土木工程專(zhuān)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(zhuān)業(yè)材料力學(xué)的教學(xué)效果，針對(duì)教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的一些問(wèn)題，在教師隊(duì)伍專(zhuān)業(yè)性，教學(xué)內(nèi)容時(shí)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(shí)驗(yàn)教學(xué)層次性，課程考核多樣性六個(gè)方面作出了有益的探索和嘗試。實(shí)踐表明:這些教改措施增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)動(dòng)力、動(dòng)手能力、解決實(shí)際問(wèn)題的能力，有利于土木工程專(zhuān)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(lái)的一個(gè)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(mén)新科學(xué)的談話(huà)和數(shù)學(xué)證明》標(biāo)志著材料力學(xué)的開(kāi)端。書(shū)中，首次提出了材料的力學(xué)性質(zhì)和強(qiáng)度的計(jì)算方法。對(duì)于土木工程專(zhuān)業(yè)來(lái)說(shuō)，材料力學(xué)是一門(mén)非常重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。其以解決材料的強(qiáng)度問(wèn)題、剛度問(wèn)題、穩(wěn)定性問(wèn)題為總綱，具有較強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性。

一、現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

目前，國(guó)內(nèi)各高校土木工程專(zhuān)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(xiě)的教材。采用的課堂教學(xué)方法基本都是從簡(jiǎn)單的拉伸（壓縮）、剪切、扭轉(zhuǎn)和彎曲四種基本變形開(kāi)始，然后歸納到一般的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)分析與強(qiáng)度理論、組合變形以及壓桿穩(wěn)定問(wèn)題。在講授完課堂相關(guān)理論知識(shí)后，由實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)。總體上，土木工程專(zhuān)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(shí)一般在60~74個(gè)之間，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)一般在4~8個(gè)學(xué)時(shí)之間，學(xué)分在3.2~4.0分之間。針對(duì)材料力學(xué)的教改問(wèn)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(shí)踐，也發(fā)現(xiàn)了一系列的問(wèn)題，具體如下：

1.教師隊(duì)伍缺乏專(zhuān)業(yè)性。材料力學(xué)是土木工程專(zhuān)業(yè)、機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)、信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)等很多工科專(zhuān)業(yè)都開(kāi)設(shè)的一門(mén)專(zhuān)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(lái)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(duì)土木工程專(zhuān)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(shí)際土木工程相結(jié)合，這就導(dǎo)致了學(xué)生學(xué)到的知識(shí)僅限于書(shū)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(qiáng)，概念多，公式多，計(jì)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(duì)不強(qiáng)。本身理論性、抽象性又較強(qiáng)，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(shí)內(nèi)，很難理解其本質(zhì)，降低學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。

3.教材的發(fā)展相對(duì)落后于規(guī)范。目前，我國(guó)土木行業(yè)的規(guī)范體系中，如鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范等，除疲勞計(jì)算外，均基于近似概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法進(jìn)行強(qiáng)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(shí)與當(dāng)前工程實(shí)踐、新理論相差甚遠(yuǎn)，會(huì)誤導(dǎo)學(xué)生。

4.實(shí)驗(yàn)教學(xué)流于形式、學(xué)生不重視。材料力學(xué)的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)基本為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，有些甚至僅由教師給學(xué)生演示一遍，學(xué)生僅需觀(guān)看不需要自己動(dòng)手驗(yàn)證，最后學(xué)生上交實(shí)驗(yàn)報(bào)告就算是完成了實(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)驗(yàn)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(shí)甚至被學(xué)生認(rèn)為是耽誤了有限的課堂教學(xué)時(shí)間。

二、材料力學(xué)教學(xué)改革建議

針對(duì)材料力學(xué)教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)實(shí)踐，作者提出了一些針對(duì)性的建議，具體為：

1.教師隊(duì)伍注重專(zhuān)業(yè)性建設(shè)。充分意識(shí)到教師在教學(xué)過(guò)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(zhuān)業(yè)教師講授材料力學(xué)課程，這樣教師可以實(shí)時(shí)地把材料力學(xué)教學(xué)內(nèi)容與工程實(shí)踐結(jié)合起來(lái)，比如材料力學(xué)中梁構(gòu)件的支座可分為可動(dòng)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(shí)際中的梁對(duì)應(yīng)的支座又是那種呢？對(duì)于鋼筋混凝土梁構(gòu)件來(lái)說(shuō)，當(dāng)梁端部承受負(fù)彎矩，上部混凝土受拉開(kāi)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(dòng)，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(jì)算時(shí)就可以簡(jiǎn)化為固定端。通過(guò)專(zhuān)業(yè)老師的講授，使學(xué)生切實(shí)體會(huì)到材料力學(xué)和工程實(shí)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(shí)效性、拓展性建設(shè)。在對(duì)教學(xué)內(nèi)容不做較大修改的前提下，教學(xué)時(shí)注重時(shí)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(qiáng)度計(jì)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(jì)規(guī)范中基于近似概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)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(qiáng)度設(shè)計(jì)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(shí)際上公式（1）基于容許應(yīng)力設(shè)計(jì)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(guò)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(gè)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(jì)法設(shè)計(jì)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(xiàng)系數(shù)，對(duì)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(jì)值（荷載標(biāo)準(zhǔn)值乘以相應(yīng)的荷載分項(xiàng)系數(shù)）產(chǎn)生的軸拉力，f是由材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值除以抗力分項(xiàng)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(guò)程中我們也強(qiáng)調(diào)力學(xué)知識(shí)的拓展性，即材料力學(xué)中的相關(guān)知識(shí)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(gè)小豁口、如何吃火腿腸、冬天水管為什么會(huì)被冰脹裂、撐桿跳運(yùn)動(dòng)員使用的撐桿的變化（由木桿、竹竿、金屬桿等逐漸過(guò)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(guò)這些生活中的具體問(wèn)題，使缺少工程實(shí)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(shí)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(shí)，認(rèn)為應(yīng)該注意的一些細(xì)節(jié)性問(wèn)題。（1）多媒體課件形聲、動(dòng)畫(huà)兼?zhèn)洌瑢?duì)于抽象的應(yīng)力、應(yīng)變、變形過(guò)程等更容易展示出來(lái)，學(xué)生也容易理解，但制作課件時(shí)要注意排版、字體大小、顏色等，最好多圖片少漢字，能用動(dòng)畫(huà)表述不用文字描述。排版不宜過(guò)于花哨，否則會(huì)喧賓奪主，學(xué)生會(huì)把過(guò)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(shí)，尚應(yīng)涵蓋教材沒(méi)有涉及到的知識(shí)。但除重點(diǎn)內(nèi)容外，一般不必過(guò)于詳細(xì)，否則學(xué)生會(huì)認(rèn)為“課件”就是材料力學(xué)，降低他們主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性。細(xì)節(jié)決定成敗，一個(gè)好的多媒體課件可以讓學(xué)生在愉悅中掌握知識(shí)，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(tīng)這種學(xué)生“被動(dòng)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(qiáng)了教與學(xué)的互動(dòng)，使學(xué)生參與到教學(xué)活動(dòng)中來(lái)，而不是被動(dòng)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(shí)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(wèn)題在哪？帶著問(wèn)題去學(xué)習(xí)，學(xué)完相關(guān)內(nèi)容后，師生共同對(duì)問(wèn)題進(jìn)行歸納總結(jié)，加深學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解。比如在講解壓桿穩(wěn)定問(wèn)題時(shí)，教師首先提出問(wèn)題：僅長(zhǎng)度不同的鋼柱，其余均相同，哪個(gè)承載力會(huì)高一些呢？學(xué)生從生活常識(shí)的角度一般能知道短柱一般承載力會(huì)高一些，但不知道原因在哪兒。在講解完壓桿穩(wěn)定問(wèn)題后，學(xué)生就知道原因所在了?！皩W(xué)生自主學(xué)習(xí)”就是給學(xué)生站上講臺(tái)并充當(dāng)教師角色的機(jī)會(huì)。材料力學(xué)課程安排中一般會(huì)有2~4個(gè)學(xué)時(shí)的機(jī)動(dòng)課時(shí)，我們利用這幾個(gè)學(xué)時(shí)的時(shí)間，讓學(xué)生站上講臺(tái)，規(guī)定每個(gè)學(xué)生授課時(shí)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(guò)程中，教師充當(dāng)學(xué)生，最后由教師進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。以前，教學(xué)過(guò)程中，我們一般把這幾個(gè)學(xué)時(shí)安排成答疑，效果并不理想?；诖?，我們把答疑全部改為課下進(jìn)行，不占用課堂時(shí)間，把節(jié)約下來(lái)的課時(shí)用來(lái)給學(xué)生展示，這樣提高了他們學(xué)習(xí)的主觀(guān)能動(dòng)性和在眾人面前表達(dá)自己的能力，也讓他們體會(huì)到了教師工作的辛苦。

5.實(shí)驗(yàn)教學(xué)注重層次性建設(shè)。針對(duì)之前實(shí)驗(yàn)教學(xué)的弊端，我們作了如下改進(jìn)：（1）除實(shí)驗(yàn)室專(zhuān)門(mén)配備的教師外，要求材料力學(xué)授課教師全程參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)。（2）將實(shí)驗(yàn)分層，第一層次為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，包括拉伸、壓縮、平面彎曲實(shí)驗(yàn)。第二層次為綜合性實(shí)驗(yàn)，可以由學(xué)生自擬題目或結(jié)合教師個(gè)人科研項(xiàng)目確定。（3）基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，授課教師首先把與實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，由實(shí)驗(yàn)室教師對(duì)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(wèn)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(shí)間。為提高學(xué)生的動(dòng)手能力，實(shí)驗(yàn)按每2~3人一組進(jìn)行分組，撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)，學(xué)生除需對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析外，尚需對(duì)實(shí)驗(yàn)室教師預(yù)留的問(wèn)題進(jìn)行解答。對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不懂的問(wèn)題，也可以在實(shí)驗(yàn)報(bào)告上提出，最后由實(shí)驗(yàn)室教師匯總交給授課教師，由授課教師統(tǒng)一解答。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)報(bào)告上必須注明小組每個(gè)人的分工。（4）綜合性實(shí)驗(yàn)為選做性實(shí)驗(yàn)，可以是真實(shí)的物理性實(shí)驗(yàn)也可以是數(shù)值性實(shí)驗(yàn)，主要是針對(duì)學(xué)有余力的同學(xué)開(kāi)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(cè)定、焊接構(gòu)件殘余應(yīng)力測(cè)量等多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；參與到教師的科研項(xiàng)目中的實(shí)驗(yàn)就更多了，諸如一些實(shí)際檢測(cè)類(lèi)的工程項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)室的科研試驗(yàn)項(xiàng)目等。6.課程考核注重多樣性建設(shè)。課程考核過(guò)程中，摒棄了平時(shí)成績(jī)+實(shí)驗(yàn)課程成績(jī)+期末考試成績(jī)加權(quán)計(jì)算總成績(jī)、期末考試閉卷的傳統(tǒng)作法。相關(guān)改進(jìn)如下：（1）針對(duì)材料力學(xué)公式多、概念多的實(shí)際情況，考試時(shí)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(xiě)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(shí)該半張A4紙寫(xiě)上姓名隨同試卷上交。（2）減小主觀(guān)性成績(jī)?cè)诳偝煽?jī)中所占比重，平時(shí)成績(jī)主要依靠作業(yè)質(zhì)量、出勤率等來(lái)確定，但僅占總成績(jī)的10%；實(shí)驗(yàn)課程成績(jī)分為A（優(yōu)秀，對(duì)應(yīng)90分及以上）、B（良好，對(duì)應(yīng)80~90分）、C（中等，對(duì)應(yīng)70~80分）、D（及格，對(duì)應(yīng)60~70分）、E（不及格，對(duì)應(yīng)60以下）五個(gè)等級(jí)，若實(shí)驗(yàn)成績(jī)等級(jí)為E，則采用一票否決制，總成績(jī)不合格；若等級(jí)為C或D，實(shí)驗(yàn)課程成績(jī)占總成績(jī)的30%；若等級(jí)為A或B，實(shí)驗(yàn)課程成績(jī)占總成績(jī)的20%。總體上，實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)降停诳偝煽?jī)中所占比重越大，就會(huì)導(dǎo)致總成績(jī)?cè)降?，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

三、結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)幾輪的教學(xué)實(shí)踐改革，針對(duì)我校土木工程專(zhuān)業(yè)材料力學(xué)的教學(xué)改革取得了初步成效，學(xué)生對(duì)材料力學(xué)的理解逐漸由一門(mén)抽象、難懂的“力學(xué)課”轉(zhuǎn)變?yōu)橥聊竟こ虒?zhuān)業(yè)的一門(mén)“專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課”，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)動(dòng)力、動(dòng)手能力、解決實(shí)際問(wèn)題的能力大幅提高，學(xué)習(xí)過(guò)程中的參與感逐漸增強(qiáng)。但我們也意識(shí)到，材料力學(xué)教改工作是一項(xiàng)長(zhǎng)期工程，需要我們順應(yīng)形勢(shì)，進(jìn)一步地探索和實(shí)踐。

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[8]宋曦，楊靜寧．工科專(zhuān)業(yè)材料力學(xué)教學(xué)創(chuàng)新的探索與實(shí)踐[J]．力學(xué)與實(shí)踐，2010，32(2)：142-146．

[9]劉小蠻，杜國(guó)君．材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)思考———會(huì)做、會(huì)用、會(huì)意[J]．力學(xué)與實(shí)踐，2013，35(4)：74-77．

[10]GB50017-2003．鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．[11]GB50010-2010．混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[12]蔣持平．為明天的探索奠基———北京航空航天大學(xué)材料力學(xué)精品課程建設(shè)[J]．力學(xué)與實(shí)踐，2006，28(4)：73-75．

作者：于海豐 鄒丹丹 張華