浅析力学在土木工程专业的重要性

段玮玮 黄柱

摘 要：对于土木工程专业来说，力学是极为重要的知识，它不但影响对土木工程专业知识的理解，还影响解决工程实际问题的能力。浅析力学在土木工程专业的重要性，提出部分建议，以期培养出适宜于社会发展的合格的工程技术人员。

关键词：力学；土木工程；重要性

1 概述

力学是一门基础科学，它所阐明的规律带有普遍的性质。力学又是一门技术科学，它是许多工程技术的理论基础。土木工程是力学应用最早的工程领域之一[1]。对于土木工程专业的学生来说，力学课程是一类极为重要的专业基础课，它不但影响学生对今后其他专业课程的理解，还将影响学生以后解决工程实际问题的能力。所以，对力学课程在土木工程专业的重要性进行研究，可以帮助培养出适宜于社会发展的合格的工程技术人员。

2 土木工程专业主要设置的力学课程

根据土木工程专业培养计划，四年本科期间，8学期内，共设置7门力学类课程，如下表1所示。

所以说，除了理论力学、材料力学和结构力学这“三大力学”之外，结合土木工程必须与流体接触的特点，也设置了流体力学这样的学科基础课。另外，考虑到大三之后，土木工程专业学生有“建筑工程方向”、“地下工程方向”、“古建筑修复与保护工程方向（特色方向）”三个不同的发展方向，也设置了土力学、弹性力学与有限元基础和岩石力学基础这样三门专业方向课程。

3 各门力学课程的教学内容及特点

3.1 理论力学[2]

理论力学是研究物体机械运动一般规律的科学，是各门力学的基础。它忽略一般物体的微小变形，建立在力作用下物体形状、大小均不改变的刚体模型。

主要讲授内容分三个部分：

①静力学部分。主要研究受力物体平衡时作用力所应满足的条件；同时也研究物体受力的分析方法，以及力系简化的方法等。

②运动学部分。只从几何的角度来研究物体的运动，而不研究引起物体运动的物理原因。

③动力学部分。研究受力物体的运动与作用力之间的关系。

3.2 材料力学[3]

材料力学以单个杆件作为主要研究对象，并且将其看作均匀、连续、各向同性的可变性固体。它研究杆件的拉、压、弯、剪、扭变形特征，并对杆件进行强度、刚度及稳定性分析计算。

3.3 流体力学[4]

流体力学是研究流体的平衡和流动的机械运动规律及其在工程实际中应用的一门学科。流体力学研究的对象是流体，包括液体和气体。

3.4 结构力学[5]

结构力学以杆件结构（包括梁、拱、桁架、刚架和组合结构等）为主要研究对象；研究在外力和其他外界因素作用下结构的内力和变形，结构的强度、刚度、稳定性和动力反应，以及结构的组成规律。

3.5 土力学[6]

土力学研究土的本构关系以及土与结构物相互作用的规律。土的本构关系，即土的应力、应变、强度和时间这四个变量之间的内在关系。

3.6 弹性力学与有限元基础[7]

弹性力学研究弹性体由于受到外力作用或温度变化以及支座沉陷等原因而发生的应力、变形和位移。它一方面对杆状物件作进一步的、较精确的分析；另一方面，对板和壳，以及挡土墙、堤坝、地基等实体结构，加以研究。

3.7 岩石力学基础[8]

岩石力学基础主要研究岩石和岩体力学性能的一门学科，是探究岩石和岩体在其周围环境（力场、温度场、地下水等）发生变化后，作出响应的一门力学分支。其所研究的岩体，具有不连续性、各向异性和不均匀性的特征。

4 力学课程在土木工程专业的重要性

力学是土木工程专业的技术基础课，若缺乏对力学课程基本概念、物理意义和求解方法的深入理解，想真正掌握好相关专业课程，做好有关工程设计、施工、监理乃至进一步的科研工作，是不可想象的[9]。

4.1 对本科后续专业课程学习的影响

混凝土结构基本原理、钢结构基本原理、基础工程、土木工程施工技术、房屋砌体与混凝土结构设计、钢结构设计、结构抗震设计、地基处理、深基坑工程、城市轨道交通工程、隧道工程、古建筑设计与保护技术等专业课程，都与力学课程有关，如不打好力学基础，将无法真正掌握及应用好专业知识。例如在学习“混凝土结构基本原理”课程中受弯构件斜截面承载力计算这部分内容时，需首先了解斜裂縫出现的原因，这时就需利用材料力学主应力迹线的分析方法，在构件上取出微元体，来做截面主应力分析等[10]。再如“钢结构基本原理”课程，由于钢材内部组织比较接近于匀质和各向同性体，而且在一定的应力幅度内几乎是完全弹性的，所以钢结构的实际受力情况和工程力学计算结果比较符合[11]；在课程的学习过程中，经常会用到材料力学中的各种计算公式和计算理论等。

除了这些专业课程，对于土木工程专业毕业设计这个实践教学环节来说，力学知识也是非常重要的。就拿经常会出现的“混凝土框架结构设计”这种毕业设计题目来说，它分为结构布置、计算简图、框架内力计算、框架内力组合、框架梁柱截面设计、现浇楼面板设计、基础设计、楼梯结构设计计算和软件计算这样几个部分。所以说，若不能利用力学基础知识先进行结构计算简图的简化和结构内力的计算，后面实际结构设计部分，均无法完成。

4.2 对研究生阶段学习的影响

毕业后，若继续就读本专业研究生，除了在研究生入学考试中可能会考核到材料力学、结构力学这样的力学课程；在读研期间，也将涉及更多更深入的力学课程，如应用弹塑性力学、塑性力学、连续介质力学、有限单元法、高等结构动力学等。如在本科阶段没有打下良好的基础，将很难掌握这些课程。

4.3 对就业后解决工程实践问题的影响

力学知识在工程设计工作中的作用是不言而喻的。同样，力学知识对于施工或监理等工作，也是不可或缺的。如预制桩在堆放时垫木位置和吊装时吊点位置的确定，施工脚手架的安装计算，施工模板拆除顺序的确定，施工缝留设位置的确定，施工中钢筋放置位置的确定等，都需要通过力学知识来确定。从事建筑施工或监理的工程技术人员，只有掌握了建筑力学的基本知识，才能懂得建筑物中各种构件的作用、受力情况、传力途径以及它们在各种力的作用下在什么条件下会产生什么样的破坏。这样，在施工中就能正确理解设计意图，制定出合理的安全措施和质量保证措施，从而保证建筑施工过程中的绝对安全，确保工程质量，避免事故发生[12]。

5 对本科阶段力学课程“教”与“学”两方面的建议

力学课程内容繁多，概论抽象，在“教”与“学”两方面都存在很多问题，容易使教师教起来用时多，任务紧；学生学起来难度大，负担重，且容易出现书能看懂而求解问题无从下手的情况[9]。

5.1 教学方法建议

依据土木工程专业培养目标，考虑力学课程与相关专业课程的衔接性，整合力学课程教学内容。注重工程实践教育，加强学科工程背景教学。培养学生创新意识，开展竞赛活动，强化学生动手能力。引导学生参与教师科研活动，培养学生的科研意识[13]。教学中运用案例教学，趣味教学，启发式、探究式、研讨式等教学方法[14]。理论教学之余，也可简要介绍结构力学求解器、ANSYS、ABAQUS、PKPM等计算软件，加强学生在力学计算方面的综合能力。

5.2 学习方法建议

“教”与“学”相辅相成，无法分离。所以除了教师需运用不同的教学方法来提高学生的学习兴趣之外，学生也需掌握合理的学习方法，以加强对教师教授知识的理解与渗透。

第一，课前做好预习，课后加强复习。有效的预习，可以使学生在上课之前，了解自己即将要学的知识，这样在课堂学习时，就可以对自己所学的东西做到心中有数；及时的复习，可以使学生及时消化课堂所学，以便深入了解所学知识，深入掌握。

第二，善于积累，善于提问。本科教学不比高中教学，它讲授新知识的时间往往多余复习旧知识的时间，所以，在学习的过程中，不能存在“猴子掰玉米”的现象，学了新的忘了旧的，而是要不停积累，不停学习；对于不懂的知识点，要善于提出疑问，问同学，问教师，问网络，及时解答疑问，及时解决问题。

第三，要加强练习。学习力学知识的过程中，不做一定数量的习题，将很难对基本概念和计算方法有深入的理解，也很难培养出好的计算能力[4]，所以，要学以致用，加强练习。

第四，善于创新，积极参与不同的实践活动。教师教授的知识是有限的，在学习教师教授的方法之后，举一反三，要自己善于发现问题，创新思维；积极参与各项社会实践活动，如省大学生力学竞赛、省大学生结构设计大赛等，将学到的力学知识应用到实际的大赛活动中，并且从实践的过程中又学习新的力学知识，循环往复，提高自身的学习积极性；积极参与教师的科研项目，提高自身的研究思路和水平，也是加强自身力学思维的较好方法。

6 结语

马克思曾经指出：“力学是大工业的真正科学的基础。”钱学森也说过：“不可能设想，不要现代力学就能实现现代化。”[15]土木工程专业工程技术人员必须具备深厚的力学知识，必须掌握熟练的力学分析计算方法，所以，了解力学课程在土木工程专业的重要性，对于培养合格的土木工程专业技术人员来说，是非常必要的。

參考文献：

[1]郝哲.土木工程专业中的若干力学问题剖析[J].沈阳大学学报，2005，17 （2）：6-11.

[2]哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学（Ⅰ）[M].第7版.北京：高等教育出版社，2009.

[3]孙训方，方孝淑，关来泰.材料力学（Ⅰ）[M]. 第5版.北京：高等教育出版社，2005.

[4]李玉柱，苑明顺.流体力学[M].第2版.北京：高等教育出版社，2008.

[5]龙驭球，包世华.结构力学（Ⅰ）——基本教程[M].第3版.北京：高等教育出版社，2012.

[6]陈希哲.土力学地基基础[M].第4版.北京：清华大学出版社，2004.

[7]徐芝纶.弹性力学简明教程[M].第三版.北京：高等教育出版社，2002.

[8]沈明荣，陈建峰.岩体力学[M].上海：同济大学出版社，2006.

[9]马崇武，秦怀泉.力学与土木工程专业的力学课程教学[J].高等理科教育，2007，76 （6）：135-137.

[10]沈蒲生.混凝土结构设计原理[M].第4版.北京：高等教育出版社，2012.

[11]陈绍蕃，顾强. 钢结构（上册）钢结构基础[M].第二版.北京：中国建筑工业出版社，2007.

[12]肖迪芳.浅谈力学与施工质量的关系[J].工程质量，2007，11 （21）：36-38.

[13]车金如，程硅胜，等.土木工程专业力学课程体系的研究与实践[A].土木建筑教育改革理论与实践[C]. 2008（10）：180-184.

[14]李书进，厉见芬，高瑞霞.土木工程力学类课程体系与教学方法的研究与实践[J].常州工学院学报，2012，25（4）：93-96.

[15]周基.发挥工程力学的独特作用加强新时期土木工程师培养[J].湖南科技学院学报，2012，33 （10）：184-187.

基金项目：

浙江省自然科学基金（LQ12E08003），浙江省公益技术应用研究项目（2013C33064）。

作者简介：

段玮玮（1980-），女，湖北孝感人，硕士，浙江海洋学院土木工程系副教授，研究方向为结构工程、岩土工程等；黄柱（1976-），男，湖南汨罗人，浙江海洋学院土木工程系高级工程师，研究方向为公路桥梁、岩土工程等。