王化更　吳懋亮

摘 要：以面向工程應(yīng)用為目標(biāo)，在材料力學(xué)課程教學(xué)改革方面進(jìn)行了一些探索。采取的主要措施有：在基本教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上加入各專(zhuān)業(yè)需求的內(nèi)容和采用模塊化教學(xué)內(nèi)容體系；采用工程實(shí)例教學(xué)法和將數(shù)值分析方法引入教學(xué)；采用開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)和面向工程實(shí)際問(wèn)題的大作業(yè)。教學(xué)實(shí)踐表明：以上措施能夠有效地提高教學(xué)效果，更好地適應(yīng)培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)的應(yīng)用型人才的需要。

關(guān)鍵詞：教學(xué)內(nèi)容模塊化 工程實(shí)例教學(xué)法 數(shù)值分析方法 開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué) 小論文式大作業(yè)

中圖分類(lèi)號(hào)：G641 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）01（c）-0140-03

材料力學(xué)是高校機(jī)械、能源動(dòng)力、土木、材料等工科類(lèi)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，在培養(yǎng)學(xué)生的力學(xué)思維能力和工程實(shí)踐能力方面非常重要，同時(shí)也為學(xué)生學(xué)習(xí)許多后續(xù)課程如機(jī)械設(shè)計(jì)、彈性力學(xué)、流體力學(xué)等提供必要的基礎(chǔ)。材料力學(xué)既是一門(mén)基礎(chǔ)學(xué)科，也是一門(mén)應(yīng)用學(xué)科，材料力學(xué)來(lái)源于工程，并最終要服務(wù)于工程[1-2]。因此，在材料力學(xué)教學(xué)內(nèi)容體系構(gòu)建、課堂教學(xué)方法與手段選擇及實(shí)踐環(huán)節(jié)等整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)以服務(wù)于工程應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，采取合理措施來(lái)提高學(xué)生的工程認(rèn)知水平和分析解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，以更好地適應(yīng)具有創(chuàng)新意識(shí)的應(yīng)用型人才的培養(yǎng)需要。該文即以面向工程應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和分析解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力為目的，在材料力學(xué)課程教學(xué)改革方面進(jìn)行了一些研究與探索[3]。

1 教學(xué)內(nèi)容體系構(gòu)建

材料力學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容的選擇和組織應(yīng)既滿(mǎn)足專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的需要，同時(shí)直接面向工程，著重提高學(xué)生的工程認(rèn)知水平和培養(yǎng)他們分析解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。為此，該文主要采取以下兩方面的措施來(lái)構(gòu)建材料力學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容體系。

1.1 在基本教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上加入針對(duì)各專(zhuān)業(yè)實(shí)際需求的內(nèi)容

材料力學(xué)的基本教學(xué)內(nèi)容主要包括：桿件的四種基本變形（軸向拉伸及壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)和彎曲）、應(yīng)力狀態(tài)與強(qiáng)度理論、組合變形及壓桿的穩(wěn)定性分析等內(nèi)容，這些內(nèi)容也是各專(zhuān)業(yè)教學(xué)大綱的基本要求。

由于材料力學(xué)除基本的理論知識(shí)外，又與工程實(shí)際問(wèn)題聯(lián)系緊密，因此，按照課程教學(xué)內(nèi)容服從專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的要求，對(duì)于不同的專(zhuān)業(yè)還應(yīng)適當(dāng)加入新的針對(duì)專(zhuān)業(yè)實(shí)際需求的內(nèi)容，以使材料力學(xué)這一課程與更好地與專(zhuān)業(yè)工程實(shí)際相適應(yīng)。例如，對(duì)機(jī)械專(zhuān)業(yè)，應(yīng)增加構(gòu)件的疲勞與斷裂等內(nèi)容，同時(shí)可適當(dāng)加入結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)及優(yōu)化設(shè)計(jì)等部分內(nèi)容，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中能體會(huì)到材料力學(xué)與現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的有機(jī)結(jié)合，增強(qiáng)他們運(yùn)用基本理論解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力；對(duì)能源與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)，應(yīng)增加熱應(yīng)力和薄壁容器的設(shè)計(jì)與壽命預(yù)測(cè)等內(nèi)容，以更好地分析解決工程實(shí)際問(wèn)題；對(duì)材料專(zhuān)業(yè)，可增加復(fù)合材料力學(xué)性能知識(shí)，使學(xué)生接觸到完整的材料學(xué)性能的知識(shí)。

1.2 教學(xué)內(nèi)容體系模塊化

以面向工程應(yīng)用為主要目標(biāo)進(jìn)行材料力學(xué)課程內(nèi)容的組織，將教學(xué)內(nèi)容模塊化，對(duì)于每一部分主要內(nèi)容如軸向拉伸和壓縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲及組合變形等都將之分為：工程背景模塊、基本理論與方法模塊、工程應(yīng)用模塊和拓展模塊。

工程背景模塊主要講述工程中需要解決的與本部分內(nèi)容相關(guān)的各種實(shí)際問(wèn)題，由此引出工程應(yīng)用對(duì)材料力學(xué)理論發(fā)展的需求，此部分內(nèi)容以提高學(xué)生的工程認(rèn)知水平為主要目的?；纠碚撆c方法模塊主要是理論推導(dǎo)部分，即按照材料力學(xué)的研究方法，針對(duì)工程實(shí)際需要，推導(dǎo)出材料力學(xué)的基本理論公式，此部分內(nèi)容可以使學(xué)生學(xué)習(xí)到材料力學(xué)的研究方法和加強(qiáng)他們的自學(xué)能力。工程應(yīng)用模塊詳細(xì)介紹利用材料力學(xué)基本理論與方法解決工程實(shí)際工程問(wèn)題的步驟與方法，提高學(xué)生建立力學(xué)模型的能力和運(yùn)用基本理論解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。拓展模塊主要是將材料力學(xué)基本理論與方法作適度拓展，主要從兩方面展開(kāi)，一方面探討基本理論與方法與其它內(nèi)容的聯(lián)系與區(qū)別，以加深學(xué)生對(duì)于基本理論與方法的理解和掌握；另一方面研究當(dāng)改變推導(dǎo)基本理論與方法時(shí)的簡(jiǎn)化條件對(duì)基本理論與方法的影響等，使學(xué)生了解簡(jiǎn)化模型對(duì)實(shí)際工程問(wèn)題求解的影響和基本理論與方法的適用范圍等。

在講述軸向拉伸與壓縮時(shí)，將基本內(nèi)容分為上述的四個(gè)模塊來(lái)講述。工程背景模塊：通過(guò)列舉大量的工程實(shí)例，提出工程中存在的桿件拉伸或壓縮的強(qiáng)度及變形問(wèn)題，使學(xué)生詳細(xì)了解這一工程領(lǐng)域的實(shí)際問(wèn)題?；纠碚撆c方法模塊：按照材料力學(xué)的研究方法和步驟，通過(guò)觀察變形規(guī)律，提出變形假設(shè)；建立變形幾何方程；建立物理方程；空間靜力學(xué)平衡方程，由此推導(dǎo)出桿件軸向拉伸和壓縮時(shí)橫截面上正應(yīng)力表達(dá)式。工程應(yīng)用模塊：以適量的具體的工程實(shí)例，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)建立實(shí)際問(wèn)題的力學(xué)模型、約束力分析、內(nèi)力分析、應(yīng)力和變形分析的步驟去解決實(shí)際問(wèn)題，通過(guò)這一步驟來(lái)加強(qiáng)學(xué)生力學(xué)思維能力的鍛煉，培養(yǎng)他們分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。拓展模塊：當(dāng)外力與桿件的軸線(xiàn)不重合時(shí)桿件發(fā)生拉（壓）彎組合變形；當(dāng)桿件截面上存在尺寸突變時(shí)，該截面上的應(yīng)力分布不再均勻，即存在應(yīng)力集中現(xiàn)象；距離外力（集中力）作用位置比較近的截面上應(yīng)力分布也不均勻，由此引出圣維南原理；當(dāng)考慮的截面不是橫截面，而是斜截面時(shí)，由此引出軸向拉（壓）桿件斜截面上的應(yīng)力。

以面向工程應(yīng)用為主要目標(biāo)所組織的模塊化的教學(xué)內(nèi)容體系，能夠加強(qiáng)學(xué)生的工程認(rèn)知水平，培養(yǎng)他們運(yùn)用理論知識(shí)解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。

2 在教學(xué)過(guò)程中采用以面向工程應(yīng)用為目標(biāo)的教學(xué)方法和手段

2.1 工程實(shí)例教學(xué)法

材料力學(xué)與工程實(shí)際聯(lián)系緊密，可以這樣認(rèn)為，材料力學(xué)的研究就是針對(duì)解決工程問(wèn)題而展開(kāi)的，因此在課堂教學(xué)中，針對(duì)每一部分基本理論與方法都應(yīng)重點(diǎn)講清楚其工程應(yīng)用，以提高學(xué)生的工程認(rèn)知和應(yīng)用實(shí)踐能力。這些工程實(shí)例可以是具體的工程問(wèn)題，也可以是身邊的力學(xué)實(shí)例。

講述壓桿的穩(wěn)定性的概念時(shí)，舉了一個(gè)身邊的實(shí)例來(lái)解釋?zhuān)寒?dāng)在一根較粗的鐵絲兩端施加壓力時(shí)，很難使鐵絲彎曲，而鐵絲也保持直線(xiàn)形狀穩(wěn)定；而如果是在一根較細(xì)的鐵絲兩端施加壓力時(shí)，鐵絲很容易就彎曲，而此時(shí)鐵絲并沒(méi)有被壓斷，只是不能再保持直線(xiàn)形狀。通過(guò)這個(gè)例子就引出了實(shí)際的兩端受壓桿件，有時(shí)桿件的強(qiáng)度沒(méi)有問(wèn)題，并沒(méi)有發(fā)生強(qiáng)度破壞，但發(fā)生了形狀改變，即壓桿已經(jīng)失穩(wěn)，失去了承載能力，這就是工程中所說(shuō)的壓桿失穩(wěn)的問(wèn)題。然后通過(guò)改變鐵絲的直徑、長(zhǎng)度及兩端的約束情況讓學(xué)生體會(huì)不同時(shí)情況下使鐵絲失穩(wěn)的力的大小，使學(xué)生了解影響壓桿（細(xì)長(zhǎng)桿）臨界力的因素。這樣，通過(guò)身邊的例子就讓學(xué)生明白了壓桿的穩(wěn)定性的概念及影響細(xì)長(zhǎng)桿臨界力的因素。

其實(shí)，在我們的身邊，在日常生活中，隨時(shí)都有大量的實(shí)際問(wèn)題和工程問(wèn)題可以結(jié)合研究。如針對(duì)車(chē)間里的吊車(chē)橋架，可以討論如何利用現(xiàn)有吊車(chē)使其能夠吊起重量更大的物體的問(wèn)題。講授圓軸的扭轉(zhuǎn)變形和梁的彎曲變形時(shí)橫截面上的切應(yīng)力和正應(yīng)力分布特征時(shí)，可結(jié)合討論人體、動(dòng)物骨骼的結(jié)構(gòu)特征，如都是空心管狀結(jié)構(gòu)，即既能滿(mǎn)足生存需要，又減輕了自重，是大自然進(jìn)化的一個(gè)杰作。大自然賦予樹(shù)木的美好造型，如形成合理的圓形截面，上細(xì)下粗的樹(shù)身，能夠抵御不同方向的風(fēng)力引起的彎曲內(nèi)力和變形等[3]。

通過(guò)這些身邊的力學(xué)問(wèn)題實(shí)際的工程實(shí)例，首先培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，然后引導(dǎo)他們逐步利用所學(xué)知識(shí)去分析問(wèn)題，建立問(wèn)題的力學(xué)模型，進(jìn)而利用現(xiàn)有知識(shí)嘗試解決相關(guān)問(wèn)題。這些工程實(shí)例的引入，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力的作用是顯而易見(jiàn)的。

2.2 將數(shù)值分析解法引入教學(xué)

材料力學(xué)的研究方法除了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究之外，還有一種重要的研究方法即數(shù)值分析方法。在解決工程實(shí)際問(wèn)題時(shí)，材料力學(xué)的基本理論一般只能解決桿件的強(qiáng)度與變形問(wèn)題，而實(shí)際的工程構(gòu)件形狀卻是各種各樣的，其中有大量的不能簡(jiǎn)化為桿件的構(gòu)件，要解決此類(lèi)構(gòu)件的強(qiáng)度和變形問(wèn)題，則只能采用數(shù)值分析方法。為此，在教學(xué)過(guò)程中，在講述主要內(nèi)容時(shí)，同時(shí)將數(shù)值分析方法主要是有限元單元法引入教學(xué)，讓學(xué)生了解有限元軟件Ansys的應(yīng)用方法，并將材料力學(xué)基本理論所得的解與有限元法所得到的解進(jìn)行對(duì)比分析，使學(xué)生理解材料力學(xué)基本理論的應(yīng)用范圍和精度問(wèn)題，更好地提高其分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。

如在講述桿件軸向拉伸與壓縮時(shí)，向?qū)W生舉了這樣一個(gè)實(shí)例：圖1所示桿件，桿長(zhǎng) mm，截面尺寸為20×20 mm，左端固定，右端作用一向右的拉力 kN，桿中部上下分別開(kāi)有 mm的半圓槽，下面分別以材料力學(xué)的計(jì)算方法和數(shù)值計(jì)算方法求桿件橫截面上的最大正應(yīng)力。

很明顯，桿件的最大正應(yīng)力出現(xiàn)在桿件中間位置處截面上，依據(jù)材料力學(xué)中桿件軸向拉壓變形時(shí)橫截面上正應(yīng)力的計(jì)算公式，可以得到桿件橫截面上最大正應(yīng)力的為：

在Ansys中建立圖1所示桿件的實(shí)體模型，選用solid187單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，左端面約束住所有自由度，不考慮集中力載荷施加方式的影響，在右端面上加面壓力載荷，求解后第四強(qiáng)度理論的相當(dāng)應(yīng)力如圖2所示。

由圖2可以看出，桿件橫截面上的最大正應(yīng)力為，很明顯與式（1）的結(jié)果不同，其值出現(xiàn)在圓孔槽附近，這也直接驗(yàn)證了應(yīng)力集中現(xiàn)象：在截面尺寸突變處，應(yīng)力急劇變大，而且很容易計(jì)算出應(yīng)力集中系數(shù)：

當(dāng)桿件右端截面上所加的的集中力采用在右端面中心的一小區(qū)域上加力的方式處理時(shí)，求解后第四強(qiáng)度理論的相當(dāng)應(yīng)力如圖3所示。

由圖3可以看出，桿件的最大正應(yīng)力為，出現(xiàn)在集中力施加位置，離開(kāi)集中力作用位置較遠(yuǎn)的位置，桿件截面上的應(yīng)力分布則比較均勻。這也驗(yàn)證了圣維南原理：離開(kāi)載荷作用處一定距離，應(yīng)力分布與大小不受外載荷作用方式的影響。

將Ansys的分析結(jié)果引入教學(xué)過(guò)程，有助于學(xué)生形象理解材料力學(xué)基本理論的簡(jiǎn)化模型在處理具體工程問(wèn)題時(shí)的精度問(wèn)題，從而更好地掌握材料力學(xué)的基本理論的適用范圍，同時(shí)也初步掌握了數(shù)值分析方法在求解工程問(wèn)題中的應(yīng)用方法。

3 實(shí)踐環(huán)節(jié)

3.1 更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)施開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容既要服務(wù)于課程教學(xué)目標(biāo)，驗(yàn)證材料力學(xué)基本理論的正確性，同時(shí)也要緊跟工程實(shí)踐要求，著重培養(yǎng)學(xué)生采用實(shí)驗(yàn)方法分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力[5]。為此，我們對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，在保留了傳統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容同時(shí)，也積極開(kāi)設(shè)了一些綜合創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。更新后的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為二個(gè)主要部分：第一部分為基本驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，主要包括基本力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)（拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、沖擊）、電測(cè)實(shí)驗(yàn)（純彎曲狀態(tài)下正應(yīng)力、等強(qiáng)度梁實(shí)驗(yàn)等）和綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)（彎扭組合實(shí)驗(yàn)、偏心拉伸實(shí)驗(yàn)）；第二部分為綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)（疊合鋼板梁和桁架應(yīng)力綜合分析實(shí)驗(yàn)等）?；緦?shí)驗(yàn)和綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)以課程基本知識(shí)為載體，以基本知識(shí)和動(dòng)手能力訓(xùn)練為重點(diǎn)，為必開(kāi)實(shí)驗(yàn)。綜合創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)，以培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力為目的，學(xué)生可以選做自己感興趣的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施開(kāi)放式、自主式教學(xué)，學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放期間任何時(shí)間來(lái)做實(shí)驗(yàn)，由學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求自行制定實(shí)驗(yàn)方案，并獨(dú)立完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)，從而使自己動(dòng)手能力和實(shí)踐能力得到加強(qiáng)。教師在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，指出實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在的一些不足，同學(xué)生進(jìn)行討論。這樣，可以幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，使他們掌握處理問(wèn)題的技巧，從而更好地激發(fā)和培養(yǎng)他們的探索精神和創(chuàng)新能力。

3.2 面向工程應(yīng)用問(wèn)題的大作業(yè)

在教學(xué)過(guò)程中，針對(duì)主要內(nèi)容布置一些大作業(yè)，選題范圍主要是一些相關(guān)的工程實(shí)際問(wèn)題，也可以讓學(xué)生自行選題，要求他們建立工程實(shí)際問(wèn)題的力學(xué)模型，并按照材料力學(xué)的分析思路選用合適的方法進(jìn)行求解。如在講授軸向拉伸及壓縮這部分內(nèi)容時(shí)，向?qū)W生布置了起重機(jī)鋼絲繩的強(qiáng)度問(wèn)題、拖拽電梯轎廂的鋼絲繩的強(qiáng)度問(wèn)題及液壓缸活塞桿的強(qiáng)度問(wèn)題等工程實(shí)際問(wèn)題，要求學(xué)生以小組形式選擇其中一個(gè)選題，通過(guò)調(diào)查工程實(shí)際中的機(jī)械和運(yùn)行工況，建立其力學(xué)分析模型，并利用材料力學(xué)的理論進(jìn)行求解，最后按照一般科技論文的格式完成一篇簡(jiǎn)單的小論文。學(xué)生的選題除了教師規(guī)定的選題外，還有相當(dāng)一部分是自己去調(diào)查的工程實(shí)例，而且他們解決問(wèn)題的方法除了用材料力學(xué)的理論外，還有少部分學(xué)生采用的是數(shù)值方法，采用Ansys有限元軟件建立問(wèn)題的實(shí)體模型、劃分網(wǎng)格并加載求解。

由此可見(jiàn)，在課程教學(xué)中鼓勵(lì)、指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行小論文式的大作業(yè)的訓(xùn)練，可以更好地發(fā)揮其學(xué)習(xí)的自覺(jué)性和創(chuàng)造性，也使得學(xué)生力學(xué)建模的能力和分析解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力得以提高，是一種非常有效的研究型教學(xué)方法。當(dāng)然，在實(shí)施過(guò)程中應(yīng)把握好大作業(yè)的數(shù)量，以每個(gè)學(xué)生參與或獨(dú)立完成1～2篇大作業(yè)即可，否則對(duì)學(xué)生而言工作量太大會(huì)影響其它課程的學(xué)習(xí)。

4 結(jié)論

材料力學(xué)教學(xué)的主要目的就是讓學(xué)生了解所學(xué)內(nèi)容的工程背景，掌握材料力學(xué)的學(xué)習(xí)方法和建立力學(xué)模型的方法，并能熟練應(yīng)用材料力學(xué)思維去分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題。近幾年的材料力學(xué)教學(xué)實(shí)踐表明：該文以面向工程應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，在教學(xué)內(nèi)容體系構(gòu)建，教學(xué)方法與手段選擇及實(shí)踐環(huán)節(jié)改進(jìn)等方面進(jìn)行的研究與探索，在提高教學(xué)效果方面顯示了較好的作用。模塊化的教學(xué)內(nèi)容體系有助于學(xué)生理解基本理論的工程背景和掌握基本理論的工程應(yīng)用方法，工程實(shí)例教學(xué)法和在教學(xué)中引入數(shù)值分析方法有助于提高學(xué)生力學(xué)建模能力和運(yùn)用力學(xué)思維去分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，采用開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)及采用面向工程實(shí)際問(wèn)題的大作業(yè)有助于提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)。

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