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土木工程專(zhuān)業(yè)材料力學(xué)教學(xué)改革論文
摘要：為提高土木工程專(zhuān)業(yè)材料力學(xué)的教學(xué)效果，針對教學(xué)過(guò)程中發(fā)現的一些問(wèn)題，在教師隊伍專(zhuān)業(yè)性，教學(xué)內容時(shí)效性、拓展性，教學(xué)手段結合性、細節性，教學(xué)方法靈活性，實(shí)驗教學(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:這些教改措施增強了學(xué)生的學(xué)習興趣、學(xué)習動(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。一般認為，1638年，意大利著(zhù)名數學(xué)家、天文學(xué)家、理學(xué)家伽利略出版的名著(zhù)《關(guān)于兩門(mén)新科學(xué)的談話(huà)和數學(xué)證明》標志著(zhù)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)和強度的計算方法。對于土木工程專(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)基礎課。其以解決材料的強度問(wèn)題、剛度問(wèn)題、穩定性問(wèn)題為總綱，具有較強的理論性和實(shí)踐性。
一、現狀及存在的問(wèn)題
目前，國內各高校土木工程專(zhuān)業(yè)多選用張如三、孫訓方、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、扭轉和彎曲四種基本變形開(kāi)始，然后歸納到一般的應力應變狀態(tài)分析與強度理論、組合變形以及壓桿穩定問(wèn)題。在講授完課堂相關(guān)理論知識后，由實(shí)驗指導教師指導學(xué)生進(jìn)行軸向拉伸、壓縮以及平面彎曲等實(shí)驗�？傮w上，土木工程專(zhuān)業(yè)的材料力學(xué)教學(xué)內容已經(jīng)比較穩定，課堂學(xué)時(shí)一般在60~74個(gè)之間，實(shí)驗學(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。但結合我們前些年的教學(xué)實(shí)踐，也發(fā)現了一系列的問(wèn)題，具體如下：
1.教師隊伍缺乏專(zhuān)業(yè)性。材料力學(xué)是土木工程專(zhuān)業(yè)、機械類(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)設的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎課，因此很多學(xué)校（包括作者所在學(xué)校前些年）均統一安排基礎學(xué)部的力學(xué)教師來(lái)講授材料力學(xué)。從學(xué)校層面講，這樣安排節省了教學(xué)資源，便于統一管理。但弊端是基礎學(xué)部的教師對土木工程專(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)際土木工程相結合，這就導致了學(xué)生學(xué)到的知識僅限于書(shū)本上，不知究竟學(xué)到了什么，很難提升學(xué)習興趣。
2.材料力學(xué)理論性較強，概念多，公式多，計算多，內容多，學(xué)生接受困難。材料力學(xué)章節多，內容多，各章之間連續性相對不強。本身理論性、抽象性又較強，很多概念，如應力、應變等，學(xué)生第一次接觸，若采用傳統的講授式教學(xué)，不輔以必要的手段，在有限學(xué)時(shí)內，很難理解其本質(zhì)，降低學(xué)生學(xué)習的主動(dòng)性和積極性。
3.教材的發(fā)展相對落后于規范。目前，我國土木行業(yè)的規范體系中，如鋼結構設計規范、混凝土結構設計規范等，除疲勞計算外，均基于近似概率極限狀態(tài)設計法進(jìn)行強度、穩定等校核，而材料力學(xué)中仍主要采用容許應力法，若完全按照教材講解，學(xué)生所學(xué)知識與當前工程實(shí)踐、新理論相差甚遠，會(huì )誤導學(xué)生。
4.實(shí)驗教學(xué)流于形式、學(xué)生不重視。材料力學(xué)的實(shí)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(shí)驗基本為驗證性實(shí)驗，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)手驗證，最后學(xué)生上交實(shí)驗報告就算是完成了實(shí)驗教學(xué)。實(shí)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(shí)甚至被學(xué)生認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
針對材料力學(xué)教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)實(shí)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(zhuān)業(yè)性建設。充分意識到教師在教學(xué)過(guò)程中的主導及組織作用，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)內容與工程實(shí)踐結合起來(lái)，比如材料力學(xué)中梁構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)際中的梁對應的支座又是那種呢？對于鋼筋混凝土梁構件來(lái)說(shuō)，當梁端部承受負彎矩，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)生轉動(dòng)，進(jìn)而釋放掉負彎矩，這樣一般就可認為是固定鉸；反之，若梁端上部配置了足夠多的縱向受拉鋼筋，那計算時(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)習的興趣。
2.教學(xué)內容注重時(shí)效性、拓展性建設。在對教學(xué)內容不做較大修改的前提下，教學(xué)時(shí)注重時(shí)效性，與現行相關(guān)規范作比較，如軸心受拉構件的強度計算公式，材料力學(xué)中基于容許應力法的表述為公式（1）、鋼結構設計規范中基于近似概率極限狀態(tài)設計法的表述為公式（2）。NAn≤[σ]（1）NAn≤f（2）式中，N為構件受到的軸拉力；An為構件的凈截面面積；[σ]為許用應力，Q235鋼材一般取150~170MPa之間；f為鋼材的抗拉強度設計值，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）的區別僅為[σ]和f。但實(shí)際上公式（1）基于容許應力設計法，要求結構在標準荷載下產(chǎn)生應力不得超過(guò)材料的容許應力[σ]（容許應力[σ]由材料的極限應力除以一個(gè)大于1的安全系數得到），因此可知，式（1）中的N是由標準荷載產(chǎn)生的軸拉力。近似概率極限狀態(tài)設計法設計公式（2）是用荷載或荷載效應、材料性能和幾何參數的標準值附以各種分項系數，對于不同重要性的結構，尚應考慮結構重要性系數，即式（2）中的N是由荷載設計值（荷載標準值乘以相應的荷載分項系數）產(chǎn)生的軸拉力，f是由材料強度標準值除以抗力分項系數得到。除注重教學(xué)內容與現行規范相結合外，教學(xué)過(guò)程中我們也強調力學(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用，在生活中也有大量應用，諸如食品包裝袋上預留一個(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)生意識到材料力學(xué)就在我們身邊，并逐步引導學(xué)生自己去發(fā)現材料力學(xué)在生活中的應用，進(jìn)而提高學(xué)生的學(xué)習興趣。
3.教學(xué)手段注重結合性、細節性建設。本文著(zhù)重介紹的是作者采用多媒體課件教學(xué)時(shí)，認為應該注意的一些細節性問(wèn)題。（1）多媒體課件形聲、動(dòng)畫(huà)兼備，對于抽象的應力、應變、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)內容上。（2）多媒體課件內容選擇上，輻射面要廣，不僅包含教材上的知識，尚應涵蓋教材沒(méi)有涉及到的知識。但除重點(diǎn)內容外，一般不必過(guò)于詳細，否則學(xué)生會(huì )認為“課件”就是材料力學(xué)，降低他們主動(dòng)學(xué)習的積極性。細節決定成敗，一個(gè)好的多媒體課件可以讓學(xué)生在愉悅中掌握知識，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。為改善傳統的教師講、學(xué)生聽(tīng)這種學(xué)生“被動(dòng)學(xué)習”的教學(xué)方法，將“啟發(fā)式學(xué)習”“學(xué)生自主學(xué)習”與傳統的教學(xué)方法相結合，引導學(xué)生積極思考，增強了教與學(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”的核心是引導學(xué)生學(xué)習，結合材料力學(xué)每章節課程內容，教師在導課時(shí)都結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(zhù)問(wèn)題去學(xué)習，學(xué)完相關(guān)內容后，師生共同對問(wèn)題進(jìn)行歸納總結，加深學(xué)生對學(xué)習內容的理解。比如在講解壓桿穩定問(wèn)題時(shí)，教師首先提出問(wèn)題：僅長(cháng)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”就是給學(xué)生站上講臺并充當教師角色的機會(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，規定每個(gè)學(xué)生授課時(shí)間一般在8分鐘左右，從授課章節、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，教師充當學(xué)生，最后由教師進(jìn)行點(diǎn)評。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)習的主觀(guān)能動(dòng)性和在眾人面前表達自己的能力，也讓他們體會(huì )到了教師工作的辛苦。
5.實(shí)驗教學(xué)注重層次性建設。針對之前實(shí)驗教學(xué)的弊端，我們作了如下改進(jìn)：（1）除實(shí)驗室專(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)驗教學(xué)。（2）將實(shí)驗分層，第一層次為基礎性實(shí)驗，包括拉伸、壓縮、平面彎曲實(shí)驗。第二層次為綜合性實(shí)驗，可以由學(xué)生自擬題目或結合教師個(gè)人科研項目確定。（3）基礎性實(shí)驗教學(xué)過(guò)程中，授課教師首先把與實(shí)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(shí)驗室進(jìn)行實(shí)驗時(shí)，由實(shí)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)行詳細講解，并預留下一些問(wèn)題。因學(xué)生課下已經(jīng)做好了預習，這樣有效地節省了準備時(shí)間。為提高學(xué)生的動(dòng)手能力，實(shí)驗按每2~3人一組進(jìn)行分組，撰寫(xiě)實(shí)驗報告時(shí)，學(xué)生除需對實(shí)驗數據進(jìn)行整理分析外，尚需對實(shí)驗室教師預留的問(wèn)題進(jìn)行解答。對實(shí)驗過(guò)程中不懂的問(wèn)題，也可以在實(shí)驗報告上提出，最后由實(shí)驗室教師匯總交給授課教師，由授課教師統一解答。同時(shí)，實(shí)驗報告上必須注明小組每個(gè)人的分工。（4）綜合性實(shí)驗為選做性實(shí)驗，可以是真實(shí)的物理性實(shí)驗也可以是數值性實(shí)驗，主要是針對學(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定承載力的測定、焊接構件殘余應力測量等多個(gè)實(shí)驗項目；參與到教師的科研項目中的實(shí)驗就更多了，諸如一些實(shí)際檢測類(lèi)的工程項目、實(shí)驗室的科研試驗項目等。6.課程考核注重多樣性建設。課程考核過(guò)程中，摒棄了平時(shí)成績(jì)+實(shí)驗課程成績(jì)+期末考試成績(jì)加權計算總成績(jì)、期末考試閉卷的傳統作法。相關(guān)改進(jìn)如下：（1）針對材料力學(xué)公式多、概念多的實(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)自己認為重要的公式、概念等等，但只能自用不可互相傳閱，考試結束時(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(jì)在總成績(jì)中所占比重，平時(shí)成績(jì)主要依靠作業(yè)質(zhì)量、出勤率等來(lái)確定，但僅占總成績(jì)的10%；實(shí)驗課程成績(jì)分為A（優(yōu)秀，對應90分及以上）、B（良好，對應80~90分）、C（中等，對應70~80分）、D（及格，對應60~70分）、E（不及格，對應60以下）五個(gè)等級，若實(shí)驗成績(jì)等級為E，則采用一票否決制，總成績(jì)不合格；若等級為C或D，實(shí)驗課程成績(jì)占總成績(jì)的30%；若等級為A或B，實(shí)驗課程成績(jì)占總成績(jì)的20%�？傮w上，實(shí)驗成績(jì)越低，在總成績(jì)中所占比重越大，就會(huì )導致總成績(jì)越低，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生重視實(shí)驗教學(xué)。
三、結束語(yǔ)
經(jīng)過(guò)幾輪的教學(xué)實(shí)踐改革，針對我校土木工程專(zhuān)業(yè)材料力學(xué)的教學(xué)改革取得了初步成效，學(xué)生對材料力學(xué)的理解逐漸由一門(mén)抽象、難懂的“力學(xué)課”轉變?yōu)橥聊竟こ虒?zhuān)業(yè)的一門(mén)“專(zhuān)業(yè)基礎課”，學(xué)生的學(xué)習興趣、學(xué)習動(dòng)力、動(dòng)手能力、解決實(shí)際問(wèn)題的能力大幅提高，學(xué)習過(guò)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(cháng)期工程，需要我們順應形勢，進(jìn)一步地探索和實(shí)踐。
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