土木工程專業(yè)材料力學(xué)教學(xué)改革

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摘要：為提高土木工程專業(yè)材料力學(xué)的教學(xué)效果，針對教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)的一些問題，在教師隊伍專業(yè)性，教學(xué)內(nèi)容時效性、拓展性，教學(xué)手段結(jié)合性、細(xì)節(jié)性，教學(xué)方法靈活性，實驗教學(xué)層次性，課程考核多樣性六個方面作出了有益的探索和嘗試。實踐表明:這些教改措施增強了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)動力、動手能力、解決實際問題的能力，有利于土木工程專業(yè)材料力學(xué)教學(xué)質(zhì)量的提高。

關(guān)鍵詞：土木工程；材料力學(xué)；教學(xué)改革；教學(xué)內(nèi)容；課程考核

引言

材料力學(xué)是固體力學(xué)中最早發(fā)展起來的一個分支。一般認(rèn)為，1638年，意大利著名數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家、理學(xué)家伽利略出版的名著《關(guān)于兩門新科學(xué)的談話和數(shù)學(xué)證明》標(biāo)志著材料力學(xué)的開端。書中，首次提出了材料的力學(xué)性質(zhì)和強度的計算方法。對于土木工程專業(yè)來說，材料力學(xué)是一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。其以解決材料的強度問題、剛度問題、穩(wěn)定性問題為總綱，具有較強的理論性和實踐性。

一、現(xiàn)狀及存在的問題

目前，國內(nèi)各高校土木工程專業(yè)多選用張如三、孫訓(xùn)方、劉鴻文主編的《材料力學(xué)》作為指定教材，或者選用在這三本《材料力學(xué)》基礎(chǔ)上重新編寫的教材。采用的課堂教學(xué)方法基本都是從簡單的拉伸（壓縮）、剪切、扭轉(zhuǎn)和彎曲四種基本變形開始，然后歸納到一般的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)分析與強度理論、組合變形以及壓桿穩(wěn)定問題。在講授完課堂相關(guān)理論知識后，由實驗指導(dǎo)教師指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行軸向拉伸、壓縮以及平面彎曲等實驗。總體上，土木工程專業(yè)的材料力學(xué)教學(xué)內(nèi)容已經(jīng)比較穩(wěn)定，課堂學(xué)時一般在60~74個之間，實驗學(xué)時一般在4~8個學(xué)時之間，學(xué)分在3.2~4.0分之間。針對材料力學(xué)的教改問題，很多同行進(jìn)行了研究，也取得了一定的成果。但結(jié)合我們前些年的教學(xué)實踐，也發(fā)現(xiàn)了一系列的問題，具體如下：

1.教師隊伍缺乏專業(yè)性。材料力學(xué)是土木工程專業(yè)、機械類專業(yè)、信息類專業(yè)等很多工科專業(yè)都開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，因此很多學(xué)校（包括作者所在學(xué)校前些年）均統(tǒng)一安排基礎(chǔ)學(xué)部的力學(xué)教師來講授材料力學(xué)。從學(xué)校層面講，這樣安排節(jié)省了教學(xué)資源，便于統(tǒng)一管理。但弊端是基礎(chǔ)學(xué)部的教師對土木工程專業(yè)缺乏深入的了解，不能將材料力學(xué)中的相關(guān)理論和實際土木工程相結(jié)合，這就導(dǎo)致了學(xué)生學(xué)到的知識僅限于書本上，不知究竟學(xué)到了什么，很難提升學(xué)習(xí)興趣。

2.材料力學(xué)理論性較強，概念多，公式多，計算多，內(nèi)容多，學(xué)生接受困難。材料力學(xué)章節(jié)多，內(nèi)容多，各章之間連續(xù)性相對不強。本身理論性、抽象性又較強，很多概念，如應(yīng)力、應(yīng)變等，學(xué)生第一次接觸，若采用傳統(tǒng)的講授式教學(xué)，不輔以必要的手段，在有限學(xué)時內(nèi)，很難理解其本質(zhì)，降低學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性。

3.教材的發(fā)展相對落后于規(guī)范。目前，我國土木行業(yè)的規(guī)范體系中，如鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范等，除疲勞計算外，均基于近似概率極限狀態(tài)設(shè)計法進(jìn)行強度、穩(wěn)定等校核，而材料力學(xué)中仍主要采用容許應(yīng)力法，若完全按照教材講解，學(xué)生所學(xué)知識與當(dāng)前工程實踐、新理論相差甚遠(yuǎn)，會誤導(dǎo)學(xué)生。

4.實驗教學(xué)流于形式、學(xué)生不重視。材料力學(xué)的實驗基本是在課堂教學(xué)講授完相關(guān)理論之后進(jìn)行，相關(guān)實驗基本為驗證性實驗，有些甚至僅由教師給學(xué)生演示一遍，學(xué)生僅需觀看不需要自己動手驗證，最后學(xué)生上交實驗報告就算是完成了實驗教學(xué)。實驗教學(xué)淪為一種“形式主義”教學(xué)，不僅提高不了學(xué)生的興趣，有時甚至被學(xué)生認(rèn)為是耽誤了有限的課堂教學(xué)時間。

二、材料力學(xué)教學(xué)改革建議

針對材料力學(xué)教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)的問題，經(jīng)過實踐，作者提出了一些針對性的建議，具體為：

1.教師隊伍注重專業(yè)性建設(shè)。充分意識到教師在教學(xué)過程中的主導(dǎo)及組織作用，選擇具有較高學(xué)術(shù)水平、豐富工程背景的土木工程專業(yè)教師講授材料力學(xué)課程，這樣教師可以實時地把材料力學(xué)教學(xué)內(nèi)容與工程實踐結(jié)合起來，比如材料力學(xué)中梁構(gòu)件的支座可分為可動鉸、固定鉸、固定端支座，但我們工程中的主梁一般支承于柱上，次梁一般支承于主梁上，那工程中實際中的梁對應(yīng)的支座又是那種呢？對于鋼筋混凝土梁構(gòu)件來說，當(dāng)梁端部承受負(fù)彎矩，上部混凝土受拉開裂，如梁上部不配置縱向受拉鋼筋，即可允許梁端發(fā)生轉(zhuǎn)動，進(jìn)而釋放掉負(fù)彎矩，這樣一般就可認(rèn)為是固定鉸；反之，若梁端上部配置了足夠多的縱向受拉鋼筋，那計算時就可以簡化為固定端。通過專業(yè)老師的講授，使學(xué)生切實體會到材料力學(xué)和工程實踐的密切關(guān)系，進(jìn)而激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣。

2.教學(xué)內(nèi)容注重時效性、拓展性建設(shè)。在對教學(xué)內(nèi)容不做較大修改的前提下，教學(xué)時注重時效性，與現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范作比較，如軸心受拉構(gòu)件的強度計算公式，材料力學(xué)中基于容許應(yīng)力法的表述為公式（1）、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中基于近似概率極限狀態(tài)設(shè)計法的表述為公式（2）。NAn≤[σ]（1）NAn≤f（2）式中，N為構(gòu)件受到的軸拉力；An為構(gòu)件的凈截面面積；[σ]為許用應(yīng)力，Q235鋼材一般取150~170MPa之間；f為鋼材的抗拉強度設(shè)計值，Q235鋼材一般取215MPa（板件厚度小于12mm）。從表面上看，公式（1）和公式（2）的區(qū)別僅為[σ]和f。但實際上公式（1）基于容許應(yīng)力設(shè)計法，要求結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)荷載下產(chǎn)生應(yīng)力不得超過材料的容許應(yīng)力[σ]（容許應(yīng)力[σ]由材料的極限應(yīng)力除以一個大于1的安全系數(shù)得到），因此可知，式（1）中的N是由標(biāo)準(zhǔn)荷載產(chǎn)生的軸拉力。近似概率極限狀態(tài)設(shè)計法設(shè)計公式（2）是用荷載或荷載效應(yīng)、材料性能和幾何參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值附以各種分項系數(shù)，對于不同重要性的結(jié)構(gòu)，尚應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，即式（2）中的N是由荷載設(shè)計值（荷載標(biāo)準(zhǔn)值乘以相應(yīng)的荷載分項系數(shù)）產(chǎn)生的軸拉力，f是由材料強度標(biāo)準(zhǔn)值除以抗力分項系數(shù)得到。除注重教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)行規(guī)范相結(jié)合外，教學(xué)過程中我們也強調(diào)力學(xué)知識的拓展性，即材料力學(xué)中的相關(guān)知識不僅在土木工程中應(yīng)用，在生活中也有大量應(yīng)用，諸如食品包裝袋上預(yù)留一個小豁口、如何吃火腿腸、冬天水管為什么會被冰脹裂、撐桿跳運動員使用的撐桿的變化（由木桿、竹竿、金屬桿等逐漸過渡到現(xiàn)在用的玻璃纖維桿）、香蕉球的力學(xué)原理、彈簧秤的力學(xué)原理等等，通過這些生活中的具體問題，使缺少工程實踐的學(xué)生從生活案例中理解材料力學(xué)概念，讓學(xué)生意識到材料力學(xué)就在我們身邊，并逐步引導(dǎo)學(xué)生自己去發(fā)現(xiàn)材料力學(xué)在生活中的應(yīng)用，進(jìn)而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3.教學(xué)手段注重結(jié)合性、細(xì)節(jié)性建設(shè)。本文著重介紹的是作者采用多媒體課件教學(xué)時，認(rèn)為應(yīng)該注意的一些細(xì)節(jié)性問題。（1）多媒體課件形聲、動畫兼?zhèn)洌瑢τ诔橄蟮膽?yīng)力、應(yīng)變、變形過程等更容易展示出來，學(xué)生也容易理解，但制作課件時要注意排版、字體大小、顏色等，最好多圖片少漢字，能用動畫表述不用文字描述。排版不宜過于花哨，否則會喧賓奪主，學(xué)生會把過多的注意力放在課件上，而不是教學(xué)內(nèi)容上。（2）多媒體課件內(nèi)容選擇上，輻射面要廣，不僅包含教材上的知識，尚應(yīng)涵蓋教材沒有涉及到的知識。但除重點內(nèi)容外，一般不必過于詳細(xì)，否則學(xué)生會認(rèn)為“課件”就是材料力學(xué)，降低他們主動學(xué)習(xí)的積極性。細(xì)節(jié)決定成敗，一個好的多媒體課件可以讓學(xué)生在愉悅中掌握知識，優(yōu)化課堂教學(xué)，提高教學(xué)質(zhì)量。

4.教學(xué)方法上注重靈活性建設(shè)。為改善傳統(tǒng)的教師講、學(xué)生聽這種學(xué)生“被動學(xué)習(xí)”的教學(xué)方法，將“啟發(fā)式學(xué)習(xí)”“學(xué)生自主學(xué)習(xí)”與傳統(tǒng)的教學(xué)方法相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，增強了教與學(xué)的互動，使學(xué)生參與到教學(xué)活動中來，而不是被動地接受?！皢l(fā)式學(xué)習(xí)”的核心是引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，結(jié)合材料力學(xué)每章節(jié)課程內(nèi)容，教師在導(dǎo)課時都結(jié)合具體的工程案例或相關(guān)科研成果，首先讓學(xué)生知道要學(xué)什么，相關(guān)的問題在哪？帶著問題去學(xué)習(xí)，學(xué)完相關(guān)內(nèi)容后，師生共同對問題進(jìn)行歸納總結(jié)，加深學(xué)生對學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解。比如在講解壓桿穩(wěn)定問題時，教師首先提出問題：僅長度不同的鋼柱，其余均相同，哪個承載力會高一些呢？學(xué)生從生活常識的角度一般能知道短柱一般承載力會高一些，但不知道原因在哪兒。在講解完壓桿穩(wěn)定問題后，學(xué)生就知道原因所在了。“學(xué)生自主學(xué)習(xí)”就是給學(xué)生站上講臺并充當(dāng)教師角色的機會。材料力學(xué)課程安排中一般會有2~4個學(xué)時的機動課時，我們利用這幾個學(xué)時的時間，讓學(xué)生站上講臺，規(guī)定每個學(xué)生授課時間一般在8分鐘左右，從授課章節(jié)、多媒體課件制作、素材收集等等全部由學(xué)生自主完成，在“學(xué)生教師”授課的過程中，教師充當(dāng)學(xué)生，最后由教師進(jìn)行點評。以前，教學(xué)過程中，我們一般把這幾個學(xué)時安排成答疑，效果并不理想。基于此，我們把答疑全部改為課下進(jìn)行，不占用課堂時間，把節(jié)約下來的課時用來給學(xué)生展示，這樣提高了他們學(xué)習(xí)的主觀能動性和在眾人面前表達(dá)自己的能力，也讓他們體會到了教師工作的辛苦。

5.實驗教學(xué)注重層次性建設(shè)。針對之前實驗教學(xué)的弊端，我們作了如下改進(jìn)：（1）除實驗室專門配備的教師外，要求材料力學(xué)授課教師全程參與實驗教學(xué)。（2）將實驗分層，第一層次為基礎(chǔ)性實驗，包括拉伸、壓縮、平面彎曲實驗。第二層次為綜合性實驗，可以由學(xué)生自擬題目或結(jié)合教師個人科研項目確定。（3）基礎(chǔ)性實驗教學(xué)過程中，授課教師首先把與實驗有關(guān)的多媒體課件等相關(guān)素材提供給學(xué)生。進(jìn)入實驗室進(jìn)行實驗時，由實驗室教師對授課教師事先提供給學(xué)生的素材（多媒體課件等）進(jìn)行詳細(xì)講解，并預(yù)留下一些問題。因?qū)W生課下已經(jīng)做好了預(yù)習(xí)，這樣有效地節(jié)省了準(zhǔn)備時間。為提高學(xué)生的動手能力，實驗按每2~3人一組進(jìn)行分組，撰寫實驗報告時，學(xué)生除需對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析外，尚需對實驗室教師預(yù)留的問題進(jìn)行解答。對實驗過程中不懂的問題，也可以在實驗報告上提出，最后由實驗室教師匯總交給授課教師，由授課教師統(tǒng)一解答。同時，實驗報告上必須注明小組每個人的分工。（4）綜合性實驗為選做性實驗，可以是真實的物理性實驗也可以是數(shù)值性實驗，主要是針對學(xué)有余力的同學(xué)開展的。截至作者發(fā)稿前，學(xué)生自擬了軸向壓桿穩(wěn)定承載力的測定、焊接構(gòu)件殘余應(yīng)力測量等多個實驗項目；參與到教師的科研項目中的實驗就更多了，諸如一些實際檢測類的工程項目、實驗室的科研試驗項目等。6.課程考核注重多樣性建設(shè)。課程考核過程中，摒棄了平時成績+實驗課程成績+期末考試成績加權(quán)計算總成績、期末考試閉卷的傳統(tǒng)作法。相關(guān)改進(jìn)如下：（1）針對材料力學(xué)公式多、概念多的實際情況，考試時允許學(xué)生自備半張A4紙，半張A4紙單面（另一面空白）可以撰寫自己認(rèn)為重要的公式、概念等等，但只能自用不可互相傳閱，考試結(jié)束時該半張A4紙寫上姓名隨同試卷上交。（2）減小主觀性成績在總成績中所占比重，平時成績主要依靠作業(yè)質(zhì)量、出勤率等來確定，但僅占總成績的10%；實驗課程成績分為A（優(yōu)秀，對應(yīng)90分及以上）、B（良好，對應(yīng)80~90分）、C（中等，對應(yīng)70~80分）、D（及格，對應(yīng)60~70分）、E（不及格，對應(yīng)60以下）五個等級，若實驗成績等級為E，則采用一票否決制，總成績不合格；若等級為C或D，實驗課程成績占總成績的30%；若等級為A或B，實驗課程成績占總成績的20%?？傮w上，實驗成績越低，在總成績中所占比重越大，就會導(dǎo)致總成績越低，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生重視實驗教學(xué)。

三、結(jié)束語

經(jīng)過幾輪的教學(xué)實踐改革，針對我校土木工程專業(yè)材料力學(xué)的教學(xué)改革取得了初步成效，學(xué)生對材料力學(xué)的理解逐漸由一門抽象、難懂的“力學(xué)課”轉(zhuǎn)變?yōu)橥聊竟こ虒I(yè)的一門“專業(yè)基礎(chǔ)課”，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)動力、動手能力、解決實際問題的能力大幅提高，學(xué)習(xí)過程中的參與感逐漸增強。但我們也意識到，材料力學(xué)教改工作是一項長期工程，需要我們順應(yīng)形勢，進(jìn)一步地探索和實踐。

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作者：于海豐 鄒丹丹 張華