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1概述
力學(xué)是一門基礎(chǔ)科學(xué),它所闡明的規(guī)律帶有普遍的性質(zhì)。力學(xué)又是一門技術(shù)科學(xué),它是許多工程技術(shù)的理論基礎(chǔ)。土木工程是力學(xué)應(yīng)用最早的工程領(lǐng)域之一[1]。對于土木工程專業(yè)的學(xué)生來說,力學(xué)課程是一類極為重要的專業(yè)基礎(chǔ)課,它不但影響學(xué)生對今后其他專業(yè)課程的理解,還將影響學(xué)生以后解決工程實際問題的能力。所以,對力學(xué)課程在土木工程專業(yè)的重要性進(jìn)行研究,可以幫助培養(yǎng)出適宜于社會發(fā)展的合格的工程技術(shù)人員。
2土木工程專業(yè)主要設(shè)置的力學(xué)課程
根據(jù)土木工程專業(yè)培養(yǎng)計劃,四年本科期間,8學(xué)期內(nèi),共設(shè)置7門力學(xué)類課程。所以說,除了理論力學(xué)、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)這“三大力學(xué)”之外,結(jié)合土木工程必須與流體接觸的特點,也設(shè)置了流體力學(xué)這樣的學(xué)科基礎(chǔ)課。另外,考慮到大三之后,土木工程專業(yè)學(xué)生有“建筑工程方向”、“地下工程方向”、“古建筑修復(fù)與保護(hù)工程方向(特色方向)”三個不同的發(fā)展方向,也設(shè)置了土力學(xué)、彈性力學(xué)與有限元基礎(chǔ)和巖石力學(xué)基礎(chǔ)這樣三門專業(yè)方向課程。
3各門力學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容及特點
3.1理論力學(xué)
理論力學(xué)是研究物體機械運動一般規(guī)律的科學(xué),是各門力學(xué)的基礎(chǔ)。它忽略一般物體的微小變形,建立在力作用下物體形狀、大小均不改變的剛體模型。主要講授內(nèi)容分三個部分:淤靜力學(xué)部分。主要研究受力物體平衡時作用力所應(yīng)滿足的條件;同時也研究物體受力的分析方法,以及力系簡化的方法等。于運動學(xué)部分。只從幾何的角度來研究物體的運動,而不研究引起物體運動的物理原因。盂動力學(xué)部分。研究受力物體的運動與作用力之間的關(guān)系。
3.2材料力學(xué)
材料力學(xué)以單個桿件作為主要研究對象,并且將其看作均勻、連續(xù)、各向同性的可變性固體。它研究桿件的拉、壓、彎、剪、扭變形特征,并對桿件進(jìn)行強度、剛度及穩(wěn)定性分析計算。
3.3流體力學(xué)
流體力學(xué)是研究流體的平衡和流動的機械運動規(guī)律及其在工程實際中應(yīng)用的一門學(xué)科。流體力學(xué)研究的對象是流體,包括液體和氣體。
3.4結(jié)構(gòu)力學(xué)
結(jié)構(gòu)力學(xué)以桿件結(jié)構(gòu)(包括梁、拱、桁架、剛架和組合結(jié)構(gòu)等)為主要研究對象;研究在外力和其他外界因素作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形,結(jié)構(gòu)的強度、剛度、穩(wěn)定性和動力反應(yīng),以及結(jié)構(gòu)的組成規(guī)律。
3.5土力學(xué)
土力學(xué)研究土的本構(gòu)關(guān)系以及土與結(jié)構(gòu)物相互作用的規(guī)律。土的本構(gòu)關(guān)系,即土的應(yīng)力、應(yīng)變、強度和時間這四個變量之間的內(nèi)在關(guān)系。
3.6彈性力學(xué)與有限元基礎(chǔ)
彈性力學(xué)研究彈性體由于受到外力作用或溫度變化以及支座沉陷等原因而發(fā)生的應(yīng)力、變形和位移。它一方面對桿狀物件作進(jìn)一步的、較精確的分析;另一方面,對板和殼,以及擋土墻、堤壩、地基等實體結(jié)構(gòu),加以研究。
3.7巖石力學(xué)基礎(chǔ)
巖石力學(xué)基礎(chǔ)主要研究巖石和巖體力學(xué)性能的一門學(xué)科,是探究巖石和巖體在其周圍環(huán)境(力場、溫度場、地下水等)發(fā)生變化后,作出響應(yīng)的一門力學(xué)分支。其所研究的巖體,具有不連續(xù)性、各向異性和不均勻性的特征。
4力學(xué)課程在土木工程專業(yè)的重要性
力學(xué)是土木工程專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課,若缺乏對力學(xué)課程基本概念、物理意義和求解方法的深入理解,想真正掌握好相關(guān)專業(yè)課程,做好有關(guān)工程設(shè)計、施工、監(jiān)理乃至進(jìn)一步的科研工作,是不可想象的。
4.1對本科后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)的影響
混凝土結(jié)構(gòu)基本原理、鋼結(jié)構(gòu)基本原理、基礎(chǔ)工程、土木工程施工技術(shù)、房屋砌體與混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計、結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計、地基處理、深基坑工程、城市軌道交通工程、隧道工程、古建筑設(shè)計與保護(hù)技術(shù)等專業(yè)課程,都與力學(xué)課程有關(guān),如不打好力學(xué)基礎(chǔ),將無法真正掌握及應(yīng)用好專業(yè)知識。例如在學(xué)習(xí)“混凝土結(jié)構(gòu)基本原理”課程中受彎構(gòu)件斜截面承載力計算這部分內(nèi)容時,需首先了解斜裂縫出現(xiàn)的原因,這時就需利用材料力學(xué)主應(yīng)力跡線的分析方法,在構(gòu)件上取出微元體,來做截面主應(yīng)力分析等。再如“鋼結(jié)構(gòu)基本原理”課程,由于鋼材內(nèi)部組織比較接近于勻質(zhì)和各向同性體,而且在一定的應(yīng)力幅度內(nèi)幾乎是完全彈性的,所以鋼結(jié)構(gòu)的實際受力情況和工程力學(xué)計算結(jié)果比較符合;在課程的學(xué)習(xí)過程中,經(jīng)常會用到材料力學(xué)中的各種計算公式和計算理論等。除了這些專業(yè)課程,對于土木工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計這個實踐教學(xué)環(huán)節(jié)來說,力學(xué)知識也是非常重要的。就拿經(jīng)常會出現(xiàn)的“混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計”這種畢業(yè)設(shè)計題目來說,它分為結(jié)構(gòu)布置、計算簡圖框架內(nèi)力計算、框架內(nèi)力組合、框架梁柱截面設(shè)計、現(xiàn)澆樓面板設(shè)計、基礎(chǔ)設(shè)計、樓梯結(jié)構(gòu)設(shè)計計算和軟件計算這樣幾個部分。所以說,若不能利用力學(xué)基礎(chǔ)知識先進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算簡圖的簡化和結(jié)構(gòu)內(nèi)力的計算,后面實際結(jié)構(gòu)設(shè)計部分,均無法完成。
4.2對研究生階段學(xué)習(xí)的影響
畢業(yè)后,若繼續(xù)就讀本專業(yè)研究生,除了在研究生入學(xué)考試中可能會考核到材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)這樣的力學(xué)課程;在讀研期間,也將涉及更多更深入的力學(xué)課程,如應(yīng)用彈塑性力學(xué)、塑性力學(xué)、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)、有限單元法、高等結(jié)構(gòu)動力學(xué)等。如在本科階段沒有打下良好的基礎(chǔ),將很難掌握這些課程。
4.3對就業(yè)后解決工程實踐問題的影響
力學(xué)知識在工程設(shè)計工作中的作用是不言而喻的。同樣,力學(xué)知識對于施工或監(jiān)理等工作,也是不可或缺的。如預(yù)制樁在堆放時墊木位置和吊裝時吊點位置的確定,施工腳手架的安裝計算,施工模板拆除順序的確定,施工縫留設(shè)位置的確定,施工中鋼筋放置位置的確定等,都需要通過力學(xué)知識來確定。從事建筑施工或監(jiān)理的工程技術(shù)人員,只有掌握了建筑力學(xué)的基本知識,才能懂得建筑物中各種構(gòu)件的作用、受力情況、傳力途徑以及它們在各種力的作用下在什么條件下會產(chǎn)生什么樣的破壞。這樣,在施工中就能正確理解設(shè)計意圖,制定出合理的安全措施和質(zhì)量保證措施,從而保證建筑施工過程中的絕對安全,確保工程質(zhì)量,避免事故發(fā)生。
5對本科階段力學(xué)課程野教冶與野學(xué)冶兩方面的建議
力學(xué)課程內(nèi)容繁多,概論抽象,在“教”與“學(xué)”兩方面都存在很多問題,容易使教師教起來用時多,任務(wù)緊;學(xué)生學(xué)起來難度大,負(fù)擔(dān)重,且容易出現(xiàn)書能看懂而求解問題無從下手的情況。
5.1教學(xué)方法建議
依據(jù)土木工程專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo),考慮力學(xué)課程與相關(guān)專業(yè)課程的銜接性,整合力學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容。注重工程實踐教育,加強學(xué)科工程背景教學(xué)。培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識,開展競賽活動,強化學(xué)生動手能力。引導(dǎo)學(xué)生參與教師科研活動,培養(yǎng)學(xué)生的科研意識。教學(xué)中運用案例教學(xué),趣味教學(xué),啟發(fā)式、探究式、研討式等教學(xué)方法。理論教學(xué)之余,也可簡要介紹結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器、ANSYS、ABAQUS、PKPM等計算軟件,加強學(xué)生在力學(xué)計算方面的綜合能力。
5.2學(xué)習(xí)方法建議
“教”與“學(xué)”相輔相成,無法分離。所以除了教師需運用不同的教學(xué)方法來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣之外,學(xué)生也需掌握合理的學(xué)習(xí)方法,以加強對教師教授知識的理解與滲透。第一,課前做好預(yù)習(xí),課后加強復(fù)習(xí)。有效的預(yù)習(xí),可以使學(xué)生在上課之前,了解自己即將要學(xué)的知識,這樣在課堂學(xué)習(xí)時,就可以對自己所學(xué)的東西做到心中有數(shù);及時的復(fù)習(xí),可以使學(xué)生及時消化課堂所學(xué),以便深入了解所學(xué)知識,深入掌握。第二,善于積累,善于提問。本科教學(xué)不比高中教學(xué),它講授新知識的時間往往多余復(fù)習(xí)舊知識的時間,所以,在學(xué)習(xí)的過程中,不能存在“猴子掰玉米”的現(xiàn)象,學(xué)了新的忘了舊的,而是要不停積累,不停學(xué)習(xí);對于不懂的知識點,要善于提出疑問,問同學(xué),問教師,問網(wǎng)絡(luò),及時解答疑問,及時解決問題。第三,要加強練習(xí)。學(xué)習(xí)力學(xué)知識的過程中,不做一定數(shù)量的習(xí)題,將很難對基本概念和計算方法有深入的理解,也很難培養(yǎng)出好的計算能力,所以,要學(xué)以致用,加強練習(xí)。第四,善于創(chuàng)新,積極參與不同的實踐活動。教師教授的知識是有限的,在學(xué)習(xí)教師教授的方法之后,舉一反三,要自己善于發(fā)現(xiàn)問題,創(chuàng)新思維;積極參與各項社會實踐活動,如省大學(xué)生力學(xué)競賽、省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽等,將學(xué)到的力學(xué)知識應(yīng)用到實際的大賽活動中,并且從實踐的過程中又學(xué)習(xí)新的力學(xué)知識,循環(huán)往復(fù),提高自身的學(xué)習(xí)積極性;積極參與教師的科研項目,提高自身的研究思路和水平,也是加強自身力學(xué)思維的較好方法。
6結(jié)語
馬克思曾經(jīng)指出:“力學(xué)是大工業(yè)的真正科學(xué)的基礎(chǔ)?!卞X學(xué)森也說過“:不可能設(shè)想,不要現(xiàn)代力學(xué)就能實現(xiàn)現(xiàn)代化。”土木工程專業(yè)工程技術(shù)人員必須具備深厚的力學(xué)知識,必須掌握熟練的力學(xué)分析計算方法,所以,了解力學(xué)課程在土木工程專業(yè)的重要性,對于培養(yǎng)合格的土木工程專業(yè)技術(shù)人員來說,是非常必要的。
作者:段瑋瑋 黃柱 單位:浙江海洋學(xué)院土木工程系