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論材料力學(xué)教學(xué)中的三大關(guān)鍵問(wèn)題
摘 要 根據(jù)材料力學(xué)工程背景強(qiáng)、理論抽象、公式繁多等特點(diǎn)，結(jié)合教學(xué)實(shí)踐從建立科學(xué)的理論體系、采用恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法、復(fù)雜問(wèn)題化繁為簡(jiǎn)和化難為易三方面探討了材料力學(xué)教學(xué)的關(guān)鍵問(wèn)題，以期提高教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方式。 關(guān)鍵詞 材料力學(xué) 理論體系 教學(xué)方法 化繁為簡(jiǎn) 中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 1 建立科學(xué)的理論體系 在教學(xué)實(shí)踐中，一般院校采用模塊化教學(xué)，即將內(nèi)容模塊化，分為桿件的基本變形與組合變形、靜載荷與動(dòng)載荷、能量方法與超靜定三大模塊，各模塊之間雖各有其內(nèi)在規(guī)律，但卻存在本質(zhì)聯(lián)系，這集中體現(xiàn)在一個(gè)核心、一條主線上。 廣義胡克定律又稱為本構(gòu)方程，它反映出線彈性條件下變形與受力的本質(zhì)關(guān)系。“變形”是研究強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性的前提，而工程實(shí)際中構(gòu)件受力往往易知，變形卻需要求解計(jì)算，本構(gòu)方程在其中發(fā)揮著橋梁作用，故它是一切公式的根本，是材料力學(xué)理論體系的核心。 三大模塊的內(nèi)容遵循相似的分析思路，即首先通過(guò)外力分析確定構(gòu)件發(fā)生基本變形還是組合變形；隨后根據(jù)構(gòu)件外在的變形特點(diǎn)，進(jìn)一步分析桿件橫截面間的內(nèi)力，并結(jié)合桿件形狀特點(diǎn)確定危險(xiǎn)截面；最后根據(jù)構(gòu)件的變形內(nèi)在規(guī)律確定應(yīng)力和變形計(jì)算公式，若橫截面只有一種應(yīng)力，直接由該應(yīng)力最大值建立強(qiáng)度條件，若正應(yīng)力切應(yīng)力同時(shí)存在，則需計(jì)算危險(xiǎn)點(diǎn)的主應(yīng)力，由強(qiáng)度理論建立強(qiáng)度條件，因此，“外力—內(nèi)力—應(yīng)力與變形”是材料力學(xué)理論體系的主線。 動(dòng)載荷、能量方法、超靜定屬于三個(gè)專題，與工程實(shí)際聯(lián)系更為緊密，可利用前面的基本理論解決此類實(shí)際問(wèn)題。其中，動(dòng)載荷的關(guān)鍵就是轉(zhuǎn)化為靜載荷，便可同樣仿照前面外力—內(nèi)力—應(yīng)力的思路分析強(qiáng)度了；能量方法用以解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)的復(fù)雜變形，是基本力學(xué)知識(shí)的綜合應(yīng)用，同樣遵循外力—內(nèi)力—變形這一主線；材料力學(xué)的研究對(duì)象決定了其基本理論可解超靜定結(jié)構(gòu)，而在具體求解及進(jìn)一步解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)，同樣遵循這一主線�？梢�(jiàn)，后續(xù)三個(gè)專題在理論體系上是前面基本內(nèi)容的延伸與綜合。在授課實(shí)踐中，教師需圍繞一個(gè)核心（本構(gòu)方程），由一條主線（外力—內(nèi)力—應(yīng)力與變形—強(qiáng)度與剛度）將各模塊的知識(shí)有機(jī)連接，幫助學(xué)生建立一個(gè)整體化、系統(tǒng)化的理論體系。這樣，有助于使學(xué)生加深對(duì)材料力學(xué)知識(shí)的理解，從而達(dá)到對(duì)基本知識(shí)舉一反三、靈活運(yùn)用的目的。 2 采用恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法 對(duì)于基本變形部分，鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)比四種基本變形的特點(diǎn)，總結(jié)公式與分析思路的共性與個(gè)性，幫助學(xué)生由研究方法的相似性和公式的類比性理解內(nèi)容、記憶公式，提高學(xué)生對(duì)問(wèn)題的歸納能力。 復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)與強(qiáng)度理論，首先需幫助學(xué)生理解應(yīng)力狀態(tài)分析的意義在于解釋構(gòu)件破壞的原因以及研究組合變形桿件的強(qiáng)度。強(qiáng)度理論在講解時(shí)，要體現(xiàn)其哲學(xué)內(nèi)涵，一方面抓住主要矛盾，從而將復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化；一方面，體現(xiàn)在“實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”，推測(cè)強(qiáng)度失效的假說(shuō)，經(jīng)長(zhǎng)期的實(shí)踐檢驗(yàn)才能確定該理論的實(shí)用性和適用范圍。 組合變形在基本變形基礎(chǔ)上講授，采用類比方式重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)在分析方法上與基本變形的異同點(diǎn)，即同樣遵循外力—內(nèi)力—應(yīng)力的主線，但每一過(guò)程都需在基本變形分析結(jié)果基礎(chǔ)上更進(jìn)一步。外力分析除計(jì)算約束力外，更需將力平移、分解，而使每一類外力只對(duì)應(yīng)一種基本變形；內(nèi)力分析應(yīng)綜合考慮多種基本變形確定危險(xiǎn)截面；應(yīng)力分析在計(jì)算出每一種基本變形的應(yīng)力后，更要將他們疊加以找出危險(xiǎn)點(diǎn)，對(duì)于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)由強(qiáng)度理論建立強(qiáng)度條件。組合變形雖看似復(fù)雜，但有規(guī)律可循，故要將基本理論講深講透，從而啟發(fā)學(xué)生歸納普遍規(guī)律與通用公式，做到“深入淺出”是講好組合變形的關(guān)鍵。 穩(wěn)定問(wèn)題需強(qiáng)調(diào)其非常規(guī)特點(diǎn)，即壓桿的外力與壓縮相同、變形形式與彎曲相同、壓桿失穩(wěn)是整體效應(yīng)，故被壓彎變?yōu)榱酥饕�，原始尺寸原理此時(shí)不再適用，而應(yīng)考慮變形后的尺寸分析內(nèi)力，這樣就使壓桿穩(wěn)定的分析過(guò)程比強(qiáng)度、剛度復(fù)雜了。由于壓桿穩(wěn)定理論的復(fù)雜性，公式推導(dǎo)時(shí)要啟發(fā)學(xué)生尋找通用方法，歸納不同約束類型與不同柔度對(duì)臨界力的影響；啟發(fā)學(xué)生體會(huì)穩(wěn)定問(wèn)題與強(qiáng)度、剛度問(wèn)題研究方法的異同點(diǎn)，通過(guò)不同類型的例題加深對(duì)穩(wěn)定問(wèn)題的理解。 動(dòng)載荷需特別強(qiáng)調(diào)動(dòng)載荷與靜載荷之間的轉(zhuǎn)換方法，這是動(dòng)載荷問(wèn)題的核心。能量方法和超靜定以案例式為主，通過(guò)例題提高學(xué)生運(yùn)用基本理論和方法解決實(shí)際問(wèn)題、綜合問(wèn)題的能力。 無(wú)論哪類教學(xué)方法，目的都在于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，科學(xué)思維方式的養(yǎng)成和科學(xué)方法論教育是教學(xué)的根本落腳點(diǎn)，故在材料力學(xué)的教學(xué)中，要始終貫穿“具體—抽象—具體”的思維模式，對(duì)于實(shí)際問(wèn)題，首先抓住主要矛盾及控制因素建立力學(xué)模型，將復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題簡(jiǎn)單化，然后用材料力學(xué)的相關(guān)理論分析問(wèn)題、解決問(wèn)題，挖掘問(wèn)題的實(shí)質(zhì)，總結(jié)普遍規(guī)律，最后用所得結(jié)論指導(dǎo)新的實(shí)際問(wèn)題，也是“提出問(wèn)題—解決問(wèn)題—總結(jié)升華”的思維過(guò)程，這是解決一切實(shí)際問(wèn)題的根本方法。 3 復(fù)雜問(wèn)題化整為零、化難為簡(jiǎn) 對(duì)于一些復(fù)雜問(wèn)題、綜合問(wèn)題，可將問(wèn)題串化整為零、化難為簡(jiǎn)，將綜合問(wèn)題分解為一個(gè)個(gè)基本問(wèn)題，應(yīng)用前面的基本理論各個(gè)擊破，從而降低難度便于學(xué)生接受。 例如對(duì)于扭彎組合變形，教材[4]上講述的內(nèi)容實(shí)質(zhì)是圓截面桿斜彎曲與扭轉(zhuǎn)變形的組合。而前面學(xué)習(xí)的是對(duì)稱彎曲，沒(méi)有詳細(xì)講過(guò)斜彎曲，再組合扭轉(zhuǎn)變形，問(wèn)題是復(fù)雜的，課本中對(duì)于這一問(wèn)題直接給出結(jié)論“對(duì)截面為圓形的軸，包含軸線的任意縱向面都是縱向?qū)ΨQ面。所以，把兩個(gè)方向的彎矩合成后，仍可按照對(duì)稱彎曲的公式計(jì)算正應(yīng)力�！敝苯又v述學(xué)生一般難以理解�？稍谥v完拉（壓）彎組合變形后，緊跟講述斜彎曲（包括圓截面梁、矩形截面梁等），把斜彎曲的理論講清講透，然后再講課本中的扭（斜）彎組合一節(jié)，就水到渠成了。 對(duì)于能量方法和超靜定，重在強(qiáng)調(diào)問(wèn)題的主要分析方法以及與基本問(wèn)題的聯(lián)系，運(yùn)用“化難為簡(jiǎn)”的方法，幫助學(xué)生克服畏難情緒，使學(xué)生掌握將工程中的復(fù)雜問(wèn)題分解為簡(jiǎn)單問(wèn)題的方法。 “化整為零、化難為簡(jiǎn)”也是解決復(fù)雜難題的基本思想，尤其對(duì)于綜合了“動(dòng)載荷、超靜定、能量方法、壓桿穩(wěn)定”等幾塊知識(shí)的“大題目”，可從問(wèn)題入手，圍繞每一步的待求量，按照“提出基本問(wèn)題—尋找基本方法—應(yīng)用基本理論”的分析過(guò)程，層層遞進(jìn)逐級(jí)分析，最終可整理出清晰的解題思路�？梢�(jiàn)，所謂難題就是若干基本問(wèn)題的綜合，而“化整為零”的方法便可突破這類問(wèn)題的瓶頸，達(dá)到“化難為簡(jiǎn)”的效果。 總之，材料力學(xué)決不能教學(xué)生記公式、套用解題模式，而是激發(fā)學(xué)生的探索欲望，提高工程素養(yǎng)，提升解決實(shí)際問(wèn)題的能力。為此，材料力學(xué)老師應(yīng)結(jié)合課程特點(diǎn)不斷研究教學(xué)規(guī)律，進(jìn)行教學(xué)創(chuàng)新，應(yīng)用恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方式，把科學(xué)方法論滲透在材料力學(xué)的教學(xué)中。 參考文獻(xiàn) [1] 劉桂榮，韓立新.“材料力學(xué)”教學(xué)方法探討.中國(guó)電力教育，2011.25：114. [2] 楊志軍，趙學(xué)友.材料力學(xué)課程教學(xué)改革與創(chuàng)新.中國(guó)冶金教育，2011.3：25-26. [3] 宋曦，楊靜寧.工科專業(yè)材料力學(xué)教學(xué)創(chuàng)新的探索與實(shí)踐.力學(xué)與實(shí)踐，2010.2：142-143. [4] 劉鴻文.材料力學(xué)Ⅰ，Ⅱ（第5版）.北京：高等教育出版社，2011.
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