土木工程專業(yè)材料力學教學改革論文
摘要：為提高土木工程專業(yè)材料力學的教學效果，針對教學過程中發(fā)現的一些問題，在教師隊伍專業(yè)性，教學內容時效性、拓展性，教學手段結合性、細節(jié)性，教學方法靈活性，實驗教學層次性，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生的學習興趣、學習動力、動手能力、解決實際問題的能力，有利于土木工程專業(yè)材料力學教學質量的提高。
關鍵詞：土木工程；材料力學；教學改革；教學內容；課程考核
引言
材料力學是固體力學中最早發(fā)展起來的一個分支。一般認為，1638年，意大利著名數學家、天文學家、理學家伽利略出版的名著《關于兩門新科學的談話和數學證明》標志著材料力學的開端。書中，首次提出了材料的力學性質和強度的計算方法。對于土木工程專業(yè)來說，材料力學是一門非常重要的專業(yè)基礎課。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、現狀及存在的問題
目前，國內各高校土木工程專業(yè)多選用張如三、孫訓方、劉鴻文主編的《材料力學》作為指定教材，或者選用在這三本《材料力學》基礎上重新編寫的教材。采用的課堂教學方法基本都是從簡單的拉伸（壓縮）、剪切、扭轉和彎曲四種基本變形開始，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(wěn)定問題。在講授完課堂相關理論知識后，由實驗指導教師指導學生進行軸向拉伸、壓縮以及平面彎曲等實驗�？傮w上，土木工程專業(yè)的材料力學教學內容已經比較穩(wěn)定，課堂學時一般在60~74個之間，實驗學時一般在4~8個學時之間，學分在3.2~4.0分之間。針對材料力學的教改問題，很多同行進行了研究，也取得了一定的成果。但結合我們前些年的教學實踐，也發(fā)現了一系列的問題，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)都開設的一門專業(yè)基礎課，因此很多學校（包括作者所在學校前些年）均統(tǒng)一安排基礎學部的力學教師來講授材料力學。從學校層面講，這樣安排節(jié)省了教學資源，便于統(tǒng)一管理。但弊端是基礎學部的教師對土木工程專業(yè)缺乏深入的了解，不能將材料力學中的相關理論和實際土木工程相結合，這就導致了學生學到的知識僅限于書本上，不知究竟學到了什么，很難提升學習興趣。
2.材料力學理論性較強，概念多，公式多，計算多，內容多，學生接受困難。材料力學章節(jié)多，內容多，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，如應力、應變等，學生第一次接觸，若采用傳統(tǒng)的講授式教學，不輔以必要的手段，在有限學時內，很難理解其本質，降低學生學習的主動性和積極性。
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，如鋼結構設計規(guī)范、混凝土結構設計規(guī)范等，除疲勞計算外，均基于近似概率極限狀態(tài)設計法進行強度、穩(wěn)定等校核，而材料力學中仍主要采用容許應力法，若完全按照教材講解，學生所學知識與當前工程實踐、新理論相差甚遠，會誤導學生。
4.實驗教學流于形式、學生不重視。材料力學的實驗基本是在課堂教學講授完相關理論之后進行，相關實驗基本為驗證性實驗，有些甚至僅由教師給學生演示一遍，學生僅需觀看不需要自己動手驗證，最后學生上交實驗報告就算是完成了實驗教學。實驗教學淪為一種“形式主義”教學，不僅提高不了學生的興趣，有時甚至被學生認為是耽誤了有限的課堂教學時間。
二、材料力學教學改革建議
針對材料力學教學實踐中發(fā)現的問題，經過實踐，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。充分意識到教師在教學過程中的主導及組織作用，選擇具有較高學術水平、豐富工程背景的土木工程專業(yè)教師講授材料力學課程，這樣教師可以實時地把材料力學教學內容與工程實踐結合起來，比如材料力學中梁構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的支座又是那種呢？對于鋼筋混凝土梁構件來說，當梁端部承受負彎矩，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)生轉動，進而釋放掉負彎矩，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，那計算時就可以簡化為固定端。通過專業(yè)老師的講授，使學生切實體會到材料力學和工程實踐的密切關系，進而激發(fā)學習的興趣。
2.教學內容注重時效性、拓展性建設。在對教學內容不做較大修改的前提下，教學時注重時效性，與現行相關規(guī)范作比較，如軸心受拉構件的強度計算公式，材料力學中基于容許應力法的表述為公式（1）、鋼結構設計規(guī)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(qū)別僅為[σ]和f。但實際上公式（1）基于容許應力設計法，要求結構在標準荷載下產生應力不得超過材料的容許應力[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。除注重教學內容與現行規(guī)范相結合外，教學過程中我們也強調力學知識的拓展性，即材料力學中的相關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在用的玻璃纖維桿）、香蕉球的力學原理、彈簧秤的力學原理等等，通過這些生活中的具體問題，使缺少工程實踐的學生從生活案例中理解材料力學概念，讓學生意識到材料力學就在我們身邊，并逐步引導學生自己去發(fā)現材料力學在生活中的應用，進而提高學生的學習興趣。
3.教學手段注重結合性、細節(jié)性建設。本文著重介紹的是作者采用多媒體課件教學時，認為應該注意的一些細節(jié)性問題。（1）多媒體課件形聲、動畫兼?zhèn)�，對于抽象的應力、應變、變形過程等更容易展示出來，學生也容易理解，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，學生會把過多的注意力放在課件上，而不是教學內容上。（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，尚應涵蓋教材沒有涉及到的知識。但除重點內容外，一般不必過于詳細，否則學生會認為“課件”就是材料力學，降低他們主動學習的積極性。細節(jié)決定成敗，一個好的多媒體課件可以讓學生在愉悅中掌握知識，優(yōu)化課堂教學，提高教學質量。
4.教學方法上注重靈活性建設。為改善傳統(tǒng)的教師講、學生聽這種學生“被動學習”的教學方法，將“啟發(fā)式學習”“學生自主學習”與傳統(tǒng)的教學方法相結合，引導學生積極思考，增強了教與學的互動，使學生參與到教學活動中來，而不是被動地接受�！皢l(fā)式學習”的核心是引導學生學習，結合材料力學每章節(jié)課程內容，教師在導課時都結合具體的工程案例或相關科研成果，首先讓學生知道要學什么，相關的問題在哪？帶著問題去學習，學完相關內容后，師生共同對問題進行歸納總結，加深學生對學習內容的理解。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，學生就知道原因所在了。“學生自主學習”就是給學生站上講臺并充當教師角色的機會。材料力學課程安排中一般會有2~4個學時的機動課時，我們利用這幾個學時的時間，讓學生站上講臺，規(guī)定每個學生授課時間一般在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生自主完成，在“學生教師”授課的過程中，教師充當學生，最后由教師進行點評。以前，教學過程中，我們一般把這幾個學時安排成答疑，效果并不理想�；诖�，我們把答疑全部改為課下進行，不占用課堂時間，把節(jié)約下來的'課時用來給學生展示，這樣提高了他們學習的主觀能動性和在眾人面前表達自己的能力，也讓他們體會到了教師工作的辛苦。
5.實驗教學注重層次性建設。針對之前實驗教學的弊端，我們作了如下改進：（1）除實驗室專門配備的教師外，要求材料力學授課教師全程參與實驗教學。（2）將實驗分層，第一層次為基礎性實驗，包括拉伸、壓縮、平面彎曲實驗。第二層次為綜合性實驗，可以由學生自擬題目或結合教師個人科研項目確定。（3）基礎性實驗教學過程中，授課教師首先把與實驗有關的多媒體課件等相關素材提供給學生。進入實驗室進行實驗時，由實驗室教師對授課教師事先提供給學生的素材（多媒體課件等）進行詳細講解，并預留下一些問題。因學生課下已經做好了預習，這樣有效地節(jié)省了準備時間。為提高學生的動手能力，實驗按每2~3人一組進行分組，撰寫實驗報告時，學生除需對實驗數據進行整理分析外，尚需對實驗室教師預留的問題進行解答。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值性實驗，主要是針對學有余力的同學開展的。截至作者發(fā)稿前，學生自擬了軸向壓桿穩(wěn)定承載力的測定、焊接構件殘余應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。課程考核過程中，摒棄了平時成績+實驗課程成績+期末考試成績加權計算總成績、期末考試閉卷的傳統(tǒng)作法。相關改進如下：（1）針對材料力學公式多、概念多的實際情況，考試時允許學生自備半張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，就會導致總成績越低，進而促進學生重視實驗教學。
三、結束語
經過幾輪的教學實踐改革，針對我校土木工程專業(yè)材料力學的教學改革取得了初步成效，學生對材料力學的理解逐漸由一門抽象、難懂的“力學課”轉變?yōu)橥聊竟こ虒I(yè)的一門“專業(yè)基礎課”，學生的學習興趣、學習動力、動手能力、解決實際問題的能力大幅提高，學習過程中的參與感逐漸增強。但我們也意識到，材料力學教改工作是一項長期工程，需要我們順應形勢，進一步地探索和實踐。
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