材料力学案例——教学与学习参考

导论 1. 材料力学课程引入案例教学的必要性 1）符合材料力学课程的特点 既为可变形固体力学奠定理论基础，又为工程应用提供实用方法，具有显著的实践性，这是材料力学课程的一个主要特征。 材料力学的理论体系是在长期生产实践的基础上逐渐发展起来的。 伽利略1638年*次提出梁的强度计算公式，是为了解决建造船舶和水闸所需大梁的尺寸问题。1744年，欧拉*次提出了细长压杆的临界力公式。然而，这一超前的理论成果当时并没有引起工程力学界的关注。这是因为成果发表在数学著作中，没有联系这项研究的工程背景，也没有提出“屈曲”的力学新概念（隋允康，以“压杆稳定”为例探讨史料、猜想和方法论对材料力学教学的升华作用，2003）。直到20世纪初，一批大型桥梁因失稳而相继垮塌，相关研究成果才受到广泛的重视。研究者发现，只有通过稳定性理论才能合理地解释垮桥的现象及其本质原因。从那时开始，欧拉公式成为材料力学理论的一个组成部分。 历史证明，生产和工程的发展是推动理论发展的*强大的动力，而理论上的突破只有与工程应用相结合，才会产生远远超过经验方法的巨大的社会生产力。 材料力学的理论在历史上对近代工业和工程的发展曾起到决定性的作用。只是随着生产不断地向深度和广度发展，工程力学面临的问题更加复杂化，涉及的工程材料更加多样化，由材料力学派生出的许多新的力学学科应运而生，材料力学才逐步变得更具基础性。 尽管如此，在现场条件下面对需要即时解决的工程难题，或者是在精确分析之前的简略估算（初方案设计），材料力学方法仍然是工程师们的*选。 简捷的实用性和广泛的适用性是材料力学的魅力所在。正因为如此，材料力学与工程实践有着不解之缘，材料力学问题的背后蕴藏着极其丰富的案例资源。将这些案例转化为实践性教学资源引入课堂，不但是必要的，也是顺理成章的。 2）案例是源头活水 “问渠哪得清如许，为有源头活水来”。要使基础力学教学充满活力，保持理论之树常青，也需要时时注入源头活水（李锋，从实践中挖掘基础教学的活力，1992）。新鲜案例就是源头活水。持续地挖掘实践素材，形成案例引入教学，是促进课程教学内容更新、与时俱进*有效的出路之一。 案例教学法1870年起源于美国，因被哈佛大学广泛应用，成功培养了大批社会精英人才而名闻天下。案例教学的成功在于摆脱了讲授法带来的种种弊病，精选的案例充满了疑难和挑战，为学生的创新实践提供了极大的发挥想象力的空间。如今案例教学已经被哈佛运用得炉火纯青，成为出奇制胜的法宝。根据上海交大高教研究所发布的2003~2010年世界大学学术排名榜，哈佛大学连续8年名列**，其原因不仅在于它拥有一流的师资队伍和教育氛围，也在于它拥有以丰富案例为代表的一流的教学资源。 国外高校对案例资源的建设极为重视，学院组织专业人士编写案例教科书并大量用于教学。哈佛肯尼迪政府学院设有专门的6人案例编写小组，每年新编案例30~40个，并注重开发国际性案例。同时，学院搜集的案例素材注意兼顾不同方面的观点，力争做到客观公正。 案例教学19世纪80年代引入我国高校，主要应用于法学、医学、管理等学科。在建设研究型大学，全面推进素质教育的大背景下，案例教学法作为教学改革的有效途径被逐渐推广开来。 近年来，力学界的一些著名教授倡导并率先将案例引入力学教育（杨卫，案例式教学：固体力学的前沿应用，2007；曾攀，多层次有限元课程体系的构建，2007）。多所高校也在力学基础课程中开展了案例教学法的实践探索，并取得了一些成效（庄表中，理论力学工程应用新实例，2007；闫冰洁，案例教学在材料力学教学中的应用，2007；崔武文等，案例教学在土木工程专业课程教学中的应用，2007；罗建华，在建筑工程类专业中开展案例教学的探索，2007；李锋等，开发典型案例，丰富教学资源，2007）。但是，不可否认，案例教学在材料力学课程中的应用还很少，其*要原因是缺乏案例教学资源，没有足够重视案例的搜集和编写工作，当然更缺乏案例教学用的辅助教材。 目前国内只有少量的力学案例相关书籍出版（武际可，拉家常，说力学，2008；赵致真，奥运中的科技之光，2008；丁光宏，力学与现代生活，2001），这些书籍多为科普读物，不能满足理工科基础力学课程案例教学的需要。正是在这样的背景下，本书作为材料力学的教学参考书呈献给读者，以应相关教学资源建设之所需。全书共有70个案例，其中研究篇30个，素材篇40个。这些案例的**手资料，其中研究篇的一半和素材篇约三分之一来源于作者十几年来科研与工程实践的积累，其余来源于各类参考书和近年的新闻媒体及网上资源，案例的新颖性和实时性是本书案例选择的一条重要原则。 3）培养创新精神与实践能力 《中共中央国务院关于深化教育改革全面推进素质教育的决定》明确指出：培养学生的创新精神和实践能力是素质教育的重点。这是根据当今世界发展的趋势和我国社会主义现代化建设的需要，针对现实教育的不足而提出的具有时代意义的战略决定。为要落实创新精神和实践能力的培养，需要加强实践教学环节，需要创设有利于创新思维培养的教学环境，这已经是国内外高等工程教育界人士的共识（屈本宁等，基础力学创新教育的理论与环境，2007）。 案例教学法是培养学生创新精神和实践能力的行之有效的教学形式之一。其核心思想，就是以学生发展为本，重点培养学生独立思考和创新思维的能力，即自我学习和做研究的能力。所谓“教就是为了不教”。大连理工大学3年来材料力学课程案例教学实践表明，在通过案例创设的有利情境中，学生能够更有效地实现增长学识、熏陶志趣、锻炼能力、放飞思想、提高素质的目标。只有学生们自己真正掌握了学习的主动权，才能发现学习的快乐，从不依赖教师、能独立思考，发展到超越教师，挑战未来，成长为“心在*高处、根在*深处”的复合型人才。 案例教学的关键环节是对案例的精选和开发，使之具有丰富的形式和多彩的内涵，以便为课程教学提供更广阔的整合学业与创新思维的空间。一般的工程实例只需具有事实材料的针对性和事件情节的典型性，而好的教学案例还应是有益有趣、多姿多彩，能够引人思索、令人回味、启人心智；既能体现灵活运用科学原理，又能体现益智和非智力开发及其他多方面的教育功能。为培养学生的创新精神和实践能力服务，这是本书案例选择所遵循的另一条重要原则。 创新精神教育不能单靠训练完成，只能与素质的培养相同步地实现。这就需要理论与实践的相互作用，需要把素质培养融入到知识和能力学习的各个具体过程，需要有利于创新人才素质培养的一贯的正面教育和熏陶的环境氛围。创新精神培养的一种典型程序是：教化—示范—养成。其主要内涵是在一定的情景中，通过师生间、学生间的交互作用，撞击心灵，激发情感，唤醒良知，潜移默化地实现精神世界的改造。 案例教学是实现这一教育功能的一个有效载体。 2. 案例教学法概念及其基本特点 1）案例教学法 案例（case）也称为事例或实例。案例教学法是一种以案例为基础的教学法（case-based teaching）。案例本质上是提出一种决策的两难情境，没有特定的解决之道。在教学中，教师扮演着设计者和激励者的角色，鼓励学生积极参与讨论，而不是像传统的传授教学法那样，教师扮演着传授知识者的角色。 案例教学法（case study）是19世纪70年代美国哈佛大学法学院院长兰德尔（Christopher Langdell，1826—1906）*创的。他编著的《合同法案例》是世界上**本关于案例教学的教材，这些案例都是来自于商业管理的真实情境或事件。案例教学法有一个基本的假设前提，即学员能够通过对案例的研究与发现来进行学习，在必要的时候能回忆出并应用这些知识与技能。案例教学法非常适合于开发分析、综合及评估能力等高级智力技能，这些技能通常是管理者、医生和其他的专业人员所必需的。 当前，案例教学法作为一种新型的教学方法，已经遍及美国和包括中国在内的世界各国，对我国高校教育思想和教学方法的全面改革有着重要启示和推动作用。 2）案例教学法的基本特点 案例教学法，通常是将已经发生的真实事件作为案例，让学习者分析和研究，并提出各种解决问题的方案，从而提高学习者解决实际问题能力的一种教学方法。案例教学法的主要特点如下。 （1）学生是教学过程的主体。在案例教学中，学生是课堂活动的主体。教师作为课堂讨论的组织者和引导者，事先向学生公布案例讨论的题目，指定阅读材料，作好时间安排。学生利用课后时间学习研究案例，包括进行小组讨论，选出发言代表。在课堂讨论中，学生就案例中的主要问题组织不同观点进行交流、辩论和探讨。教师对于讨论进程和重点进行指导，并总结提炼必要的理论知识和基本原理。学生通过主动参与讨论，从互动中受到启发、学到知识、锻炼才干。 （2）创设真实情景，提高学生参与讨论的积极性。在具体案例的情境下，要求学生以主角身份参与案例讨论，真正设身处地的思考问题。案例教学的情景作用与教学过程的互动性能使学生感到不能做旁观者，必须全力以赴地参与。通常，学生需要组成学习小组，通过分工合作来缓解学习的压力。学生的发言、在小组中的角色及其参与程度作为评价学生学习的一个方面，从而能*大限度地调动学生学习的积极性。 （3）通过教学实践，提高学生多方面的能力。案例教学法提供的机会，能让学生在案例讨论中充分地表现自己的才干，锻炼自己的胆识，提高思维敏捷性，学会创新思维方法，全面提高独立思考的能力、分析问题和解决问题的能力、语言表达能力、协调合作能力等多方面的能力。 （4）体现因材施教。对于同一个案例，学生认识问题和解决问题的方法和途径常常是因人而异的，但每个人都有机会找到有利于自我发挥的适当空间。这种教学方式有利于教师的因势利导、因材施教，根据各类学生的特点，运用适当的方法来发展他们的优势，挖掘他们的潜能，使每个学生都各得其所，达到创新教育的发展目标。 （5）重在过程。评价案例讨论是否成功，不在于*终是否找到了一个正确的结论，而是更看重分析与讨论的过程，这个过程就是创新实践。每个案例的问题都必须由学生们自己进行分析、给出解释、辨明疑难、提出方案、确定决策。只有通过充分的准备和全力的参与，才有可能从创新实践中得到体验、受到锻炼、获得成功。 （6）体现学以致用。由于案例素材来源于工程实际或生活实际，案例教学促进了理论与实际的结合，能够密切联系社会所需，体现学以致用，有利于锻炼学生的实践能力，培养创新型和实用型人才。 3. 案例研究与创新素质培养 创新素质是伴随着人类的创造实践活动而产生的。1936年，美国通用电气公司为了提高职工的创造能力，*次开设了《创造工程》课，后来有人就此建立了“创造学”。创造教育、创新教育和创新素质教育等概念是在其后逐渐衍化发展而来的。 在我国，明确提出创造教育的是著名教育家陶行知先生，他于1939年在重庆创办育才学校，明确提出了创造教育的理论，并设立“育才创造奖金”，发表《创造宣言》，提出了“处处是创造之地，天天是创造之时，人人是创造之人”的口号。还进行了大量创造教育的实践，培养出了一批创造型人才。 创新素质的内涵是什么？目前还没有公认的定义。一般认为，大学生的创新素质主要包括：创新意识、创新思维、创新能力和创新人格等。这里仅就案例研究与创新素质培养的关系中的一些概念问题作一简述，希望能对案例教学提供有益的参考。 1）众里寻他千百度——谈创新意识培养 胡锦涛指出“创新是一个民族的灵魂”。创新需要知识，但更需要的是创造性思维和创造力，而实现创新的一个基本前提就是要具有创新意识。 创新意识是指人们根据社会和个体的实际需要，引起创造前所未有的事物或观念的动机，并在创造活动中表现出的意向、愿望和设想。