指导学生从力学原理角度来完成实际工程问题的分析与求解，让学生真正懂得如何运用相应的理论知识解决工程问题。当然，整个过程中，需要突出工程意义，这对学生认识力学学科的重要性具有较强的影响力。

除此之外，授课教师可以根据自己的科研项目，选取并设计多个完整的项目进行教学活动，在课堂教学中把理论知识能够较好地应用于工程实际，充分挖掘学生解决实际问题的能力。

1.3 适当扩充课程内容，拓宽学生知识面，提升学习兴趣

根据不同的专业方向，材料力学本科教学分为多学时和少学时课程。少学时的课程一般只讲解杆件轴向拉伸压缩、扭转、弯曲及压杆稳定等几方面的内容，而多学时的课程则是在少学时的基础上，相应增加能量法等内容。针对多学时和特定专业的学生，有必要对所授内容在深度和广度上同时扩充。endprint

本科阶段的材料力学研究的问题都是在满足几个基本假设，材料在服从胡克定律的前提下求解线性问题的，若杆件在多种外力共同作用下的变形（或内力），可采用叠加原理来获得最终结果，这是线性问题。而类似于订书钉和钓鱼竿等日常生活中很常见的非线性问题则能引起学生更大的注意力，因此，在介绍线性问题时，有必要对一些非线性问题进行解释并给出简单的求解思路，即可提出几何非线性问题。于此同时，还可以进一步引入物理非线性问题（材料不服从胡克定律），并说明在几何和物理非线性问题中，叠加原理失效，而解决这类问题可用卡氏第一定理、克罗蒂·恩盖塞定理或单位载荷法等。从线性问题深入到非线性问题，能让学生进一步感知课程知识的完整性和系统性。

面对更多更复杂的工程问题，无论是线性还是非线性，仅用书上的材料力学知识是无法满足模型求解的，因此除了在深度上扩展相关内容外，授课教师仍需要在宽度方向上拓宽学生的知识面。可以借用有限元分析软件，让学生从仿真的角度了解构件变形规律，比如悬臂梁弯曲时的弯矩分布以及应力分布规律。学生可以通过仿真分析结果更加深入地了解材料力学理论知识，更重要的则是能让本科学生尽早接触有限元等工程应用软件，了解有限元的简单理论，可以巩固并延展其材料力学和数学等方面的知识，也能增强学生对工程问题的求知欲。

对知识深度和宽度的扩充也是让学生能有更多的知识积累，能为他们的后续课程，如板壳力学、断裂力学、结构力学和弹性力学等的深入学习打下坚实的基础，同时也能为解决实际问题提供他们前所未知的技术方法，如ANSYS、LS—DYNA、MATLAB等数学仿真软件。

除此之外，积极鼓励学生参加材料力学竞赛，如全国周培源大学生力学竞赛以及基础实验竞赛等，而知识的扩展则能帮助学生提升在力学竞赛中的自信，反之，竞赛也能促进学生学习力学的兴趣，培养分析、解决实际问题的能力，并充分展示学生的基础知识和思维能力，对培养应用型人才和研究创造型人才将十分有益。

1.4 发挥实验作用，充分保证教学效果

材料力学的学习方法是理论与实验相结合，因此，实验课是不可或缺的。通过理论与实验的结合，让学生知道实验是验证理论的重要手段，授课教师需要充分发挥实验课的效果，在增强学生的动手能力的同时，更好地理解理论知识。除此之外，授课教师还可以设计多种不同的实验，让学生通过不同的实验方案，获得成功解决实际问题的思路和方法，能够增强学生独立学习和解决问题的能力。

授课老师也可以利用虚拟实验实现教学交互，满足学生与媒体界面操作的交互、学生与教学内容的交互，让课堂教学更为丰富和灵活。与此同时，学生在不受时间、地点以及实验仪器设备等限制条件下进行个性化学习，则能自主制定学习进程，发挥主观能动性[2]，能与真实实验一样锻炼学生的动手能力以及培养学生的独立性，从而提高学习效率，并促进学生创造力的发展。例如：每个学生都可以不依赖于实验室实验硬件资源，对低碳钢和铸铁材料力学性能进行多次测定，充分了解载荷与变形，应力与应变之间的关系，对材料的几个基本特征点（比例极限、屈服极限、强度极限等），相信对材料力学中的强度以及刚度问题会有更透彻的理解和认识。

2 结语

教学方法改善是提高教学质量的一个重要手段，培养现代工程人才，需要体现现代的教育理念。材料力学虽然是一门经典老课，但可以通过创新教育教学的方法，来完成该课程的现代教学。在促进学生学习主动性、积极性的同时，提高学生的学习兴趣和学习能力，使学生能够真正掌握材料力学的理论知识，并通过实验和工程问题相结合，使学生真正拥有解决工程实际问题的能力，成为真正有用的应用型或创造型高级人才。

参考文献

[1] 李继生，李远略.材料力学课程教学改革探讨[J].天中学刊，2011，26（5）：98-99.

[2] 李斌，闫琴.材料力学虚拟实验系统设计[J].中国西部科技，2011，10（12）：36-37.

[3] 刘辉兰.关于力学习题课教学的几点思考[J].科技信息，2009（4）：42.endprint