張淑琴+程兆剛+赫萬(wàn)恒+孟祥鳳+張瑩瑩

[摘 要]材料力學(xué)是機(jī)械類專業(yè)的一門重要技術(shù)基礎(chǔ)課程，其問(wèn)題緊密聯(lián)系工程實(shí)際，案例教學(xué)是實(shí)現(xiàn)材料力學(xué)理論指導(dǎo)實(shí)踐的有效教學(xué)模式。材料力學(xué)教學(xué)中案例應(yīng)該具有總體設(shè)計(jì)思路，具體案例的設(shè)計(jì)包括案例背景、問(wèn)題提出、建立模型、原因分析、擴(kuò)展內(nèi)容五個(gè)步驟。

[關(guān)鍵詞]材料力學(xué);案例;教學(xué)

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2016）11-0165-03

材料力學(xué)是機(jī)械類專業(yè)的一門重要技術(shù)基礎(chǔ)課程，主要研究變形體受力后發(fā)生的變形，及由于變形引起的附加內(nèi)力及應(yīng)力，和由此而產(chǎn)生的失效。其任務(wù)是在滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求的前提下，為設(shè)計(jì)既安全又經(jīng)濟(jì)的構(gòu)件，提供必要的理論基礎(chǔ)和計(jì)算方法。[1]教學(xué)中要注重理論和方法的實(shí)際應(yīng)用，因此除了完成基本的直接應(yīng)用公式求解的教材例題和習(xí)題外，需要還原教材上例題或習(xí)題的原貌，其中結(jié)合實(shí)際案例展開(kāi)教學(xué)是有效的途徑，這不僅開(kāi)闊學(xué)員的視野，更重要的是加深基礎(chǔ)理論的理解，掌握理論指導(dǎo)實(shí)踐的思路，提高學(xué)員運(yùn)用所學(xué)知識(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，為專業(yè)課程的學(xué)習(xí)、畢業(yè)綜合設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ)。本文介紹在教學(xué)中引入案例時(shí)應(yīng)把握的五個(gè)步驟，并選擇武器和生活中的兩個(gè)案例進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。

一、案例的設(shè)計(jì)思路

案例來(lái)源于生活、工程、武器裝備等領(lǐng)域[2]，教學(xué)中主要分為課堂分析案例和課下學(xué)員自行分析案例兩類。教員在課堂上展開(kāi)分析的案例，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，分析要全面透徹，引導(dǎo)學(xué)員理解各個(gè)環(huán)節(jié);請(qǐng)學(xué)員分析的案例，要在開(kāi)課時(shí)就給出，讓學(xué)員根據(jù)自己的興趣至少選擇一例，帶著問(wèn)題進(jìn)入課程的學(xué)習(xí)，根據(jù)教學(xué)進(jìn)度進(jìn)行具體分析，到結(jié)課時(shí)給出自己的分析答案，具體成績(jī)計(jì)入平時(shí)分。

教學(xué)中學(xué)員對(duì)案例很感興趣，但是要真正進(jìn)行建模分析時(shí)，又會(huì)遇到困難而失去積極性，為此教學(xué)中選擇好案例后，設(shè)計(jì)時(shí)要逐步推進(jìn)，每個(gè)案例一般要把握好五個(gè)步驟，具體如下：

第一步：案例背景

通過(guò)查閱相關(guān)專業(yè)書(shū)籍、關(guān)注新聞報(bào)道，瀏覽網(wǎng)絡(luò)資源等途徑，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題整理案例，主要利用文字、圖片、照片、視頻等形式，來(lái)闡明案例的發(fā)生及其危害，使學(xué)員感到問(wèn)題的真實(shí)性，來(lái)激發(fā)學(xué)員的興趣點(diǎn)。

第二步：?jiǎn)栴}提出

為了克服由于問(wèn)題太難而打消學(xué)員的積極性，所提問(wèn)題要由易到難，逐步分層進(jìn)行。因?yàn)樘岢鰡?wèn)題往往比解決問(wèn)題更重要，也可增加學(xué)員自己提出問(wèn)題的環(huán)節(jié)，如感到所給問(wèn)題有難度，自己可以給出相關(guān)的簡(jiǎn)單一些的問(wèn)題;也可給出所提問(wèn)題分析后，提出其他相關(guān)題目，供大家探討分析，若所提問(wèn)題很好要給予鼓勵(lì)，計(jì)入平時(shí)分?？傊?，問(wèn)題的設(shè)計(jì)是要學(xué)員從一個(gè)案例的分析中理解多一些、全一些。

第三步：建立模型

分析案例的特點(diǎn)和問(wèn)題的要點(diǎn)，抓住主要因素，忽略次要因素，畫出力學(xué)簡(jiǎn)圖，將問(wèn)題和所學(xué)理論建立聯(lián)系，應(yīng)用相關(guān)知識(shí)、公式、方法，進(jìn)行理論分析或計(jì)算。

第四步：分析原因

由理論分析結(jié)果定性分析案例問(wèn)題發(fā)生的可能原因，提出避免事故發(fā)生、設(shè)計(jì)或使用維護(hù)時(shí)應(yīng)該采取的措施。

第五步：擴(kuò)展內(nèi)容

提供相關(guān)的擴(kuò)展閱讀內(nèi)容，或者提出深層次的問(wèn)題等等，供學(xué)員進(jìn)一步深入思考或探索，目的是培養(yǎng)學(xué)員的問(wèn)題意識(shí)，逐步養(yǎng)成發(fā)現(xiàn)新問(wèn)題，提出新想法的思維習(xí)慣。

二、案例：空調(diào)外機(jī)支架的安全性分析

（一）案例背景

據(jù)了解，我國(guó)第一波空調(diào)安裝高峰期大約在20世紀(jì)90年代中后期，2000年開(kāi)始在城市全面普及。空調(diào)及外機(jī)的安全使用年限約為10年，支架一般在5-6年后就應(yīng)更換，而現(xiàn)實(shí)情況卻令人擔(dān)憂。幾乎每年都有空調(diào)支架出現(xiàn)問(wèn)題的報(bào)道。

2002年12月12日，湖南省邵陽(yáng)市……;2008年6月10日晚，福州平潭……;2014年7月，因空調(diào)支撐架斷裂，一維修工人在上海某小區(qū)維修空調(diào)時(shí)從3樓墜亡！圖1是出現(xiàn)問(wèn)題的某空調(diào)支架。

（二）問(wèn)題提出

1.常見(jiàn)空調(diào)支架如圖2，根據(jù)空調(diào)及支架的受力情況，簡(jiǎn)化力學(xué)模型，分析支架橫梁和立柱連接螺釘?shù)膽?yīng)力。

2.從圖3上不難看出，在高高懸起的支架上，隨著時(shí)間的推移，用來(lái)固定空調(diào)室外機(jī)的支架與墻面不能完全貼合，并且連接墻面的螺釘也發(fā)生彎曲變形。（1）試簡(jiǎn)化模型分析圖片中螺釘?shù)膽?yīng)力;（2）提出安裝空調(diào)外機(jī)及支架的合理建議。

（三）建立模型

問(wèn)題1的模型如圖4（a），設(shè)三個(gè)螺釘?shù)闹睆骄鶠閐。

將載荷向螺釘群截面形心簡(jiǎn)化為一個(gè)力F′和一個(gè)力偶M，其中M=Fl。

力F′由三個(gè)螺釘平均分擔(dān)，各螺釘承受的豎向剪力均為Fa1=Fb1=Fc1=。

力偶M使三個(gè)螺釘產(chǎn)生切向剪力，由直角三角形各邊的比例關(guān)系和力矩的靜力學(xué)關(guān)系，可解得各螺釘?shù)那邢蚣袅Ψ謩e為Fa2=Fc2=，F(xiàn)b2=0，方向如圖4（b）。

各螺釘?shù)目偧袅Ψ謩e為：Fa=Fc=，F(xiàn)b=，剪力方向如圖4（b）。顯然最上和最下螺釘?shù)募袅ψ畲?，其切?yīng)力也最大。

問(wèn)題2的模型如圖5，兩個(gè)螺釘將支架的立柱與墻體連接。

兩個(gè)螺釘內(nèi)為拉應(yīng)力，下側(cè)支架立柱與墻體之間產(chǎn)生壓應(yīng)力，設(shè)受壓長(zhǎng)度為x，若下部有螺釘，螺釘也不受力，所以實(shí)際立柱上有孔也不安裝螺釘。假設(shè)單個(gè)螺釘上的受力均勻，螺釘群應(yīng)力分布為直線規(guī)律，如圖5，中性軸處應(yīng)力為0。

設(shè)螺釘?shù)臋M截面面積為A，按應(yīng)力分布假設(shè)可知，中性軸以下沒(méi)有螺釘。

上側(cè)螺釘?shù)睦瓚?yīng)力最大，為：

其中M是空調(diào)重量引起的力矩。

支架立柱與墻體的最大壓應(yīng)力在下邊緣，為：

（四）分析原因

問(wèn)題1的理論分析告訴我們，若是間距相同的三個(gè)螺釘，其中最上和最下螺釘?shù)那袘?yīng)力最大，那么危險(xiǎn)性也就最大。為避免事故發(fā)生，一定要選擇符合要求的螺釘，按要求安裝足夠的螺釘個(gè)數(shù)。

問(wèn)題2的理論分析告訴我們，支架立柱與墻體間的螺釘中最上邊的螺釘受力最大，因此看到最上邊的螺釘比下邊的螺釘松動(dòng)的要嚴(yán)重。

實(shí)際中由于空調(diào)支架在室外，若是鐵架或不合格產(chǎn)品，時(shí)間長(zhǎng)了容易生銹，這也是造成空調(diào)支架斷裂的原因之一。

（五）擴(kuò)展內(nèi)容

1.為什么有的空調(diào)支架上在中間部位可以挖有圓孔，如圖6，圓孔的大小應(yīng)滿足什么條件？

2.推薦電視臺(tái)關(guān)于“舊空調(diào)支架牢不牢”的實(shí)驗(yàn)視頻，或電視臺(tái)制作的關(guān)于“空調(diào)外機(jī)支架安全嗎？”節(jié)目，供學(xué)員觀看，進(jìn)一步了解支架的安全情況。

3.實(shí)際生活中，如何做才能避免“禍從天降”呢？

2012年4月19日，中國(guó)家電服務(wù)維修協(xié)會(huì)發(fā)布了《空調(diào)器室外機(jī)安裝用支架規(guī)范》。其中對(duì)空調(diào)外機(jī)支架的厚度、防銹度、緊固件規(guī)范以及支架檢測(cè)規(guī)范都做出了具體規(guī)定，如支架使用的材料必須是3毫米以上的角鋼或鍍鋅鋼板、空調(diào)支架的承載能力不能低于空調(diào)器機(jī)組自重的4倍，并明確指出，支架使用壽命不得低于空調(diào)本身的使用壽命，即10-12年。……

三、結(jié)語(yǔ)

案例教學(xué)是將理論用于實(shí)踐的有效教學(xué)模式，案例的選擇是長(zhǎng)期性的工作，案例的編寫設(shè)計(jì)是保證教學(xué)效果的關(guān)鍵，必須要注意由淺入深，挖掘問(wèn)題內(nèi)涵，逐步建模分析得出案例的可能原因。另外案例的完成需要教員的努力，更需要學(xué)員的參與，相信經(jīng)過(guò)師生的共同探索、研討、完善，會(huì)建成豐富的材料力學(xué)案例庫(kù)，材料力學(xué)的案例教學(xué)會(huì)將材料力學(xué)的教學(xué)改革推向深入。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 劉鴻文.材料力學(xué)第5版[M].北京：高等教育出版社，2011：1.

[2] 張淑琴，馬英忱，閆石，等.材料力學(xué)課程案例教學(xué)的研究[J].大學(xué)教育，2015（12）：159-160.

[責(zé)任編輯：張 雷]