土木工程专业材料力学课程体系的改革

张俊峰 赵更歧 楚留声

材料力学是土木工程专业一门重要的专业基础课,是基础课与专业课的纽带,材料力学推导的许多公式已直接在专业课(钢结构、混凝土结构等)中被使用。但由于工科教学任务量大,《材料力学》面临着教学课时压缩,而知识结构要求更加合理的矛盾。因此,在教学过程中出现了一系列的问题:内容偏多、偏深和专业结合差、灵活性差,学生忙于应付课内课外的作业,没有时间思考问题,科学推理、逻辑思维能力欠缺,实践教学环节与理论教学环节衔接不好,两个教学内容常常脱节,影响学生对基础知识的消化和工程技术的掌握,实验内容长时间不变,缺少与新知识、新技术相关的实验内容。综上所述,根据现代教学改革和技术创新的需要,《材料力学》的教材内容、教学思路、教学方法以及教学手段应当更新、发展,以便培养出具有创新意识的土木工程应用型人才。

1 教学内容

1)结合专业特点,主次分明。材料力学是一门专业基础课,专业课的许多基本理论都来源于材料力学,所以在材料力学的讲授中,强调基本理论学习的同时,应结合土木工程专业的特点,在内容讲授上突出主次,应突出轴心受力、受弯和压弯构件的学习,以便与钢结构、混凝土结构的内容有机衔接,受扭构件在结构设计中一般要尽量避免,所以受扭构件在讲授时可以少占用些学时。

2)基础理论和学科前沿内容并举。随着材料科学的发展,许多新材料,新的强度理论的出现,材料力学的内容也在不断扩充,但在材料力学的讲授中还是应该以基本理论的讲述为主,适当地介绍学科前沿的发展情况,如高性能混凝土、纤维混凝土等材料的力学性能,这样即能够保证较少学时既掌握材料力学的理论基础,又使学生开阔了眼界,培养了学生主动探索知识、应用知识、解决问题的研究性能力。

3)实验引导下的材料力学[1]。材料力学的三种基本变形:轴向拉伸和压缩、扭转和弯曲都是以观察到的基本现象作为理论讲述的切入点,并根据变形规律做出理论推导的基本假定的,因此应在实验的引导下进行材料力学的讲述。李四光先生曾经说过:“观察、试验和分析是科学研究的常用方法。”实验教学是高等院校教学工作的重要组成部分,它在培养学生的“知识、能力、素质”方面具有其他教学方式不可取代的重要地位和作用。

2 教学思路

材料力学是一门比较系统完整的学科,在讲述思路上可以采用以基本变形为主线,多思路并行。

整书以“拉伸→剪切→扭转→弯曲”为主线,且每种基本变形引出两条辅线:“外力→内力→变形”和“应力→应变”的次序进行研究,每种基本变形又都采用“平面截面假设→变形几何关系→物理关系→静力平衡条件→应力公式”这一相同的推导过程。

虽然这种按基本变形进行的内容体系重复多,但比较结合专业课的讲述思路,将来在学习专业课时会很容易和材料力学衔接。在讲述时可以把第一种基本变形讲解的深入,对其他变形的学习加以引导就能很快使学生理解并掌握,并起到一步一步加深理解,巩固知识的作用。

3 教学方法

1)问题教学法[2]。从教育学的角度说,提问是调动学生主动、积极、自觉的进行思维的一种最经常、最普遍的教学手段。从心理学角度说,提问可以激发学习动机,启迪求知欲。以设问形式进行课堂教学,既有利于学生学会分析解决问题的思维策略,培养创造性能力,又可以促进知识和技能的学习,使学生在分析解决问题实践过程中增加知识才干。提问运用于整个课堂教学活动的全过程,成为联系师生思维活动的纽带,主要包括导入布疑、讲中设疑、结束留疑三种方式。提问通常设置在以下几处:学生的疑惑处、教学关键处、思维的转折处、知识的引申处。问题教学法以教育心理学原理为依据,体现了以教师为主导,学生为主体的教学思想。

2)启发式教学。教师在教学中侧重考虑培养学生解决问题的思路与方法。对在解决问题过程中所需要的其他知识,如已学过的力学、数学知识作提示性的回忆;对力学公式的推导讲最先碰到的扭转剪应力公式的推导,认识一般从平衡方程、变形几何方程、物理方程这三方面联合求解的方法,后来遇到的弯曲正应力,引导学生回忆破解超静定问题的三方面条件,让学生思考如何解决。这样安排教学内容的必然结果是节省了时间,让学生集中精力思考解决主攻目标的思路与方法。这样的课堂教学效果,会使同学们聚精会神,开动脑筋,尽情思维,从而培养学生的创新意识和创新能力。

3)比较法和归纳法教学。采用比较法和归纳法教学不仅能起到承前启后的作用,而且加深学生对新概念的理解和记忆,从外部影响学生的学习思路。例如,杆件的轴向拉伸和压缩这部分内容比较直观、简单,但却包含了材料力学的许多基本概念和常用方法,因此讲课的重点应该放在讲深、讲透这些概念和方法上,使学生在今后的学习中能够运用比较、归纳的方法,或是同中求异,如在分析各种基本变形的特点时,同时努力找其差别,或是异中求同,虽然各种基本变形的应力、变形公式及其内容各不相同,物理意义也不尽相同,但在表达式上却有类似之处,可以归纳为同样的规律形式。

4)反复教学法。重复可以提高记忆,加深理解,材料力学讲述的许多内容比较抽象,可以在刚上课时对上一节讲述的内容进行回顾,对这一节即将讲述的内容进行设问,课后布置思考题和作业。通过课前、课堂和课后使学生将每一节课串起来,也在无形中引导学生课前预习,课后复习的习惯。每章节讲述完毕后进行小复习,基本变形等讲述完进行大复习,通过这种内容的反复,起到“温故知新”的效果。

5)拟实际教学法。在进行实验时针对实验现象进行仔细讲解,讲课时多利用现场的照片,这种和实际接近的教学方法具有直观性,更有利于调动学生的学习热情,取得更好的教学效果。

6)小论文探讨教学法。材料力学是一门密切联系工程实际的科学,应对学生进行安全、经济、合理的设计思想等实际专业技术知识教育,并经常进行力学发展和最新信息的介绍,不断培养学生的逻辑思维能力、分析问题和运用计算机的能力。采用讨论课和小论文形式,选用概念综合性和灵活性大、有开拓性或有一定难度的小论文题目,个别可选用研究生试题或课程设计的一部分内容,让同学分析、思考和讨论,以培养学生独立思考的能力[3]。

4 教学手段

1)多媒体动画教学。在课堂教学中注重采用现代教学手段,利用图文并茂、生动形象的多媒体手段,将轴向变形、扭转变形、弯曲变形、薄壁结构的非对称弯曲、应力状态以及压杆稳定等一些抽象、枯燥的概念通过动画等形式形象地展示在学生面前,传达的信息更丰富、更直观,既便于学生理解,又有利于启发学生的思维。2)有限元软件教学。对于材料力学涉及的变形过程、应力的分布、实验现象的变化等不宜用单一的图片来表述其特点,我们利用有限元软件,比如ANSYS,ABAQUS等进行辅助课堂教学,这些软件的后处理模块能形象、直观地显示结构的变形、位移及应力分布情况,同时还能以动画的形式展示结构从最初的加载到最终的变形的整个过程,将原来枯燥乏味的力学概念和理论转化为图文并茂、生动形象的画面。由此可以启发学生的形象思维、培养和激发学生的学习兴趣,提高教学效率,增强教学效果[4]。

5 结语

《材料力学》是土木工程专业课学习的基础,很多理论的创立也都是建立在大量实验结果的基础上的,很多的理论假设也必须通过实验来验证。因此根据材料力学的特点,在教学内容上应结合具体专业特点突出主次,以实验引导教学,改革传统教学模式,教学思路则根据材料力学整个体系多思路并行,教学方法引入更加主动的问题教学法和启发式教学法,结合比较法和归纳法教学、拟实际教学法和反复教学法,配合小论文探讨教学法同时进行,教学手段与时俱进,采用现代化的多媒体和有限元等教学手段,这样更有利于提高课堂教学质量,培养基础扎实、知识面宽、能力强、素质高的专业人才。

[1] 李建楠,张彦均.实验引导下的材料力学教学改革[J].实验室科学,2006(1):23-25.

[2] 吕 伟,高法贤,马克明.应用问题教学法改革材料力学的课堂教学模式[J].力学与实践,2001,23(2):64-65.

[3] 闫冰洁.案例教学在材料力学教学中的应用[J].科技情报开发与经济,2007,17(7):256-257.

[4] 叶 勇.谈ANSYS与《材料力学》课程教学的有机结合[J].科技情报开发与经济,2005,15(20):216-218.

[5] 宁怀明,崔 扬.材料力学“1234实验教学模式”的研究与实践[J].教育理论与实践,2004,24(12):52-53.

[6] 陈 涛.关于材料力学的教学思考[J].科技创新导报,2008(34):102-104.

[7] 谢桂花,王 军.土木工程材料教学改革的探讨[J].山西建筑,2009,35(25):214-215.