材料力学教学中多种教学方法并用，提高学生创新思维能力

沈玉凤　许英姿　刘露

[摘 要]材料力学作为机械类专业的技术基础课程，是基础课向专业课过渡的“桥梁”，也是学生后续学习与工作的重要知识支撑。在材料力学的教学实践中采用对比教学法、问题教学法、案例教学法夯实学生的力学基础，可以激发学生学习的主动性和创造性，培养学生的创新思维，努力引导学生将所学知识转化为能力，提升学生的综合实力。

[关键词]材料力学 教学方法 创新型思维

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] B [文章编号] 2095-3437（2015）04-0146-02

一、引言

材料力学作为机械类专业的技术基础课程，是基础课向专业课过渡的“桥梁”，也是学生后续学习与工作的重要知识支撑。在教学过程中如何帮助学生深入理解和掌握材料力学课程的知识体系，明确每一环节的知识结构，夯实学生的力学基础，培养学生的创新思维，提高学生运用力学知识解决工程问题的意识与能力，一直是我们多年努力的方向。

在多年教学实践的过程中，我们努力探索对比教学法、问题教学法、案例教学法等几种教学方法的合理搭配使用，不断积累教学经验，总结教学成果，努力营造创新思维的氛围，鼓励学生主动思维，大胆提问，并运用正确的思维解决问题，调动了学生学习的主动性，既活跃了课堂教学气氛，又提高了学生的创新思维能力，对创新型人才的培养起到了积极的作用。

二、对比教学法，夯实课程基础

（一）四种基本变形下外载荷特点的对比

材料力学课程的知识点既多又散，学生在学习的过程中找不到重点和方向。在教学过程中我们注重采用对比教学法，通过对新旧知识的对比、分析，帮助学生在较短的时间内理解和掌握新知识。

在学习杆件基本变形的各章中，引导学生采用对比法，反复对比分析构件承受的外载荷的特点。如果杆件承受的外载荷是力，强调力的作用线与杆件轴线之间的空间方位关系；如果杆件承受的外载荷是力偶，强调力偶的作用面与杆件轴线之间的空间方位的关系。通过采用对比教学法，学生在面对复杂受力的构件时，能够准确判断出构件所承受的组合变形的形式。

（二）四种基本变形下应力分布规律的对比

强度计算是材料力学课程知识体系中非常重要的内容，其目的在于将构件内的应力水平控制在一个范围内。能够代表构件应力水平的点只能是危险面上的危险点，如何确定杆件在各种基本变形下危险点的位置就成了强度计算中非常重要的一个环节。在教学实践中，通过反复对比四种基本变形下杆件横截面上的应力分布规律，帮助学生快速准确找到危险点的位置，使学生在面对一个杆类构件的强度计算时能够充分把握自己关注的焦点。

（三）基本变形与组合变形的对比

四种基本变形与组合变形均有强度计算和变形计算，基本变形的强度计算考查的是危险面上危险点的应力水平，组合变形考查的也同样是危险面上危险点的应力水平，所不同的是基本变形下轴向拉伸与压缩，横力弯曲的正应力危险点处于简单应力状态，其强度计算直接用危险面上危险点的应力不超过许用值即可；圆轴扭转和横力弯曲的切应力点尽管不是简单应力状态，其强度计算也可以套用危险面上危险点的应力不超过许用值理论。而组合变形下的危险点一般处于复杂应力状态必须根据杆件的材料以及危险点的应力状态选择合适的强度理论计算其相当应力，保证其相当应力不超过许用值。

在变形计算方面，由于轴向拉压和扭转变形可以根据胡克定律计算变形量，在弯曲变形和组合变形中没有相应的计算变形的定律，故对于弯曲变形和组合变形的变形计算方面，材料力学提供了莫尔积分计算杆件的变形量。

（四）历史与现代对比

在教学过程中引导学生对伽利略用木梁做弯曲实验得出的梁弯曲时的应力分布规律和现代梁理论关于梁变形后的应力分布规律进行对比，并从历史沿革的角度阐述从伽利略木梁到现代梁理论的发展历程，并探讨伽利略针对木梁弯曲所得到的结论的时代局限性。

三、问题教学法，激发学生主动思维

材料力学课程的知识与人们日常生活紧密相关，为了激发学生的主动思维，帮助学生及早建立“学以致用”的观念，更为了强化学生运用所学知识解决实际问题的能力，我们在教学过程中采用问题教学法。利用学生日常生活和身边的具体实例作为讨论对象，通过提出问题的形式向学生展现力学与生产和生活实际问题息息相关，使学生在接触问题的瞬间就开始积极思考，主动思维，而不是单纯被动的等待老师的授课。通过问题教学法，调动了学生的主动思维，活跃了课堂气氛，增加了师生交流的时间与话题，取得了良好的教学效果。

在讨论如何提高梁的弯曲强度以及如何提高压杆的稳定性问题时，涉及横截面的形状对杆件强度和压杆稳定性的影响，为此我们收集了与生活和工程有关的一些实例启迪学生的思维，利用学生们再熟悉不过的身边问题进行设问。如：“小麦秸秆的横截面什么形状？” “芦苇的横截面什么形状？”“竹子的横截面是什么形状？” “植物的茎的横截面是什么形状？” “人类和动物的骨骼的横截面是什么形状？” “双杠横梁的横截面是什么形状？” “自行车大梁的横截面是什么形状？” “脚手架各构件的横截面是什么形状？” “什么体型特征的举重运动员有可能获得举重冠军？”此一系列问题的提出，调动了学生的主动思维，使学生在思考和讨论中得出结论，这些截面形状的共同特征是空心圆截面。在学生得出此结论之后继续引导学生思考：“自然界为什么选择了空心圆截面？”理由是空心圆截面形式具有较强的抗弯曲能力。按照达尔文“适者生存”的原理，其他截面形状在自然进化的过程中被淘汰掉了，进而再进一步引导学生讨论不同的截面形状对梁弯曲强度和压杆稳定性的影响，取得了事半功倍的效果。

四、案例教学法，培养学生工程意识

材料力学课程是学生在大学教育阶段最先接触到的与工程实际有关的课程，单纯靠传统的教学方法不足以培养学生的工程意识。在教学过程中引入案例教学，通过对相关案例的分析与研讨，不仅巩固了学生对基础知识的理解和掌握，更将学到的理论知识与工程实际应用相结合，将学生的眼光由理论知识引向工程实际问题，使学生由单纯的学习知识转化为运用知识，帮助学生快速地将知识转化为能力。

在讨论如何提高梁的弯曲强度时，采用了三峡电站四号机的转轮从四川德阳运抵宜昌的运输过程的案例分析。此转轮自身重473吨，直径10米，高5.23米，需要经过的公路运输全长246公里，沿线共有124座桥梁和1000个涵洞。受汶川地震影响，桥梁与涵洞处于“大病态”的共有7处。如何将如此庞大的转轮经过状态不算太好的公路安全运达目的地？

经过进一步的分析讨论，学生提出的解决方案是：尽可能多地增加运输车辆的轮胎数，其目的是将集中力分散，降低桥梁承受的最大弯矩；其次是运输过程中要缓慢前进，尽量避免对桥梁产生动载荷；最后还要对桥梁本身进行加固，以保证转轮顺利过桥。

在讨论复杂应力状态下构件的破坏方式时，为了清楚阐述构件的破坏方式不仅与构件的材料有关，更与危险点的应力状态有关，我们采用了韩国岁月号渡轮沉没事件作为典型案例分析。岁月号受到严重撞击在几秒内发生倾斜，船上集装箱等物体倒向一边，使船体倾斜更严重，船体快速下沉，突然向一侧翻倒，舱内的大部分乘客无法及时逃出，造成重大海难。引导学生思考：船体翻倒后，不能靠砸开舷窗逃脱吗？为什么舷窗玻璃很难被砸碎？是否因为钢化玻璃特别结实？类似此种危险的境况下该如何逃生？

学生们经过分析讨论，不仅从舷窗的约束、材料、应力状态的角度解释了舷窗玻璃难打破的原因，还给出了危险境况下的紧急救生预案。

在对相关案例的分析研讨过程中，学生不仅扎实地掌握了理论知识，更开阔了视野，提升了解决问题的能力。

教育的最终目的是培养人，教师在教学过程中的一切努力都是为了学生全方位的健康成长。本文所探讨的几种教学方法，在教学实践中营造了一种引导学生积极思考、主动思维的氛围，培养了学生的科学思维，激发了学生的活力与灵气，把学生由单纯的被动接受知识转变到了主动学习、主动思考、主动解决问题的轨道上，提升了学生的综合实力。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 李颖，冯立富，郭书祥.材料力学教学中的一些生活和工程实例[J].力学与实践，2005（27）.

[2] 李锋.材料力学案例[M].北京：科学出版社，2011.

[3] 刘鸿文.材料力学（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2003.

[责任编辑：钟 岚]