材料力学的趣味性

摘 要：趣味是学习的原动力,材料力学是一门工科专业基础课程,对工科专业的学生来说十分重要,教师的责任之一就是培养学生学习的兴趣,引入贴近生活和工程的实例,从身边的力学问题谈起,增加学生学习力学知识的动力和兴趣.

关 键 词：材料力学；趣味性；教学效果

中图分类号：G642.4文献标志码：A文章编号：1674-9324（2014）14-0125-02

一、趣味是学习的原动力

趣味性,就是使学生感到愉快,能引起学生学习的兴趣.孔子说：“知之者不如好之者,好之者不如乐之者.”爱因斯坦说：“兴趣是最好的老师.”美国教育家布鲁诺说：“学习的最大动力乃是对所学材料的兴趣.”我国数学大师陈省身因为觉得数学“好玩”,所以把数学当作自己终生的事业.学习一门课程需要趣味性,学生由被动学习变成主动学习的关键之一是提高学习的趣味性.本文旨在探索材料力学的趣味性,增加学生学习兴趣,提高教学效果.

二、如何培养学生对材料力学的兴趣

材料力学作为一门承前（理论力学）启后（结构力学、弹性力学等）的工科专业基础课程,对工科专业的学生来说十分重要.如何让学生感到材料力学的学习具有趣味性,而不觉得这门古老的课程单调枯燥,就成为材料力学教师的责任之一.能够全面、准确地讲解教材内容,既不遗漏也不讲错,是对教师的基本要求.在此基础上能够让学生爱上这门课,才是教师真正的责任.教师要挖掘课程的趣味性,讲解内容应该不限于教材内容,而是紧紧围绕书中知识,利用身边实物作为问题的起源,采用人物事件作为问题分析的旁证,引用工程实例作为理论问题的工程应用.尤其是工科专业学生的教学,课堂绝不能成为公式和符号的“表演专场”,而应该是妙趣横生的能够解决实际问题的“演练场”.在材料力学教学中,首先,教师应注意挖掘课程本身的趣味性,在教学中有意识地阐述和利用这种趣味性；其次,教师平时搜集和积累一些古今中外与材料力学有关的趣闻和事例,在讲完基本理论后,适时联系这些既生动又贴近生活和工程的实例,来激发学生对所学基本理论的学习兴趣,提高学习效果；当然,还可以选择那些在材料力学发展过程中作出过显著贡献的人物的生平事迹进行引申,这对学生掌握基本概念、理解基本原理、分析研究方法都能起到良好的效果,也激发、调动了学生学习的积极性.

三、材料力学的趣味性举例

材料力学经过几百年的发展,已经成为一门很成熟的学科.而材料力学的教学却有待发展.教学过程中师生之间总是存在着矛盾,即教师认为很浅显的概念、公式,学生却认为概念多、公式复杂,不易于学习和掌握.究其原因,一方面,教师所传授的知识点一概平铺直叙；另一方面,学生学习也很被动,他们早已习惯了“老师讲什么听什么”,不讲的不看,更别说主动思考、总结了.鉴于上述现象,提高课堂的教学质量,提高学生的学习兴趣,就显得尤为重要.下面是作者在材料力学教学过程中,经参阅资料和自己实践后总结的关于材料力学的趣味性教学经验,从三方面浅谈：

1.课程趣味性.弯扭组合变形时常常运用第三强度理论或者第四强度理论来进行强度校核,其相当应力不管是用应力表示的σr3等于和σr4等于,还是用内力表示的σr3等于和σr4等于,都易混淆、记错.但只要掌握这样一个有趣的乘积表达式,相当应力的下标值与切应力τ或T扭矩的系数乘积正好相等,即3×4等于4×3或3×1等于4×0.75,记住两组公式就显得轻松多了.莫尔应力圆与单元体的对应关系,再加上主应力的概念等,这些一直是教学中的难点,教师在讲解概念的同时,可以这样形象描述：“切应力跟着正应力默默地行走在莫尔应力圆上.切应力有个地方千万不能去,但那却是正应力的理想之地――主平面.在那个地方,切应力感觉乏力好想睡觉,正应力却惊喜若狂、兴奋不已,因为他看到自己很高大,当正应力回头安慰切应力时,却发现切应力不见了,自己摇身一变成为主应力.在这个地方,主应力既没了切应力的陪伴,也看不到互相垂直的其他两个主应力,感觉孤独无助,还不时成为强度理论的焦点,很不习惯.于是决定离开主平面,才迈出一小步,就发现切应力出现在自己身旁,羞答答地跟着正应力,还说我刚成一个应力,请多多关照,不要带我去主平面,在那里我会变为零”.风趣幽默的语言、形象生动的故事,揭示了正应力、切应力和主应力的联系与区别,学生学得也轻松.

2.实例教学.实例一：清代画家郑板桥的题画诗“咬定青山不放松,立根原在破岩中.千磨万击还坚劲,任尔东西南北风.”虽是一首咏物诗,但是诗中却包涵着深刻的力学原理.贝聿铭先生的“仿竹杰作”香港中国银行大厦就是得益于竹子的启示,虽然大厦高度达三百多米,而且还是在香港这样的海边多风城市建造,设计模型像竹子一样,“嘴尖皮厚腹中空”,截面采用中空型,既节约材料又减轻自重,在相同面积下,截面越高,对结构的强度和刚度越有利,由于结构整体是下粗上细,按高度一节一节变细,使每一节的最大应力都相等,充分发挥材料的作用,是最合理的阶梯形等强度管状结构.可见建筑师也是煞费苦心,深刻理解到建筑中的力学与自然界中的力学是有机融合的.实例二：“泰坦尼克号”沉船时,船壳受到冰山的挤压,壳体钢板间的铆钉连接件受到过大的剪切应力被折断,船的右舷钢板有一个长91.5米的裂口.当然这与当时船速较快有关,但与制船的材料的力学性能也有关.调查发现,不管是船舷钢板还是船上铆钉,其力学性能实验数据都是在室温下做的,船行驶在北大西洋的冰海中,温度远远低于室温,钢材在常温下表现为塑性,随着温度的降低塑性降低,在低温下会变脆,在极低的温度下甚至像陶瓷那样经不起冲击和震动.因此,不管是铆钉还是钢板在低温下的破坏应力远低于室温下的破坏应力,导致船发生脆断事故,沉入海底.当然,与材料力学相关的生活和工程实例举不胜举,它已经渗透到人们衣食住行的方方面面.教师讲课时,从身边的力学问题谈起,学生学习力学知识的动力和兴趣也会倍增.

3.人物励志.伽利略（1564～1642）对力学的思想、理论、实验和应用发展做出了极大贡献,他在研究中引入了“力学模型”的思想.伽利略以实验研究为重点,从实验中来到实践中去,从身边熟悉的现象中分析得出精彩的结论.材料力学的教学中反复印证着这样一种研究方法,即实验现象观察―检测说提出―理论分析―实践检验.比如讲解合理截面形状与强度、刚度的知识点时,可以用田野中的麦秆为什么是空心的作为引例.其实,大自然中的空心结构同样引起了伽利略极大的兴趣,“一根麦秆所负载的麦穗较整个麦秆要重得多,如果麦秆是用同样多的材料做成实心形状,那么将降低其抗弯和抗断裂的能力”.带着对身边这些熟悉的现象的悬疑展开材料力学的学习,引起学生的好奇心,会增加学生对材料力学的学习兴趣.科学家对未知事物的执着追求,是每一个求知者的榜样,而将这样的人物生平事迹贯穿在教学过程中,无疑既激励着学生的学习意志,又激发着学生的学习兴趣,也增加了课程本身的趣味性.当然,与材料力学课程相关的人物还有很多,如圣维南、欧拉等,课堂上讲授人物生平事迹,既增加课程的趣味性,提高学生的学习兴趣,又能培养学生对科学的探索和追求精神.

针对目前材料力学教学过程中学生学习兴趣匮乏的现象,本文从三个方面探索了材料力学教学过程中的趣味性：通过课程本身的趣味性,使呆板的知识变得生动；引入贴近生活和工程的实例,从身边的力学问题谈起,增加学生学习力学知识的动力和兴趣；引入力学人物的生平事迹,激励和鼓舞学生,培养学生对科学的探索和追求精神.通过增强课堂教学的趣味性,增加学生对材料力学课程的兴趣,提高了教学效果.

基金项目：盐城工学院校级课程专项建设经费支助（kc2x1310）.