土木工程专业材料力学教学改革

摘要：为提高土木工程专业材料力学的教学效果，针对教学过程中发现的一些问题，在教师队伍专业性，教学内容时效性、拓展性，教学手段结合性、细节性，教学方法灵活性，实验教学层次性，课程考核多样性六个方面作出了有益的探索和尝试。实践表明:这些教改措施增强了学生的学习兴趣、学习动力、动手能力、解决实际问题的能力，有利于土木工程专业材料力学教学质量的提高。

关键词：土木工程；材料力学；教学改革；教学内容；课程考核

引言

材料力学是固体力学中最早发展起来的一个分支。一般认为，1638年，意大利著名数学家、天文学家、理学家伽利略出版的名著《关于两门新科学的谈话和数学证明》标志着材料力学的开端。书中，首次提出了材料的力学性质和强度的计算方法。对于土木工程专业来说，材料力学是一门非常重要的专业基础课。其以解决材料的强度问题、刚度问题、稳定性问题为总纲，具有较强的理论性和实践性。

一、现状及存在的问题

目前，国内各高校土木工程专业多选用张如三、孙训方、刘鸿文主编的《材料力学》作为指定教材，或者选用在这三本《材料力学》基础上重新编写的教材。采用的课堂教学方法基本都是从简单的拉伸（压缩）、剪切、扭转和弯曲四种基本变形开始，然后归纳到一般的应力应变状态分析与强度理论、组合变形以及压杆稳定问题。在讲授完课堂相关理论知识后，由实验指导教师指导学生进行轴向拉伸、压缩以及平面弯曲等实验。总体上，土木工程专业的材料力学教学内容已经比较稳定，课堂学时一般在60~74个之间，实验学时一般在4~8个学时之间，学分在3.2~4.0分之间。针对材料力学的教改问题，很多同行进行了研究，也取得了一定的成果。但结合我们前些年的教学实践，也发现了一系列的问题，具体如下：

1.教师队伍缺乏专业性。材料力学是土木工程专业、机械类专业、信息类专业等很多工科专业都开设的一门专业基础课，因此很多学校（包括作者所在学校前些年）均统一安排基础学部的力学教师来讲授材料力学。从学校层面讲，这样安排节省了教学资源，便于统一管理。但弊端是基础学部的教师对土木工程专业缺乏深入的了解，不能将材料力学中的相关理论和实际土木工程相结合，这就导致了学生学到的知识仅限于书本上，不知究竟学到了什么，很难提升学习兴趣。

2.材料力学理论性较强，概念多，公式多，计算多，内容多，学生接受困难。材料力学章节多，内容多，各章之间连续性相对不强。本身理论性、抽象性又较强，很多概念，如应力、应变等，学生第一次接触，若采用传统的讲授式教学，不辅以必要的手段，在有限学时内，很难理解其本质，降低学生学习的主动性和积极性。

3.教材的发展相对落后于规范。目前，我国土木行业的规范体系中，如钢结构设计规范、混凝土结构设计规范等，除疲劳计算外，均基于近似概率极限状态设计法进行强度、稳定等校核，而材料力学中仍主要采用容许应力法，若完全按照教材讲解，学生所学知识与当前工程实践、新理论相差甚远，会误导学生。

4.实验教学流于形式、学生不重视。材料力学的实验基本是在课堂教学讲授完相关理论之后进行，相关实验基本为验证性实验，有些甚至仅由教师给学生演示一遍，学生仅需观看不需要自己动手验证，最后学生上交实验报告就算是完成了实验教学。实验教学沦为一种“形式主义”教学，不仅提高不了学生的兴趣，有时甚至被学生认为是耽误了有限的课堂教学时间。

二、材料力学教学改革建议

针对材料力学教学实践中发现的问题，经过实践，作者提出了一些针对性的建议，具体为：

1.教师队伍注重专业性建设。充分意识到教师在教学过程中的主导及组织作用，选择具有较高学术水平、丰富工程背景的土木工程专业教师讲授材料力学课程，这样教师可以实时地把材料力学教学内容与工程实践结合起来，比如材料力学中梁构件的支座可分为可动铰、固定铰、固定端支座，但我们工程中的主梁一般支承于柱上，次梁一般支承于主梁上，那工程中实际中的梁对应的支座又是那种呢？对于钢筋混凝土梁构件来说，当梁端部承受负弯矩，上部混凝土受拉开裂，如梁上部不配置纵向受拉钢筋，即可允许梁端发生转动，进而释放掉负弯矩，这样一般就可认为是固定铰；反之，若梁端上部配置了足够多的纵向受拉钢筋，那计算时就可以简化为固定端。通过专业老师的讲授，使学生切实体会到材料力学和工程实践的密切关系，进而激发学习的兴趣。

2.教学内容注重时效性、拓展性建设。在对教学内容不做较大修改的前提下，教学时注重时效性，与现行相关规范作比较，如轴心受拉构件的强度计算公式，材料力学中基于容许应力法的表述为公式（1）、钢结构设计规范中基于近似概率极限状态设计法的表述为公式（2）。NAn≤[σ]（1）NAn≤f（2）式中，N为构件受到的轴拉力；An为构件的净截面面积；[σ]为许用应力，Q235钢材一般取150~170MPa之间；f为钢材的抗拉强度设计值，Q235钢材一般取215MPa（板件厚度小于12mm）。从表面上看，公式（1）和公式（2）的区别仅为[σ]和f。但实际上公式（1）基于容许应力设计法，要求结构在标准荷载下产生应力不得超过材料的容许应力[σ]（容许应力[σ]由材料的极限应力除以一个大于1的安全系数得到），因此可知，式（1）中的N是由标准荷载产生的轴拉力。近似概率极限状态设计法设计公式（2）是用荷载或荷载效应、材料性能和几何参数的标准值附以各种分项系数，对于不同重要性的结构，尚应考虑结构重要性系数，即式（2）中的N是由荷载设计值（荷载标准值乘以相应的荷载分项系数）产生的轴拉力，f是由材料强度标准值除以抗力分项系数得到。除注重教学内容与现行规范相结合外，教学过程中我们也强调力学知识的拓展性，即材料力学中的相关知识不仅在土木工程中应用，在生活中也有大量应用，诸如食品包装袋上预留一个小豁口、如何吃火腿肠、冬天水管为什么会被冰胀裂、撑杆跳运动员使用的撑杆的变化（由木杆、竹竿、金属杆等逐渐过渡到现在用的玻璃纤维杆）、香蕉球的力学原理、弹簧秤的力学原理等等，通过这些生活中的具体问题，使缺少工程实践的学生从生活案例中理解材料力学概念，让学生意识到材料力学就在我们身边，并逐步引导学生自己去发现材料力学在生活中的应用，进而提高学生的学习兴趣。

3.教学手段注重结合性、细节性建设。本文着重介绍的是作者采用多媒体课件教学时，认为应该注意的一些细节性问题。（1）多媒体课件形声、动画兼备，对于抽象的应力、应变、变形过程等更容易展示出来，学生也容易理解，但制作课件时要注意排版、字体大小、颜色等，最好多图片少汉字，能用动画表述不用文字描述。排版不宜过于花哨，否则会喧宾夺主，学生会把过多的注意力放在课件上，而不是教学内容上。（2）多媒体课件内容选择上，辐射面要广，不仅包含教材上的知识，尚应涵盖教材没有涉及到的知识。但除重点内容外，一般不必过于详细，否则学生会认为“课件”就是材料力学，降低他们主动学习的积极性。细节决定成败，一个好的多媒体课件可以让学生在愉悦中掌握知识，优化课堂教学，提高教学质量。

4.教学方法上注重灵活性建设。为改善传统的教师讲、学生听这种学生“被动学习”的教学方法，将“启发式学习”“学生自主学习”与传统的教学方法相结合，引导学生积极思考，增强了教与学的互动，使学生参与到教学活动中来，而不是被动地接受。“启发式学习”的核心是引导学生学习，结合材料力学每章节课程内容，教师在导课时都结合具体的工程案例或相关科研成果，首先让学生知道要学什么，相关的问题在哪？带着问题去学习，学完相关内容后，师生共同对问题进行归纳总结，加深学生对学习内容的理解。比如在讲解压杆稳定问题时，教师首先提出问题：仅长度不同的钢柱，其余均相同，哪个承载力会高一些呢？学生从生活常识的角度一般能知道短柱一般承载力会高一些，但不知道原因在哪儿。在讲解完压杆稳定问题后，学生就知道原因所在了。“学生自主学习”就是给学生站上讲台并充当教师角色的机会。材料力学课程安排中一般会有2~4个学时的机动课时，我们利用这几个学时的时间，让学生站上讲台，规定每个学生授课时间一般在8分钟左右，从授课章节、多媒体课件制作、素材收集等等全部由学生自主完成，在“学生教师”授课的过程中，教师充当学生，最后由教师进行点评。以前，教学过程中，我们一般把这几个学时安排成答疑，效果并不理想。基于此，我们把答疑全部改为课下进行，不占用课堂时间，把节约下来的课时用来给学生展示，这样提高了他们学习的主观能动性和在众人面前表达自己的能力，也让他们体会到了教师工作的辛苦。

5.实验教学注重层次性建设。针对之前实验教学的弊端，我们作了如下改进：（1）除实验室专门配备的教师外，要求材料力学授课教师全程参与实验教学。（2）将实验分层，第一层次为基础性实验，包括拉伸、压缩、平面弯曲实验。第二层次为综合性实验，可以由学生自拟题目或结合教师个人科研项目确定。（3）基础性实验教学过程中，授课教师首先把与实验有关的多媒体课件等相关素材提供给学生。进入实验室进行实验时，由实验室教师对授课教师事先提供给学生的素材（多媒体课件等）进行详细讲解，并预留下一些问题。因学生课下已经做好了预习，这样有效地节省了准备时间。为提高学生的动手能力，实验按每2~3人一组进行分组，撰写实验报告时，学生除需对实验数据进行整理分析外，尚需对实验室教师预留的问题进行解答。对实验过程中不懂的问题，也可以在实验报告上提出，最后由实验室教师汇总交给授课教师，由授课教师统一解答。同时，实验报告上必须注明小组每个人的分工。（4）综合性实验为选做性实验，可以是真实的物理性实验也可以是数值性实验，主要是针对学有余力的同学开展的。截至作者发稿前，学生自拟了轴向压杆稳定承载力的测定、焊接构件残余应力测量等多个实验项目；参与到教师的科研项目中的实验就更多了，诸如一些实际检测类的工程项目、实验室的科研试验项目等。6.课程考核注重多样性建设。课程考核过程中，摒弃了平时成绩+实验课程成绩+期末考试成绩加权计算总成绩、期末考试闭卷的传统作法。相关改进如下：（1）针对材料力学公式多、概念多的实际情况，考试时允许学生自备半张A4纸，半张A4纸单面（另一面空白）可以撰写自己认为重要的公式、概念等等，但只能自用不可互相传阅，考试结束时该半张A4纸写上姓名随同试卷上交。（2）减小主观性成绩在总成绩中所占比重，平时成绩主要依靠作业质量、出勤率等来确定，但仅占总成绩的10%；实验课程成绩分为A（优秀，对应90分及以上）、B（良好，对应80~90分）、C（中等，对应70~80分）、D（及格，对应60~70分）、E（不及格，对应60以下）五个等级，若实验成绩等级为E，则采用一票否决制，总成绩不合格；若等级为C或D，实验课程成绩占总成绩的30%；若等级为A或B，实验课程成绩占总成绩的20%。总体上，实验成绩越低，在总成绩中所占比重越大，就会导致总成绩越低，进而促进学生重视实验教学。

三、结束语

经过几轮的教学实践改革，针对我校土木工程专业材料力学的教学改革取得了初步成效，学生对材料力学的理解逐渐由一门抽象、难懂的“力学课”转变为土木工程专业的一门“专业基础课”，学生的学习兴趣、学习动力、动手能力、解决实际问题的能力大幅提高，学习过程中的参与感逐渐增强。但我们也意识到，材料力学教改工作是一项长期工程，需要我们顺应形势，进一步地探索和实践。

参考文献：

[1]张如三，王天明，陈君驹．材料力学[M]．北京：中国建筑工业出版社，1997．

[2]孙训方,方孝淑,关来泰．材料力学I[M]．第5版．北京：高等教育出版社,2009．

[3]刘鸿文．材料力学I[M]．第5版．北京：高等教育出版社,2011．

[4]刘萍华．20年来我国材料力学实验课程教学改革文献综述[J]．力学与实践，2009，31(6)：67-69．

[5]王涛,罗洪峰,王娟，等．材料力学教学改革的探索与实践[J]．实验科学与技术，2016，14(3)：116-118．

[6]闫冰洁．浅谈基于地方本科高校应用型人才培养的材料力学教学改革[J]．大学教育，2015：144-146．

[7]季顺迎，武金瑛，马红艳．力学史知识在材料力学教学中的结合与实践[J]．高等理科教育，2012（4）：137-142．

[8]宋曦，杨静宁．工科专业材料力学教学创新的探索与实践[J]．力学与实践，2010，32(2)：142-146．

[9]刘小蛮，杜国君．材料力学实验教学思考―――会做、会用、会意[J]．力学与实践，2013，35(4)：74-77．

[10]GB50017-2003．钢结构设计规范[S]．[11]GB50010-2010．混凝土结构设计规范[S]．

[12]蒋持平．为明天的探索奠基―――北京航空航天大学材料力学精品课程建设[J]．力学与实践，2006，28(4)：73-75．

作者：于海丰 邹丹丹 张华