与实践相结合的材料力学教学方法探索

张东晓

洛阳理工学院 河南洛阳 471023

与实践相结合的材料力学教学方法探索

张东晓

洛阳理工学院 河南洛阳 471023

结合材料力学课程的特点和学生对材料力学认识及学习的情况，对课堂教学与日常生活事物、具体工程实践、材料力学实验紧密结合的教学方法进行了探索和研究。

材料力学；课堂教学；实践

材料力学是许多工科专业必修的基础课，具有鲜明的基础性和应用性，是工科学生由理论开始走向工程实践的桥梁，在工程教育中具有重要的地位。但材料力学的公式较多，理论推导比较复杂，从力学理论本身不容易建立力学概念；加之学生不太了解材料力学在工程实践上的应用，普遍认为材料力学是一门抽象难懂的理论性课程，导致学生对材料力学的学习兴趣不高。为了提高学生学习材料力学的兴趣，调动学习的积极性和自觉性，提高独立思考能力、动手能力和解决问题的能力，我们把课堂教学与日常生活事物、具体工程实践和材料力学实验有机地结合起来，并对这种与实践相结合的教学方法进行了有益的探索。实践证明，这种教学方式对调动学生学习材料力学的兴趣，培养学生创新意识与实践能力提供了切实可行的方法。

一、课堂教学紧密结合日常生活事物

学生大量的“实践”是他们接触到的周围日常生活事物。在教学中紧密结合日常生活事物，为我所用，从身边司空见惯的事物中进行力学的理性思考，赋予经典力学以生活的趣味性。这些生活中的教学实例，不仅可以帮助学生建立其正确的力学概念，而且可活跃课堂气氛，激发学生学习兴趣。例如在分析超静定结构为什么能提高其承载能力时，以人躺在床上为例。若仅以手和脚支撑于床上，结构静定，但人在其自重作用下却撑不住；随着身体与床接触点的增加，超静定次数增加，人体的受力性状得到显著改善，这就是超静定的功效。又例如在学习弯曲内力时，课堂上以树木和竹子为例。大自然中树木亭亭如华盖，竹子袅袅婷婷，婀娜多姿，给人以美的享受，但它们同样是按力的合理性法则进化而来的。自然界中，树木要承受来自不同方向的风力，形成圆形的合理截面。树木根部所受弯矩最大，因而树木根部最粗，各截面弯矩从下而上越来越小，形成树干下粗上细的结构，适应悬臂梁的受弯特征。由于竹子生长迅速，有限的材料形成最为经济的环形。同样，人股骨、胫骨截面也是环形的，这种截面形状，能显著提高受弯杆件的抗弯截面系数，从而充分利用材料，提高杆件的承载能力。这些生动的事物有助于学生用力学的眼光认识世界，无形中建立正确的力学概念。进而再提问学生建筑脚手架为什么用钢管而不用实心钢杆？钓鱼用的鱼杆是什么形状和结构，鱼上钩后鱼杆的形状怎样变化，怎样用力学简图表示，弯矩是怎样分布的？当明白鱼上钩后鱼杆的形状就好比鱼杆的弯矩图时，学生都大笑起来，笑声中就掌握了弯矩图的规律。

这样的日常生活事物实例贯穿于材料力学教学的全过程中，效果反映良好。学生们在轻松有趣的氛围中理解并掌握了有关知识，并能主动地去思考、分析周围事物所蕴涵的力学问题。

二、课堂教学紧密结合具体工程实践

材料力学和工程应用、工程设计与分析有着紧密的联系，工程实践是材料力学的源泉和归属。因此，课堂教学必须和具体工程实践相结合，这对培养学生的工程素养十分有利。

由于课时限制，不可能在工程现场进行教学，但可在课前精心制作与授课内容相关的具体工程实例课件。这些图、文资料色彩鲜艳，清晰生动，能够有效地补充一些与工程实践有关的知识或背景材料，不仅开阔学生的眼界，而且能提高学生的工程实践能力。例如，介绍了超静定概念后，在课堂上演示了斜拉桥和悬索桥。当笔者问这是什么结构，学生能马上回答是超静定结构。当笔者在再问超静定和静定结构比较其特点是什么时？有的学生在小声讨论，有的陷入了思索之中。在工程背景之下，再回到理论分析部分，学生就能够顺利地掌握要学的内容。又例如，在介绍弯曲强度问题时，先以竹子的结构为例。因前面已经介绍过，学生心中已建立相应的力学概念了。从强度的角度去分析,这种上细下粗的结构是一种自然造化的等强度结构,所以能迎风摆动,高而不屈。然后，演示了中国古代的塔和著名的迪拜塔。中国古塔的横截面为正多边形，类似圆形；在外形上也呈上细下粗。正是这种合理的力学结构,使其在历史的风云中屹立数百年。而现代建筑,为了施工的便利,一般用阶梯状的变截面杆代替理论上的等强度杆,如当今世界最高建筑的迪拜塔,犹如数根长短不一的柱子捆在一起,从外到内,柱子由短到长,是一种阶梯形等强度管状结构,这种结构形式在力学上的合理性不言而喻。又如在介绍了应力集中的概念后,笔者随手指指门角和窗角的裂纹,学生们马上就反应过来了。然后笔者问为什么会发生在这些部位,学生们很快能抓住应力集中的本质来回答问题。之后,笔者又将问题引申到脆性材料和塑性材料对应力集中的不同反应上,并对其进行理论的阐述。这种与工程实践相结合的授课方式,像讲故事一样,又轻松又有趣,学生们不仅掌握了基础理论知识,同时对理论知识的工程背景有了一定的认识,这对培养学生的工程实践能力非常有益。

三、课堂教学紧密结合材料力学实验教学

材料力学实验教学与课程内容相辅相成，是理论教学不可替代的实践环节。通过实验教学可以提高学生对力学模型和物理概念的理解能力，培养其观察和动手能力，是体现工科教育特点的一个重要方面。在教学实践中，我们根据实验室设备的具体情况编写实验教材，实验前要求学生仔细阅读实验指导书，并认真思考每个实验后的思考题。在实验进程中，根据实际情况不断提出问题，启发学生主动思考。实验之前，学生通过理论教学初步掌握了材料的力学性能和一些基本的物理概念，但由于没有自己动手进行实验，对这些知识总有雾里看花的感觉。实验之后，学生加深了对理论知识的理解和对力学模型的整体性认识。例如，在学习应力状态的概念时，许多学生反映比较抽象，不容易理解。我们在实验之后引导学生结合实验结果对这个概念再进行讨论。由于学生对自己的实验内容和过程产生了深刻的认识，能够自觉地把实验结果和应力状态的概念结合起来，进行分析并得到正确的结论。并有一部分学生对低碳钢试件的拉伸实验结果产生了浓厚的兴趣，质疑为什么试件断面形状不全是约45°的斜面，而在断面的中部近乎是平面？完成应力状态和强度理论的理论教学之后，重新提出这个质疑。经过正确引导，学生们马上明白试件在破坏的不同阶段，导致破坏的因素不同，从而对应产生两种不同的破坏形式；另外，也证明了材料的塑性和脆性是相对而言的，在不同的受力条件下，材料的塑性和脆性可能会发生转换。这样，经历了由理论到实验，再从实验到理论的过程，理论和实验相互结合，相互补充，使学生的主动性和分析解决问题的能力得到培养和提高。

四、结束语

材料力学是面向工程实践，为研究、解决工程中的力学问题而提供理论依据和计算方法的学科。为此，我们对结合实践的材料力学教学方法进行了有益的探索，尝试了将日常生活事物、工程实践问题和材料力学实验贯穿于材料力学教学的全过程中。实践证明，这种教学方式使学生看到材料力学在工程实践和生活中的应用，从而对调动学生学习材料力学的兴趣，提高其分析和解决问题的能力，培养学生创新意识与实践能力提供了切实可行的方法。

[1]刘汉义.工程力学教学中如何调动学生的学习兴趣[J].鹭江职业大学学报，2002，10（4）：47～50

[2]方德平.材料力学教学中的几个实例[J].力学与实践，1996，18（5）：61

The exploration of teaching method for mechanics of materials and practice

Zhang Dongxiao
Luoyang university of silence & technology, Luoyang, 471023, China

Combined with the course characteristic of mechanics of materials and the understanding and teaching condition of students, this paper made an exploratory study on teaching methods that combined closely with daily things, specific engineering practice and mechanics of materials experiment.

mechanics of materials; classroom teaching; practice

2010-03-28

张东晓，硕士，讲师。