材料力学课程建设研究与探索

陶 鑫

(黑龙江工业学院，黑龙江 鸡西 158100)

材料力学作为固体力学的一个分支，是1638年由意大利著名数学家、理学家、天文学家伽利略在《关于两门新科学的谈话和数学证明》一书中提到的，是材料力学的开端。在书中，首次提出了材料的力学性能及强度的概念。材料力学对于土木工程专业来说，是一门非常重要的专业基础课，同时兼顾应用性[1-2]。而其对于结构力学、钢结构等一些后续专业课的学习也起到至关重要的作用。对于土木工程专业来说，材料力学主要讲授拉伸、压缩、扭转、弯曲等基本变形的应力及变形的计算，同时对于每种变形体进行强度及刚度的校核。兼顾连接件强度计算及组合变形应力的计算，压杆稳定的计算也是不可或缺的一部分[3-4]。

一、教学中存在的问题

1.理论教学内容较多，理论性较强

材料力学中涉及到的知识点及计算公式较多，理论性也较强。材料力学所讲授的内容包括简单的拉伸(压缩)、剪切、扭转和弯曲四种基本变形，通过分析变形后的应力状态及强度理论最终解决工程实际中的压杆稳定及组合变形等问题。其中大量公式的推导都从几何方面，物理方面及静力学方面出发，利用数学方法导出，大部分理论知识都较抽象。学生很难将整个变形及破坏过程想象出来，从而降低了学生的学习积极性，导致本课程的通过率较低。

2.课程线上建设资源较少

对于线上线下混合教学模式来说，材料力学可应用的资源相对较少，内容较为枯燥。以往材料力学线上课程建设主要包括教学大纲、教学计划、教学用ppt、教材电子书、辅助案例分析、练习题及模拟题等。以上知识对于学生的自学起到一定的作用，但对于扩展性专业知识及创新型能力培养的资源较少，对于学生整体能力的提升意义不大。

3.实验教学不够重视

实验方式仍停留在最初的演示阶段，对理论知识的学习辅助作用有限。教学内容停留在书本，与实际工程问题脱节[5-6]。碍于实验室的使用情况及学生的授课计划安排，以往的材料力学实验教学都是安排在理论教学之后。大部分实验内容为对于四种基本变形的演示实验。由于实验设备有限，学生数量较多，所有演示实验基本为教师的演示实验，学生缺乏最基本的动手能力。最后教师再将所演示的实验数据交给学生，学生撰写个人的实验报告，教师根据学生所上交实验报告判断学生实验是否合格[7-9]。存在“形式主义”教学的现象，对于提高学生的实践动手能力意义不大。

4.授课内容缺乏专业性

现在较经典的材料力学教材包括张如三、孙训方、刘鸿文等主编的《材料力学》。由于大多工科专业，如土木工程、机械工程、采矿工程等专业都要学习材料力学，因此材料力学教材的综合性较强，专业性相对较差。教材内容不能将相关理论和土木工程实际相结合，学生不能很好的将书本知识与工程实际问题相结合，从而很难提升学习兴趣[10]。

5.授课教师专业实践性较欠缺

现在一些年轻教师都是从“学校”到“学校”，工程实际经历较欠缺。对于土木工程实践缺乏深入的了解，教学内容仅局限于书本，在教学举例过程中涉及到的工程实际问题较少，这种现象对于提高学生学习兴趣意义不大。

二、课程建设的方法

1.加强课程理念建设

课程建设及改革的根本目的是提高学生的能力，因此教学中应以学生为中心，注重学生能力的培养，重点培养学生利用本学科知识来解决实际工程问题的能力，提高学生的综合能力。提高学生的创新思维，时刻掌握学科的前沿问题。积极改进教学方法，将智慧树、ANSYS有限元分析软件应用到材料力学的教学过程中，引导学生自主学习，提高学生的学习积极性。

2.加强课程思政教育

材料力学的授课过程中积极将思政内容融入到授课过程中。在课程讲授中，从我国为基建强国入手，增强民族自豪感进而培养学生的爱国情怀，同时提高学生对土木工程的热爱，最终使学生树立正确的人生观价值观，从而全面提高学生的政治素养。在材料力学的四种基本变形的讲解过程中，涉及到材料的强度及刚度时，找到强度及刚度的最薄弱环节进行计算，要想综合提高材料的强度及刚度就要充分弥补最薄弱环节，积极引导学生努力弥补自身的短处从而提高自身的综合能力。

3.将虚拟仿真软件引入教学过程当中

材料力学教学过程中涉及到的内容较为抽象，学生无法直观的看到材料变形演化规律，学生学习存在一定的难度。引入虚拟仿真软件，在讲解四种变形时加入虚拟仿真软件的模拟，生成计算云图，使学生直观看到变形中应力的分布情况。在讲解应力集中现象时，引入虚拟仿真软件的计算云图可以使学生直观的观察到不同的开口形状对应力集中现象的不同影响。课下督促学生自学虚拟仿真软件，进而大大提高学生的学习积极性。

4.丰富教学内容，积极引进学科前沿知识与科学研究成果

在日常课程讲授中，积极将学科前沿知识及最新研究成果引入教学过程中，努力拓宽学生的视野。引入教学主线也就是教学思想，例如，在讲授四种变形时都是围绕强度及刚度的校核进行的，学习主线为通过外力求出材料内部所受的最大应力以及最大变形，再与许用应力及许用变形进行比较，从而确定材料强度及刚度是否达标。思路非常清晰，不同之处为不同变形的应力及变形的求解公式。抓住学习主线有助于学生对材料力学的学习。再如在讲授应力集中时，可列举出现实生活中的相关现象予以解释，比如包装上面会预留豁口或做成锯齿状，这种设计都是为了有效利用应力集中现象。通过这些生活中最常见的现象可以更好的让学生真正的了解材料力学。学生也能通过这些生活现象了解到材料力学存在于日常生活中这一基本事实。进而促进学生将材料力学知识运用到实际问题中。在授课过程中积极引入学科前沿的相关知识，比如，在讲到弯曲变形时，可以列举为了改善混凝土抗弯性差而采取的措施，如在混凝土中添加各种类型的纤维来提高混凝土的抗弯性能，这些纤维主要包括钢纤维、木纤维、PVC纤维、玄武岩纤维等。通过以上内容的引入可以提高学生的学习积极性，同时也可促进学生对土木工程专业的了解。

5.加强案例教学的比重

材料力学课程主要包括四种基本变形，而这四种变形主要是单独变形的讲解。实际工程中涉及到单独变形的构件较少，大多数为多种变形的组合或是细长杆的压杆稳定问题，这两种问题工程实践性强，与四种基本变形相比存在一定的难度。因此在讲解这两章时可引入工程实际案例。比如讲到压杆稳定问题时，可引入加拿大魁北克大桥的垮塌事件来加深学生对压杆稳定问题的理解。魁北克大桥是20世纪初世界上最长悬臂桥，但是在其施工过程中发生两次垮塌事故。魁北克大桥是一座主跨长为549m钢桁架桥，此桥共三跨，历经30年才建成，建造过程中发生两次垮塌事故：第一次在1907年8月29日，事故原因为锚跨中两根下弦杆压杆失稳导致垮塌，75人丧生；第二次是中跨合龙时起吊设备局部构件断裂，13人丧生。大桥最终于1917年竣工运营[11]。相信通过这样的例子可以使学生认识到压杆稳定在材料力学中的重要性，同时也能认识到材料力学在工程实际中的重要性。激励学生能够更加努力学习材料力学。

6.建立多层次的实验教学体系

材料力学课程包括一定学时的实践教学，主要包括低碳钢、铸铁的拉伸及压缩实验，低碳钢、铸铁的扭转实验，弯曲正应力等实验。多数为验证基本假设及客观规律的实验。通过这些实验可以使学生对实验设备具有一定的了解，同时也能使学生对四种基本变形具有更加深刻的了解。达到促进理论知识学习的目的。但以上验证性实验不利于学生创新性的提高，因此在实践教学过程中应引入综合性实验，让学生自己设计实验，也可以提高交叉实验的比重。对于实验设备不充分的情况，可以引入实验模拟软件进行辅助教学[12]，通过实验彻底激发学生的学习兴趣，从而提高学生的创新性。

7.教学方法要注重灵活性

在日常的教学过程中教师应努力使学生参与到教学过程中，改变传统的教师讲，学生被动听的学习模式，发挥学生在教学过程中的主导作用。积极引导学生自主学习，做到课前有预习，课后有复习。教师可将书本中的知识点转化为实际问题留给学生课前预习来进行解决，课堂上留出5-10分钟与学生探讨，从而加深学生对知识点的认识[13-14]。在学生进行探讨的同时可定期挑选学生上讲台讲课，令学生自主进行ppt制作、内容归纳整理、素材收集等工作，对知识点的学习也起到了一定的促进作用，同时也可提高学生的表达能力。课下可积极安排答疑，让学生带着问题集中探讨。通过灵活多样的教学方式提高学生的积极性，最终达到提高学生个人能力的目的。

8.教师队伍注重专业性建设

材料力学课程的讲授应该优先选择理论知识较强且工程实际背景较丰富的教师。这样教师可以很好的将工程实际问题与书本知识点充分结合在一起。比如在讲梁的类型及支座的类型时，支座可分为固定铰支座、滑动铰支座及固定端约束，但在实际的教学过程中可以发现学生对于这三种约束的工程实际使用存在一定的误区，对于实际支座向着三种支座简化存在困难。对于钢筋混凝土梁构件来说，当有负弯矩作用于梁端时，上部混凝土承受拉应力，容易开裂，针对这种情况可以采取两种方法解决：第一种，释放梁上部反弯矩，此时梁端可以自由转动，上部不需要配置纵向受力钢筋，此时的支座可以看作固定铰支座；第二种，将纵向受力钢筋布置到梁的上部承受反弯矩，此时的支座可看作固定端约束。这样通过专业老师的讲解，学生可直观的认识到工程实际中支座的分类方法，从而做到理论知识与工程实际相结合，提高学生的学习兴趣。

9.课程考核注重多样性

以往的课程考核过程中，总成绩是由30%的平时成绩和期末考试卷面成绩的70%组成，其中30%的平时成绩由学生的日常出勤、课堂表现、平时作业成绩及实验报告完成情况组成。期末考核方式为闭卷考试。实验部分所占比例较小。相关改进方法如下：(1)增大实验课程的比重，将实验报告的占比提高到平时成绩的15%，实行一票否决制，即实验报告不合格学生的材料力学平时成绩只能在85分以下；(2)增大期末试卷中计算题的比重，培养学生对理论知识的应用能力。考虑到材料力学所涉及到的公式较多，在考试时允许学生自带一张纸，纸上写清个人认为较重要的公式，概念等，但不可以互相传阅，考试结束后写上名字与试卷一并上交。这样可以减轻学生记公式的压力，将更多的精力放到公式的应用上。

结语

材料力学课程建设过程中，应在教学内容、教学方法、参考资料、实验项目设计等方面展开工作。在课程建设过程中得到以下结论:第一，要从人才培养方案入手，明确课程对人才的培养目标起到的作用。第二，要积极提高教师的综合能力，特别是科研能力和对学科前沿知识的掌握能力。第三，构建合理的实验平台，增强实验的综合性来提高学生的实践创新能力。通过以上方式可以提高学生的学习兴趣，同时学生的动手能力及解决实际问题的能力也会相应提高，学习过程中的参与感逐渐增强。