浅谈材料力学教学与工程思维能力的培养

卞侃

摘   要：力学是工科专业的重要基础课程，针对高等教育中工程思维能力培养的欠缺，本文以材料力学课程为例，从教师自身工程思维能力强化、教学过程中工程案例举例以及改革实践教学三个方面浅谈了工程思维能力的培养方法，最后以生活中常见的金属票夹为例，讨论了该结构与材料力学以及工程思维能力培养之间的关系，为工科高校机械、力学专业的基础课程教学改革提供了一定的参考。

关键词：材料力学  工程思维  教学方法

中图分类号：G642                                  文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）07（c）-0223-02

随着高等教育改革的深入进行，人才培养已经从以“传授知识”为主的应试教育向以“能力培养”为主的素质教育、创新教育转变。不少成功人士在谈及大学生活时都认为大学教育带给他们的更多是一种思维方法的锻炼。其中，工程思维能力的培养，对普通工科学生学习能力和创新能力的提升具有十分重要的作用[1-2]。

材料力学是工科专业的重要基础课程，理论性强，同时又与工程技术联系紧密。该学科虽然属于传统学科，但相关定理和结论仍然广泛应用于日新月异的当今社会中，是解决航空航天、机械、土木等领域各类工程实际问题的重要基础[3]。然而，材料力学作为力学的一个分支，其特点是数学分量重，在具体教学过程中，大家总习惯对经典的假设模型进行理论抽象，然后运用一些定理和数学推导求解相关问题。久而久之，学生能精确地解答材料力学习题，却不知实际工程应用中的材料力学知识。在实际教学中还发现，过于抽象的理论模型，内容往往比较枯燥，学生很容易走神、犯困，遇到稍带有实际工程类问题的时候却又束手无策。笔者曾经就发现有学生将应变片粘贴于悬臂梁自由端，用于校核悬臂梁结构的强度，给出的解释是悬臂梁自由端“变形”最大，所以应变最大。上述解释符合材料力学中变形与应变的基本关系，却混淆了实际悬臂梁结构中“变形”和因变形引起的“位移”两个基本概念。

材料力学的教学目标不应该仅限于使学生掌握一定的力学知识和简单的工科基础技能，更重要的是帮助学生建立和强化工程思维，培养学生的创新能力以及工程实践能力。从另一方面说，和工程实践有密切联系的材料力学课程的原动力和发展基本都是源于工程问题，在培养工程思维的同时，还可以显著提高学生对材料力学理论知识的理解。

本文将从教师自身工程思维强化，工程案例举例教学和实践教学设计三个方面浅谈材料力学理论知识教学对工程思维能力培养方面所起到的作用，希望能起到抛砖引玉的效果，推动高等教育课程的教学改革，以更好地发挥力学基础课程在工科学生能力培养方面的作用。

1  教师自身工程思维的强化

材料力学是工科机械类学生的基础必修课程，一般安排在大二进行授课，课时长、学生多，学校偏向于安排教学型教师进行授课。但如果任课教师的科研经历少，素材积累少，仅靠吃透书本知识是很难强化自身工程思维的。教师可从文献阅读、综合知识积累等方面不断拓宽知识面，进而强化与材料力学相关的工程思维。

以材料史方面的知识为例。材料力学主要是从伽利略时期不断发展起来的实践课程，在材料力学课程的不断发展中，一些力学原理、经典工程及古代社会对材料力学所作出的贡献等都得到了不断的积累和进步[4]。很多公式和定律都是以科学家的名字命名的，如胡克定律、莫尔积分、泊松比等，教师能否通过对力学史的了解，知道这些命名的来龙去脉，并且通过讲解激发学生的学习兴趣，是培养学生力学工程思维的前提。

以材料力学和哲学的联系为例。由于材料力学理论假设和工程实例会存在不一致的地方，学生们在学习过程中很容易陷入困顿。例如行架结构的约束问题，学生们对铰支和固支的简化往往存在疑惑，这是因为在实际建筑结构中行架给人的直观印象就是“固定静止”的;还比如求结构自由端的位移量，明明拉力也起作用，但在实际工程计算中却只考虑弯矩的作用。此时可联系哲学问题中主要矛盾与次要矛盾的关系，透过现象看问题的本质，教育学生上述模型简化的原因。培养学生的哲学思维，找到普遍性与特殊性、主要因素与次要因素的关系，总结事物的基本规律，完成工程问题的正确简化与估算这一重要的工程思维。

2  工程案例举例教学

在材料力学的不断发展过程中，会涉及到很多经典或日常生活中常见的工程案例，应注意这方面素材的积累，结合贴切的材料力学理论，陈述并讲解相关的经典案例。例如在讲解应力集中概念时，可以给学生普及现代飞机客舱弦窗形状的发展历程。早期最先进的彗星式喷气客机弦窗是方形的，但是在短短一年之內它连续出现了3次飞机空中解体事故，调查发现主要的原因就是方形弦窗产生了应力集中，使铝合金结构过早出现了疲劳失效。在讲解非圆截面杆件扭转时，可以举塔科马海峡大桥因颤振引起扭转，进而倒塌的例子;受此教训，现在的斜挎桥均采用钢箱梁的结构形式，极大地增强了扭转强度。

值得注意的是，虽然材料力学理论模型是对实际工程模型的简化，但工程简化估算思维还应该透过现象看力学的本质。例如我们日常生活中常见的金属票夹结构，其可以看作一种夹片弹簧，凡是弹簧均存在一个“刚度”属性。若要计算夹片弹簧的等效刚度，学生首先想到的是胡克定律，即拉伸力比上夹片开口。其中拉伸力假设已知，夹片开口则可用材料力学中的单位载荷法和莫尔积分，将夹片结构等效成带弯折的杆件模型计算求得。由于模型必须考虑结构的几何非线性，因此计算得到的刚度仍十分复杂，且受夹片厚度、原始夹角等参数影响较大，难以获得精确的刚度值。若实际工程中仅需得到平均等效刚度值，观察胡克定律的本质，可以用材料力学实验中常见的万能试验机拉伸该夹片弹簧，得到拉伸力-位移曲线后再线性拟合，根据直线斜率确定平均等效刚度。该思想就是常见的工程简化计算思维，教师在教学过程中可以结合该实例进行深入讲解，甚至可用于后面所讲的实践教学设计。

3  实践教学设计

材料力学的实践教学一直被视为理论课程后的附属，得不到应有的重视，教学体系、模式和内容的安排上也存在不尽合理的地方[5]。例如实验仪器设备数量少、更新慢，性能极为落后;实验大纲程式化、教条化、束缚性强;等等。学生往往是稀里糊涂做实验，抄袭照搬完成实验报告，加上大多数实验都是对教材上基础理论的验证，完全谈不上对工程思维的培养。当前世界科学技术的发展日新月异，材料力学的实践教学改革已经刻不容缓。

首先要改革的是实践教学的观念更新，确定以创新教育和工程思维培养为核心的实践教学思想，切实改变重知识、轻能力，重课堂理论知识传授、轻工程思维拓展的旧思想。其次是实践教学内容的改革，添加更新具有时代特色典型工程应用的实践教学内容，若存在课时矛盾，可通过设计必修和选修实验、课程与课后实践解决。最后是根据具体实践教学内容设计科学的教学方法，并合理利用资源更新仪器设备或提高利用率，在软、硬件上满足实践教学的基本需求。同样以金属票夹为例，若将其置于拉伸试验机，多次拉伸取平均后得到的拉伸试验结果几乎是一条斜率恒定的直线，即在工程上仅估算其平均等效刚度是合理的，此时通过线性拟合求得的直線斜率即为金属票夹的等效刚度。该实例很好地将材料力学理论知识和具体工程实例结合在了一起。

4  结语

布鲁纳说过：“认知是一个过程，而不是一个结果。”因此，高等课程教学，不是教学生把结果记下来，而是教他知识建立的过程。我国大学工科毕业生数量约为美国的4倍，德国的10倍，但我国工程师人均创造GDP仅为美国、德国的1/10。原因之一就是我国高等教育在培养学生的工程思维上存在突出的问题，绝大多数工程师“上手快”，却“后劲不足”，缺乏工程创新意识。在力学基础课程教育过程中，注重培养学生的工程思维，可极大地激发学生学习兴趣，引导学生自主思考，显著提高教学质量。这对工科类学生们从根本上理解、学习、应用知识，最终培养工程创新思维是非常重要的。

参考文献

[1] 朱高峰.工程教育中的几个理念问题[J].高等工程教育研究，2011（1）：1-5.

[2] 伍春洪，刘蕴络，尤佳.电子技术课程与工程思维能力培养[J].电气电子教学学报，2017，39（2）：48-50.

[3] 刘广彦.基础力学课程全英文教学实践与探索[J].科技创新导报，2016（30）：127-129.

[4] 周余辉.力学史知识在材料力学教学中的结合与实践[J].现代职业教育，2018（1）：100.

[5] 杨创战，刘杰，王康.材料力学实验教学改革的思维与探讨[J].科教文汇，2009（7）：188.