材料力学课堂“新““旧“概念对接教学探讨

张克明 郑佩 焦古月 张振亚

摘  要：理论力学和材料力学是高等工程类专业技术基础课程，在机械、土木和力学等工科专业中的作用和地位不容忽视。材料力学作为理论力学的后续课程，课程内容繁杂且抽象而课时却在不断减少。文章结合自身教学实践和体会，借助理论力学中的基本概念，探讨了材料力学课堂教学中的“新”概念与理论力学的“旧”概念的对接关系，基于此引导学生通过概念建立力学模型，提高课堂的教学品质和学习效果。从“新”“旧”概念对接出发，培养学生灵活运用理论力学和材料力学“新”“旧”知识解决实际问题的能力，进而从理论分析逐步向工程实际过渡，提高学生的工程师职业素质。

关键词：材料力学;理论力学;基本概念;工程实际

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2021）22-0126-06

Abstract： Theoretical mechanics and material mechanics are basic technical courses for advanced engineering specialties， and their roles and positions in engineering majors such as machinery， civil engineering and mechanics cannot be ignored. As a follow-up course of theoretical mechanics， material mechanics， although the course content is complex and abstract， the class hours are constantly decreasing. This article combined with its own teaching practice and experience， with the help of the basic concepts in theoretical mechanics， discussed the "new" concept in the classroom teaching of materials mechanics The docking relationship with the "old" concept of theoretical mechanics is based on guiding students to build a mechanics model through the concept to improve classroom teaching quality and learning effect. Starting from the docking of the concepts of "new" and "old"， students will be able to flexibly use the "new" and "old" knowledge of theoretical mechanics and material mechanics to solve practical problems， and then gradually transition from theoretical analysis to engineering practice to improve the quality of students' engineers.

Keywords： material mechanics; theoretical mechanics; basic concepts; engineering practice

一、 存在的問题

理论力学和材料力学作为最重要的两门力学类专业技术基础课，理解其中的概念是很重要的，掌握概念之间的联系就更为重要。特别是，理论力学研究对象一般不是实际具体的物体，而是简化模型（例如航天器、大型储罐等简化为多体动力学模型），包括质点、质点系和刚体，实际上它们都是不存在的;任何构件在外力作用下都会产生变形，或大或小，并在外力增加到一定程度时还可能发生破坏。而材料力学[1-2]是本科学习阶段第一门与工程实际联系比较紧密的学科，理论力学[3-4]的概念是如何应用到材料力学上的呢？或者材料力学如何借助理论力学的知识使学习得到更大的提升呢？理论力学的概念是否全部可以继承和使用呢？下面本文将从基本概念出发进行前修课程与后续课程的对接分析。

材料力学和理论力学的研究对象差别大。在理论力学课程中，主要的一部分学习内容是计算构件所受外力的基本方法，在分析研究时通常把构件看成是不发生变形的刚性物体（刚体）。引入刚体概念让我们忽视了很多细节。在一般情况下，理论力学的刚体假设有利于我们对力学理论的理解。材料力学可以认为是同样的理论知识在实际工程中的具体分析过程[5-6]。在现实的工程中根本没有理想化的刚体，无论多么硬的材料遇到力的作用都会产生形变，但形变很小，甚至无法用肉眼来分辨，材料力学就是研究工程实际中的材料，研究物体受力时的形变以及特性的一门学科。如何实现刚体到变形体概念上的无缝对接，在材料力学学习乃至后续力学课程中都是很重要的。

材料力学和理论力学的分析方法有很多不同[7-8]。理论力学是一门理论物理课程，其特点是理论体系和思维方法严密、系统性强，题目类型各异，解题方法比较灵活，比其他力学课抽象、复杂。材料力学是工程技术基础课，实践性较强，是以数学、物理、理论力学为基础的课程。在理论力学中，对刚体进行受力分析，一般是从对刚体的外力分析入手，先从整体再到局部，从而将物体的整体受力情况以及未知量求出。只需要将外力分析清楚，根据公式即可解答一些问题。在材料力学中，常常需要考虑受力材料的特性，其更注重受力物体的内力分析，内外力的结合分析等。更重要的一点不同之处是，材料力学还注重物体受力后的形变，这是为了让我们掌握材料的特性，以便在工程建筑中选取更好的材料。通常还借助了剪力图、弯矩图等图表来分析加强我们对材料的受力情况的理解。截面法的运用以及内力正负号规定和设正法都是很好的受力分析方法。理论力学的“旧”分析方法如何在材料力学中得到应用推广呢？它是如何被引向解决工程实际“新”问题的，这是在课堂讲解时需重点指出的问题。