基于全国周培源大学生力学竞赛材料力学新教学模式的实践

张 速①

（安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601）

力学在汉语中的意思是力的科学，它在推动我国科学技术现代化发展过程中起重要的作用.作为对全国高校基础力学教学水平和教学改革成果大检验的“全国周培源大学生力学竞赛”，每两年举行一次.它不仅受到教育部高教司、周培源基金会的支持，而且越来越多地受到各省市教育部门和高校的重视.这项竞赛对促进各高校的基础力学教学改革具有一定的推动作用.

在基础力学中，材料力学对于工科院校来说，是一门重要的专业基础课.但是，在传统的教学方法、教学模式下，由于缺乏必要的工程背景，再加上材料力学有内容多的特点，一些学生便对材料力学课程产生畏难情绪，觉得这门课内容很难掌握，因此，逐渐失去对这门课学习的积极性和兴趣.而材料力学课程的基础不扎实，将对后续专业课程的学习产生非常大的影响.根据这种情况，在教学过程中，就要求教师设法创设一个良好的学习情境，其目的是激发学生学习这门课的兴趣.常言道：“兴趣是最好的老师”，学生一旦对某门课感兴趣，就会自然而然地去学习它，主动探索，心情愉悦，效果最佳.

基于上述现状，针对目前材料力学课程以往的教学模式，我们把在全国周培源大学生力学竞赛辅导中采用的新教学模式：围绕以几种逻辑方法［1］为基础的辅导教学，应用到材料力学课程教学过程中，经过几年的教学实践，效果良好.

1 新教学模式的内容

围绕以几种逻辑方法为基础的教学模式内容是：

1）广泛积累一些融基础性、灵活性于一体的工程实例，引入材料力学课程的教学中，激发学生学习材料力学课程的兴趣和积极性.

2）在上课过程中给出一些实际问题和趣味问题，通过学生自己建立力学模型，让学生进行分析，从而加强学生力学建模能力和培养解决实际工程中力学问题的能力.

3）对于给出的实际问题和趣味问题，学生除会建立力学模型外，还必须要求学生会将材料力学里的许多知识点进行综合，并利用熟知的解题方法来解决力学问题.

4）通过举一些复杂综合问题让学生进行分析，使学生们提高解算复杂综合题的能力，从而习惯于面对复杂的问题，以消除学生们的畏惧心理，逐步培养学生的创新思维能力.

5）对工程力学知识特别感兴趣的学生，还特别组织一个力学兴趣小组进行活动.

2 课程新教学模式的实践

根据上述新教学模式内容的要点，我们在课程教学过程中的具体实践是：

1）引入大量的工程实例（包括案例等），根据各章的内容，采用做法是：比较-分类法.先将引入的工程实例进行比较分类，即分为轴向拉压、剪切、扭转、弯曲、组合变形和压杆的稳定等，然后再把这些工程实例应用于各章的教学过程中.例如：在讲压杆的稳定这一章中，引用许多失稳的案例：案例1 2000年10月25日上午10时30分，在南京电视台演播中心演播厅屋顶浇筑混凝土施工，脚手架失稳，造成演播厅屋顶模板倒塌.案例2 1907年加拿大魁北克桥的失稳（跨度548 m，重9000 T），造成大桥坍塌.案例3 1922年冬天下大雪，美国华盛顿尼克尔卜克尔剧院由于屋顶结构中的一根压杆超载失稳，造成剧院倒塌.再如，在讲剪切这一章铆钉连接计算时，也引用许多实例，例如：广东海珠桥大修后合拢传统热铆钉技艺、米格-29机首下方铆钉与机皮连接、某地钢结构桥的铆钉连接等.实践表明，学生们的学习兴趣得到提高.

2）全国周培源大学生力学竞赛，其中一个重要的目的就是培养分析、解决实际工程中力学问题的能力，尤其是要加强力学建模的能力.在以往的教材中，典型例题和习题都是力学模型已建立好的，学生们已经养成根据给的力学模型来做题目的习惯；至于如何将实际问题简化成力学模型，这方面知识却很缺乏.根据这种情况，采用的做法是：归纳-演绎法.首先通过举一些典型的工程实例，如钢桥梁建模、工业单层厂房建模等，给学生们介绍一些力学建模的知识，同时还要求学生们能够将所学过的一些约束模型、荷载的几种简化等进行归纳；然后，教师再给一些实例，让学生们将归纳的力学模型的知识应用于这些实例.例如：体操运动员进行体操比赛的单杠力学模型、猴子爬绳力学模型、木桥加固模型、砖石结构中梁、柱和楼梯、阳台力学模型等的建立，它们上面的荷载的简化、内力、变形计算等问题.实践表明：学生经过这方面的练习，不仅对材料力学课程内容感兴趣，而且也为后续将要开设专业课打下基础.

3）将材料力学里的许多知识点进行综合，必须熟练系统地掌握各章的知识点.做法是：采用比较-分类法.就是由类和种的概念，把不同研究对象放在一起进行比较，根据共同点把事物归为一大类，又根据差异点把一大类事物划分为几小类，再由各小类分成种，一层一层下去.这样，经过比较和分类，杂乱无章的材料就会被整理的条理化、系列化.采用这种方法的益处是：可以训练学生们思维能力、记忆能力.例如：在讲述《材料力学》中轴向拉压这一章时，运用比较-分类法可先列出如下图框形式.

然后针对上述图框形式，再一层一层地给学生们进行课程教学.实践表明：在教学过程中，采用比较-分类法，不仅整章的结构内容层次分明、条理清楚、知识点能够系统掌握，且便于记忆.

利用熟知的解题方法来解决力学问题.做法是：采用归纳-演绎法.所谓归纳-演绎法中的归纳：就是个别到一般，即通过材料力学典型的例题归纳出解题的一般方法.演绎：就是一般到个别，即把归纳出解题的一般方法应用于解决力学问题.采用这种逻辑方法可以训练学生们的综合思维能力和解决问题的能力.

在以往的材料力学课程的教学过程中，在讲解典型例题时，通常给学生们介绍的只是解题思路和解题方法，但学生们很少自己能够将解题思路和解题方法进行归纳总结，这样造成的结果是：典型例题能看懂，但课后布置的习题往往不会做，更谈不上用解题方法来解决力学问题.根据这种情况，对于每章每节的典型例题，要求学生自己首先根据例题的内容，考虑解题思路和解题方法，然后老师和学生一起对解题思路和解题方法进行完善、总结；其过程可以采用讨论的形式，目的是调动学生们的主观能动性.总之，对每个典型例题都归纳出解题方法；课后，再把这些解题方法，应用于做习题，分析、解决问题.实践表明：学生不仅课后布置的习题不会感到很陌生、都会做，而且解决力学问题的能力也得到了一定的提高.

4）提高学生们解算复杂综合题的能力，消除学生们的畏惧心理，逐步培养学生的创新思维能力.做法是：采用分析-综合法.应用该法的思路是：必须首先解剖事物的各个方面，各个部分，弄清各个部分的结构、功能及其在整体中的各种作用，然后再进行全面、总体的考虑，找到事物的本质特征及其规律.把该法用在力学解决问题上，可分为三部分，即：分过程→找知识点→后综合.这里的分过程：就是把解决的问题分为几个过程来分析；找知识点：就是寻找解决每个过程所需要的知识点以及相应的数学模型；后综合：就是把每个过程所需要的相应数学模型综合在一起最终解决问题.采用这种方法的益处可以全面系统地训练学生们的综合分析能力.

教学经验表明：学生们往往畏惧的是分析复杂的综合问题，这就要求在教学过程中必须加强对学生们进行这方面能力的训练和培养，可以由浅入深地提供一些综合题目让学生们去分析和解决，这样做的目的是使学生们习惯于面对复杂的问题，以消除学生们对复杂问题的畏惧心理.例如：组合变形的复杂应力状态点强度计算问题、杆系结构强度、刚度和稳定性综合在一起的计算问题等，像这些综合问题，一般都比较难，解决这些问题，学生们往往不知道如何下手.因此，在做每一个题前都要求学生们按照：先分过程→找知识点→后综合的程序来考虑题目中的问题，而且要求学生们一定要养成按照这种逻辑思维、分析综合问题方式的习惯.这样，经过一段时间的练习和训练，学生们基本上掌握这种逻辑思维的方法，并且通过教学实践表明：学生们采用分析-综合法这种思维方式考虑问题，不仅消除对综合问题的畏惧心理，而且解决复杂综合问题的能力也得到一定的提高.

5）对工程力学特别感兴趣的学生，还特别组织一个力学兴趣小组进行活动.这个小组由12、13级土木、道桥、交通专业的学生组成，教师由老、中、青力学教师组成，每星期三下午活动，老师和学生在一起对一些力学问题进行讨论.

以上是我们将全国周培源大学生力学竞赛辅导中采用的：围绕以几种逻辑方法为基础的辅导教学，应用到材料力学课程教学过程中，它只是在材料力学教学过程中的一种尝试，其经验还在不断地摸索，并且在今后的教学过程中有待进一步改进.

3 结语

全国周培源大学生力学竞赛，不仅是教育部高教司主办的大学生科技竞赛中的重要赛事，而且它对于我国力学教学具有重要的促进作用.总之，在材料力学课程教学过程中，把在全国周培源大学生力学竞赛辅导中采用的：围绕以几种逻辑方法［2-5］为基础的教学模式，应用于材料力学课程教学.实践表明：不仅激发学生学习材料力学课程的兴趣与积极性，而且也提高材料力学课程的教学质量.

［1］刘安中，张速.几种逻辑方法在力学竞赛辅导中的应用［J］.力学与实践，2012，34（3）：68-70.

［2］张速.方法论在材料力学课程教学中的应用［J］.力学与实践，2008，30（6）：97-98.

［3］刘元亮，姚惠华，寇世琦，等.科学认识论与方法论［M］. 北京：清华大学出版社，1987.

［4］栾玉广.自然科学技术研究方法［M］.合肥：中国科技大学出版社，2003.

［5］陈衡.科学研究的方法论［M］.北京：科学出版社，1982.