基于工程實(shí)際的彈性力學(xué)教學(xué)改革的探索與實(shí)踐

朱力 劉萌 盧文良

摘 要：作為工程力學(xué)學(xué)科中最基礎(chǔ)，也是最重要的一門(mén)課程，彈性力學(xué)被廣泛應(yīng)用于眾多工程范疇，并且具有十分多的工程典型案例。因?yàn)閺椥粤W(xué)研究對(duì)象廣泛、研究?jī)?nèi)容抽象，導(dǎo)致在目前的教學(xué)中學(xué)生普遍認(rèn)為彈性力學(xué)只是推導(dǎo)繁瑣又復(fù)雜的公式，甚至對(duì)這門(mén)學(xué)科產(chǎn)生逆反心理。本文根據(jù)現(xiàn)階段此科目教學(xué)中采用的講授方式與設(shè)置的課堂內(nèi)容上出現(xiàn)的一些弊端，研究彈性力學(xué)課程在教學(xué)方法和內(nèi)容上進(jìn)行變革的新思路。在不斷摸索與改進(jìn)的過(guò)程中喚起學(xué)生在課堂上學(xué)習(xí)的積極性和自主性，與此同時(shí)鍛煉出工科學(xué)生的科學(xué)研究能力和工程實(shí)際應(yīng)用能力，提高課堂效率和教學(xué)水平。

關(guān)鍵詞：彈性力學(xué); 教學(xué)內(nèi)容; 教學(xué)方法; 教學(xué)改革

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1006-3315（2019）11-159-002

一、彈性力學(xué)教學(xué)中存在的問(wèn)題

1.教學(xué)內(nèi)容不注重實(shí)踐能力培養(yǎng)

當(dāng)前，彈性力學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容往往不考慮將結(jié)果進(jìn)行對(duì)照分析，而過(guò)于側(cè)重理論公式的推導(dǎo)[1]。彈性力學(xué)理論知識(shí)抽象，有繁雜的公式需要老師帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行逐步遞推，可是學(xué)生不知道這些公式如何進(jìn)行工程實(shí)踐應(yīng)用，也不知道這些公式的正確性，因而工科學(xué)生普遍反映這門(mén)課程比較難掌握。

2.教學(xué)方法脫離科研及工程實(shí)際

如今彈性力學(xué)的教課方式缺乏對(duì)學(xué)生處理難度較大的科研問(wèn)題或者是專(zhuān)業(yè)工程問(wèn)題能力的指引與培養(yǎng)，卻偏向于對(duì)古典問(wèn)題進(jìn)行講解。所以，學(xué)生無(wú)法熟練地借助于所學(xué)彈性力學(xué)的分析思路和技巧去處理科研和工程實(shí)際中遇到的問(wèn)題。

二、彈性力學(xué)的教學(xué)改革探討

1.啟發(fā)式教學(xué)

彈性力學(xué)課程對(duì)工科的學(xué)生而言始終是一門(mén)重要卻難學(xué)的課程，其中繁多的偏分、微分運(yùn)算和數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，會(huì)使學(xué)生在理解過(guò)程中感覺(jué)難度很大，喪失對(duì)彈性力學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí)的熱情[2]。因?yàn)樵撻T(mén)課程公式繁雜，老師僅僅以講授作為教學(xué)方法是不足夠的，授課過(guò)程當(dāng)中應(yīng)該重點(diǎn)引發(fā)學(xué)生的興趣，同時(shí)提高學(xué)生的積極性和自主性。確定了每堂課的講解內(nèi)容之余，還要準(zhǔn)備在提及這部分知識(shí)時(shí)采取啟發(fā)式和提問(wèn)式相結(jié)合的課堂環(huán)節(jié)設(shè)置。

啟發(fā)式講授最核心的是老師在教學(xué)中要針對(duì)某一章節(jié)的知識(shí)提出實(shí)際工程遇到的問(wèn)題，讓學(xué)生們發(fā)散思維，開(kāi)動(dòng)腦筋，帶著問(wèn)題學(xué)習(xí)也能更專(zhuān)心、更投入。例如，在講解圓孔應(yīng)力集中的問(wèn)題時(shí)，可以采用提問(wèn)的方式要求學(xué)生們?cè)囍e例描述一些日常生活中存在的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這樣在教課的時(shí)候就變得生動(dòng)活躍不枯燥，學(xué)生也可以打起精神用心聽(tīng)講，用心思考，提出難點(diǎn)，課堂效率也大大提高[3]。

2.結(jié)合其他力學(xué)講解彈性力學(xué)

學(xué)生在解決實(shí)際工程問(wèn)題時(shí)，通常不清楚應(yīng)該選用哪門(mén)力學(xué)中的理論來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)化分析，也不能認(rèn)識(shí)到彈性力學(xué)的重要性，因此有必要讓學(xué)生清楚三大力學(xué)和彈性力學(xué)之間的關(guān)系，并加以比對(duì)和歸納。當(dāng)學(xué)生明確這幾門(mén)力學(xué)課程的研究對(duì)象、假設(shè)、在結(jié)構(gòu)計(jì)算中的作用等以及每門(mén)課程的任務(wù)、聯(lián)系與區(qū)別后，便能靈活的解決科研和工程問(wèn)題。其中理論力學(xué)為后繼所學(xué)課程鋪墊基礎(chǔ)，主要總結(jié)出平衡方程;此后材料力學(xué)主要探討單一桿系結(jié)構(gòu)受力過(guò)程中產(chǎn)生的剪切、拉伸、彎曲、壓縮、扭轉(zhuǎn)等變形下的強(qiáng)度和剛度;而結(jié)構(gòu)力學(xué)則主要涉及算出桿系結(jié)構(gòu)的軸力、剪切、彎曲等內(nèi)力，解決桿系結(jié)構(gòu)的超靜定問(wèn)題，并且繪出相應(yīng)的內(nèi)力圖。如此可以轉(zhuǎn)換成材料力學(xué)問(wèn)題，來(lái)計(jì)算桿系結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度以及剛度，例如建筑結(jié)構(gòu)中的框架結(jié)構(gòu)等[4]。

可是實(shí)際工程中有些結(jié)構(gòu)不可以簡(jiǎn)化為桿件，比如板、殼、壩體等實(shí)體結(jié)構(gòu)，再運(yùn)用材料力學(xué)以及結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)處理就會(huì)受到限制，必須利用彈性力學(xué)知識(shí)去解決。與此同時(shí)，由于材料力學(xué)重點(diǎn)分析桿件受力，通?；谄浇孛婕俣ㄍ茖?dǎo)應(yīng)力公式，彈性力學(xué)則不考慮平截面假定而是利用微元體來(lái)分析靜力、幾何與物理的微分關(guān)系，此舉不但可以解決桿件結(jié)構(gòu)受力問(wèn)題，還能夠分析研究實(shí)體結(jié)構(gòu)，學(xué)生也能在學(xué)習(xí)過(guò)程中親自領(lǐng)悟材料力學(xué)公式的適用性。

三、彈性力學(xué)的教學(xué)改革實(shí)施過(guò)程

在彈性力學(xué)的授課過(guò)程中，要將某方面內(nèi)容的講解與實(shí)際工程相互聯(lián)系，做到使學(xué)生明白如何應(yīng)用所學(xué)內(nèi)容。正所謂學(xué)以致用，學(xué)生應(yīng)該意識(shí)到，攻讀彈性力學(xué)是不能脫離專(zhuān)業(yè)工程實(shí)踐的。工程力學(xué)學(xué)科的學(xué)習(xí)目的不是為了通過(guò)某一科目的結(jié)課考試，取得一個(gè)較為滿(mǎn)意的分?jǐn)?shù)，而是為了以后科研或工作中解決工程問(wèn)題時(shí)能夠保證效率高、可靠性強(qiáng)，這樣也對(duì)學(xué)生今后的發(fā)展大有裨益。

1.以闡釋生活現(xiàn)象的方式引出問(wèn)題

彈性力學(xué)的課程在教課時(shí)，很多的學(xué)生都認(rèn)為彈性力學(xué)全部為理論推導(dǎo)，內(nèi)容抽象，學(xué)完覺(jué)得毫無(wú)用處，因而產(chǎn)生抗拒心理，其根源還是對(duì)彈性力學(xué)的了解不足。事實(shí)上彈性力學(xué)內(nèi)容中大多數(shù)的理論與公式都是根據(jù)具體工程問(wèn)題歸納總結(jié)的，它是一門(mén)與實(shí)際工程問(wèn)題聯(lián)系較為密切的課程。因而在教學(xué)設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)融入一些實(shí)際問(wèn)題，比如在進(jìn)行圣維南原理的講授時(shí)，可以隨堂引入一些與生活息息相關(guān)的問(wèn)題：用鉗子剪鐵絲時(shí)，為什么鐵絲的兩端不會(huì)發(fā)生變形？有水流經(jīng)過(guò)地面下的排水管道的時(shí)候?yàn)槭裁绰访嫔系娜藚s毫無(wú)感覺(jué)？以此來(lái)引發(fā)學(xué)生對(duì)于“圣維南原理局部邊界”的理論思考，培養(yǎng)學(xué)生以學(xué)到的東西來(lái)解釋日常存在的問(wèn)題的能力，達(dá)到實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用的目的。

2.從工程實(shí)際出發(fā)講解彈性力學(xué)

彈性力學(xué)的教學(xué)應(yīng)該更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)合專(zhuān)業(yè)的工程上的問(wèn)題，從具體的實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，讓學(xué)生能夠理解更為透徹，掌握并學(xué)會(huì)以彈性力學(xué)來(lái)解決實(shí)際運(yùn)用中一般問(wèn)題。教師在設(shè)計(jì)講義時(shí)，盡量在每一章節(jié)的內(nèi)容中都引入工程實(shí)例，讓學(xué)生對(duì)工程背景的受力特點(diǎn)和幾何特征進(jìn)行分析和討論，使學(xué)生清楚老師講到的知識(shí)是如何運(yùn)用和體現(xiàn)到工程實(shí)例中的[5]。

例如在第三章“簡(jiǎn)支梁受均布荷載”的教學(xué)內(nèi)容中，老師可以先根據(jù)實(shí)際工程中可能遇到的淺梁和深梁受均布荷載的問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生課堂思考與發(fā)言，使得學(xué)生對(duì)該問(wèn)題的彈性力學(xué)解答和材料力學(xué)解答進(jìn)行對(duì)比，并闡述他們的分析過(guò)程和結(jié)論，然后師生再針對(duì)深梁共同建立該工程實(shí)際問(wèn)題的力學(xué)計(jì)算模型，試算當(dāng)梁的深度為跨度的一半時(shí)，最大彎應(yīng)力的修正量，共同探討并總結(jié)材料力學(xué)的解答在解決哪類(lèi)力學(xué)問(wèn)題時(shí)才足夠精確，而哪些問(wèn)題必須用彈性力學(xué)的理論來(lái)解決。[4]啟迪和指導(dǎo)學(xué)生理論對(duì)比分析材料力學(xué)和彈性力學(xué)解答的不同，以此使學(xué)生對(duì)深梁等工程的應(yīng)力計(jì)算這方面內(nèi)容的理解更深刻[6]。

又例如，由日常生活中常見(jiàn)的樓板引發(fā)學(xué)生對(duì)薄板受力彎曲問(wèn)題的思考，一根梁可以通過(guò)結(jié)構(gòu)力學(xué)來(lái)分析其受力，而平板問(wèn)題則需要彈性力學(xué)來(lái)解決。

以上舉例也說(shuō)明了彈性力學(xué)與之前學(xué)過(guò)的其余各門(mén)力學(xué)課程之間有著一定的關(guān)聯(lián)和差異。學(xué)生大多不會(huì)意識(shí)到彈性力學(xué)有何種意義，就是因?yàn)樵趯W(xué)完其他力學(xué)后沒(méi)有作充分總結(jié)和對(duì)比。因而需指導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)的同時(shí)總結(jié)各門(mén)課程在研究對(duì)象、內(nèi)容以及方法等方面的差異，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，使學(xué)生意識(shí)到本課程的重要地位和作用。

四、總結(jié)

彈性力學(xué)課程教學(xué)改革的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)就是學(xué)生能否將彈性力學(xué)基本理論及其相關(guān)知識(shí)作為有力工具來(lái)進(jìn)行之后的科學(xué)研究分析和解決實(shí)際復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)問(wèn)題。相關(guān)領(lǐng)域的實(shí)操和發(fā)展深受教學(xué)效果的影響，故此項(xiàng)改革是十分重要的。

本文提出將實(shí)際案例融入彈性力學(xué)理論教學(xué)中，通過(guò)講授彈性力學(xué)理論在科研和實(shí)操中的使用，引導(dǎo)學(xué)生多加思索，對(duì)思考感興趣，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生們提高科研創(chuàng)新及解決實(shí)際問(wèn)題的能力的教學(xué)目標(biāo)。實(shí)踐證明，結(jié)合實(shí)際背景教學(xué)，將理論和實(shí)際的使用相關(guān)聯(lián)，就是該門(mén)課培養(yǎng)工科生創(chuàng)新能力的重要方式，這樣當(dāng)學(xué)生以后繼續(xù)做科研的話(huà)就會(huì)有足夠的基礎(chǔ)知識(shí)。

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