陳愛平 李芳環(huán) 趙小娟 梅志敏

0 引言

2012年，我校獲批綠色風(fēng)機(jī)制造湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心。依托該中心，學(xué)校在機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)里設(shè)立流體機(jī)械這一特色方向，并為該方向制定人才培養(yǎng)方案?！恫牧狭W(xué)》是該人培中的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，同時它也是大部分工科專業(yè)的重要必修課，歷史悠遠(yuǎn)，到現(xiàn)在該課程已經(jīng)形成了一定的教學(xué)套路。一般專業(yè)按照套路授課教學(xué)，自然沒有什么問題。但是流體機(jī)械是一種比較特殊的機(jī)械，其形狀和零部件有其特異性。如果課程全部采用傳統(tǒng)的教學(xué)方式和教學(xué)內(nèi)容，勢必影響學(xué)生對流體機(jī)械相關(guān)知識的理解和應(yīng)用。為了更好地服務(wù)該特色方向的后期專業(yè)課程，勢必要對該課程的教學(xué)作出適當(dāng)?shù)母淖儭?/p>

1 課程的教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 理論部分教學(xué)現(xiàn)狀

課程內(nèi)容多?！恫牧狭W(xué)》課程的理論教學(xué)內(nèi)容涉及四種基本變形（拉伸與壓縮、剪切與擠壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲）的內(nèi)力與應(yīng)力計(jì)算，強(qiáng)度與剛度的校核，以及應(yīng)力狀態(tài)和強(qiáng)度理論，組合變形，壓桿穩(wěn)定等內(nèi)容。牽涉到的概念抽象，公式繁多。

而且，現(xiàn)有的理論課程采用的實(shí)例與本專業(yè)后期課關(guān)聯(lián)不是那么緊密。主講教師備課所用實(shí)例大部分取自于教材和類似的參考書，而市面上的教材或參考書的素材基本上是都是針對大工科，基本上都是常用件，并且是常用件的力學(xué)模型，沒有流體機(jī)械所特有的零部件實(shí)例，影響該門課程與后期相關(guān)專業(yè)課程的順利銜接。

一般來說，該門課程的理論課程教學(xué)方式都是在教室里由老師口授知識點(diǎn)，學(xué)生做練習(xí)這樣的老套路，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高。理論課程的教學(xué)就形成了一個怪圈：老師教得辛苦，學(xué)生學(xué)得更難受，但是到最后，教學(xué)效果總是不盡如人意。

1.2 實(shí)驗(yàn)部分教學(xué)現(xiàn)狀

學(xué)?，F(xiàn)有的力學(xué)實(shí)驗(yàn)室只有5 臺多功能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，開設(shè)金屬材料的拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、完全實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容重復(fù)，拉伸實(shí)驗(yàn)和壓縮實(shí)驗(yàn)的方法大同小異，體現(xiàn)不出實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)性。但日常生活中的流體機(jī)械如風(fēng)扇等的零部件是非金屬的，很明顯在流體機(jī)械方向全部用金屬試件不太合適，還得加上其他材料試件的實(shí)驗(yàn)。

2 課程改革探索

2.1 修改大綱，優(yōu)選內(nèi)容

首先，對于應(yīng)力狀態(tài)和強(qiáng)度理論的知識點(diǎn)，一般的機(jī)械專業(yè)多是作為重點(diǎn)和難點(diǎn)來授課，其理論性很強(qiáng)，牽涉到很多理論學(xué)假設(shè)和數(shù)學(xué)知識，為了講清楚這些內(nèi)容，往往會安排十多個學(xué)時的授課課時。但是即使這樣，能基本聽懂的學(xué)生只占少數(shù)，這些內(nèi)容在考研筆試中占據(jù)很大的比重，但在實(shí)際應(yīng)用中并不需要掌握得很深。我校流體機(jī)教方向的學(xué)生，他們屬于應(yīng)用型本科生，只需要理解強(qiáng)度理論的應(yīng)用就可以了。所以此次修訂大綱規(guī)定該方向的學(xué)生只需理解四大強(qiáng)度理論的當(dāng)量應(yīng)力值與主應(yīng)力的關(guān)系，掌握四大強(qiáng)度理論的應(yīng)用范圍就夠了，只需安排2個課時。

另外，對于扭轉(zhuǎn)變形的切應(yīng)力計(jì)算公式、扭轉(zhuǎn)角計(jì)算公式、彎曲變形的正應(yīng)力計(jì)算公式等，以往的大綱都是要求理解其推導(dǎo)過程。但是這些推導(dǎo)過程牽涉到靜力學(xué)的空間力系合成，高等數(shù)學(xué)微積分，變形幾何關(guān)系，胡克定律，即使老師花2- 4 個學(xué)時講授，很多學(xué)生聽起來也很吃勁。且這些推導(dǎo)對該后期專業(yè)課的作用幾乎為零。為此，此次將這些理論性較強(qiáng)的推導(dǎo)全部刪除，只要求學(xué)生會用這些應(yīng)力、變形的公式即可。

然后，對于平面彎曲的撓度和轉(zhuǎn)角的計(jì)算（疊加法和積分法），以前的大綱規(guī)定兩種方法都要求掌握。疊加法是站在前人的肩膀上，查表疊加基本載荷所引起的變形即可，省時省力，計(jì)算準(zhǔn)確度高。而積分法耗時耗力，是理論分析的重要手段，實(shí)際應(yīng)用并不多。事實(shí)情況是后期的課程設(shè)計(jì)，還有專業(yè)課學(xué)習(xí)以及工廠的設(shè)計(jì)說明書都采用的是疊加法計(jì)算。此次大綱修訂規(guī)定：增加疊加法的授課學(xué)時，對于積分法，鼓勵學(xué)生自學(xué)，課堂不再安排授課學(xué)時。

2.2 聯(lián)系工程，精選素材

流體機(jī)械的種類很多，常見的有各種風(fēng)扇，除塵鼓風(fēng)機(jī)，壓縮機(jī)等等。為了更好地學(xué)習(xí)后期的專業(yè)課，可以在相關(guān)章節(jié)中增加不流體機(jī)械零部件的實(shí)例作為授課素材。比如，葉輪組的主軸，日常生活常見的落地扇都可以做素材。

彎扭組合章節(jié)是《材料力學(xué)》課程的重點(diǎn)章節(jié)，機(jī)械專業(yè)一般選取軸上零件為帶輪、齒輪的階梯軸校核作為實(shí)例。對于流體機(jī)械方向，在此實(shí)例的基礎(chǔ)之上，要增加軸上零件為葉輪組的階梯軸實(shí)例。標(biāo)明階梯軸各段的周向尺寸和軸向尺寸，葉輪質(zhì)量，葉輪懸臂端軸質(zhì)量，軸的質(zhì)量，聯(lián)軸器的重量，這些工程實(shí)際參數(shù)是如何轉(zhuǎn)為校核計(jì)算所需的數(shù)值都是必須詳細(xì)講解的內(nèi)容，這些往往也是學(xué)生畢業(yè)之后拿到實(shí)際的項(xiàng)目不知如何動手的原因之一。

對于壓桿的穩(wěn)定性，選取實(shí)例時，一般工科專業(yè)采用的是力學(xué)模型如圖1 所示，針對模型上講解柔度、慣性半徑、當(dāng)量長度、臨界載荷、臨界應(yīng)力的相關(guān)知識。這些模型都是可以從書上查表查到的，學(xué)生后面碰到題目，照著教材的表，都能做出來?？墒桥龅綄?shí)物，就不知道怎么判定。到底屬于哪一類約束，到底可以套用書上哪一種情況了?？梢栽黾恿黧w機(jī)械的素材：落地扇的立桿，如圖2 所示。給定各個部件的尺寸、重量、立桿的斷面圖（當(dāng)然，學(xué)生也可以實(shí)測這些參數(shù)）。讓學(xué)生先判斷屬于哪一種約束，然后計(jì)算具體產(chǎn)品的柔度、當(dāng)量長度、慣性半徑，驗(yàn)算其穩(wěn)定性。這樣選取實(shí)例素材，既可以讓學(xué)生更快地將所學(xué)理論知識與實(shí)際設(shè)計(jì)相關(guān)聯(lián)，也可以鍛煉學(xué)生的建模能力。很多學(xué)生自我感覺力學(xué)學(xué)得好（考試考得好），但是到了實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算時，不知道如何下手，是因?yàn)榱W(xué)模型和實(shí)物中間是有落差的，要把模型和實(shí)物相關(guān)聯(lián)，既可以開闊其專業(yè)視野，還能加快從畢業(yè)生到工程師的過渡時間。

另外，為了生活方便，一般家用落地扇的立桿都會設(shè)計(jì)為高度可調(diào)的升降桿形式。在此時，可以給定各部件的重量，立桿材料的力學(xué)性能參數(shù)（如果不是常見材料，可以通過實(shí)驗(yàn)自己測）。立桿的最低高度根據(jù)人的一般坐高給定。要求學(xué)生根據(jù)壓桿的穩(wěn)定性條件計(jì)算立桿的最大高度（也就是設(shè)計(jì)落地扇的高度范圍）。這樣學(xué)生相當(dāng)于做了一個小設(shè)計(jì)，做完之后，學(xué)生的成就感會得到極大的提高，觸發(fā)學(xué)習(xí)動機(jī)。

高度可調(diào)的落地扇立桿，其升降管部分的螺母是連接件，受到剪切和擠壓變形（四大基本變形之二）?？梢宰鳛闉榧羟凶冃蔚膶?shí)例素材，根據(jù)剪切和擠壓強(qiáng)度計(jì)算螺母的最小直徑，然后查閱第二學(xué)期機(jī)械制圖中螺紋標(biāo)準(zhǔn)件的尺寸，確定螺母的類型。

圖1 壓桿力學(xué)模型

圖2 落地扇實(shí)物

2.3 展示產(chǎn)品資料，激活課堂

《材料力學(xué)》的傳統(tǒng)授課形式是：授課老師首先講相關(guān)的概念、公式、方法，然后舉例子加深學(xué)生對相關(guān)理論知識的理解，有時候還會舉一些實(shí)例進(jìn)行講解，當(dāng)然，這些實(shí)例大部分是一些老舊的力學(xué)模型。再就是挑選一些習(xí)題讓學(xué)生練習(xí)，最后老師來講解總結(jié)。這種教學(xué)方式一板一眼，中規(guī)中矩，學(xué)生興趣一般，學(xué)習(xí)成效也有限。對于我校流體機(jī)械的學(xué)生而言，可以借助一些外力手段來豐富課堂內(nèi)容，提升學(xué)習(xí)成效。比如說，可以借助企業(yè)平臺的相關(guān)資源，向展示相關(guān)知識點(diǎn)的作用，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力。因?yàn)槭切Ｆ髤f(xié)同，可以從協(xié)同企業(yè)（鼓風(fēng)機(jī)廠）借閱設(shè)計(jì)說明書和圖紙（保密級別已經(jīng)調(diào)低的資料），直接在課堂上展示實(shí)際的產(chǎn)品設(shè)計(jì)說明書是怎么寫的，用到課程的哪些知識。

比如在講解彎扭組合變形時，可以先將鼓風(fēng)機(jī)成品的照片、設(shè)計(jì)的裝配圖、離心鼓風(fēng)機(jī)主軸零件圖、主軸的設(shè)計(jì)校核說明書、進(jìn)行展示，然后對著其講解彎扭組合的內(nèi)力，危險面。學(xué)生在課堂上直面這些資料，受到的沖擊很大。然后再針對剛才展示的主軸實(shí)例，講解其彎扭組合變形，對比書上的理論方法和實(shí)際應(yīng)用。

講解彎曲變形的撓度計(jì)算時，也可以采用同樣的方法。先向?qū)W生展示大型風(fēng)機(jī)的主軸在工作時彎曲變形的計(jì)算說明書，以及如果相關(guān)參數(shù)指標(biāo)超標(biāo)，會出現(xiàn)的后果。學(xué)生看到這些，腦海里的反映就是，這個學(xué)了有用，以后上班要用的。自然，會認(rèn)真領(lǐng)會這些知識點(diǎn)。

2.4 依托平臺，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

原有材料力學(xué)的實(shí)驗(yàn)課主要開設(shè)拉伸，壓縮，扭轉(zhuǎn)，彎曲實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)都是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，操作過程相似度極高。學(xué)生除了在做第一個拉伸實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)出極高的興致之外，做其他幾個實(shí)驗(yàn)都提不起勁，并且，實(shí)驗(yàn)所用試件的材料全部都是低碳鋼和灰鑄鐵等金屬材料。對于流體機(jī)械來說，雖然有一部分部件是用金屬做的，但是很大比例的零部件都是非金屬材料。如中小型的一些風(fēng)機(jī)的葉片，立桿等。這些零部件在工作過程中，容易變形，同樣需要校核，也需要了解其材料的力學(xué)性能。因而，在實(shí)驗(yàn)課中要做如下改革：一是試件不能只是拘泥于金屬材料，材料得多樣化。二是要開發(fā)其他的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

2.4.1 自制試件，拓寬實(shí)體實(shí)驗(yàn)種類

市面上常見的教學(xué)用力學(xué)試件基本都是金屬的，但是流體機(jī)械會牽涉到其他材料的零部件，所以該方向的學(xué)生必須了解部分非金屬材料的力學(xué)性能?？梢越柚鷧f(xié)同企業(yè)和校內(nèi)工廠自制一些非金屬材料的試件，提供給需要的學(xué)生做力學(xué)性能測試實(shí)驗(yàn)。

比如有些風(fēng)機(jī)的立桿、葉片由聚酯樹脂、乙烯基樹脂和環(huán)氧樹脂等熱固性基體樹脂與玻璃纖維、玻璃纖維、碳纖維等增強(qiáng)材料，通過樹脂注入等成型工藝復(fù)合而成。這些零部件都需要進(jìn)行校核，自然必須明確材料的力學(xué)性能參數(shù)。

協(xié)同企業(yè)本身有這些特定合成材料做成的毛坯件（企業(yè)后期可以根據(jù)需要將毛坯件加工成所需要的葉輪等部件）。學(xué)?；ㄙM(fèi)一定的資金購買這些合成材料的毛坯件。材料力學(xué)課程組老師畫出做標(biāo)準(zhǔn)試件的圖紙。校內(nèi)金工實(shí)習(xí)工廠，根據(jù)圖紙的尺寸，將從企業(yè)買回來的合成材料毛坯件，加工成尺寸達(dá)標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)試件。流體機(jī)械的學(xué)生在做力學(xué)實(shí)驗(yàn)時，既要完成金屬材料試件的測試，又要完這些合成材料試件的測試。這樣學(xué)生對于后期專業(yè)課可能會出現(xiàn)的材料力學(xué)性能有著深刻的了解。同時，也教會學(xué)生如何測定新型材料的力學(xué)性能。

2.4.2 借助軟件，開發(fā)部分虛擬實(shí)驗(yàn)

因?yàn)閷?shí)驗(yàn)設(shè)備的原因（目前學(xué)校只有5 臺多功能材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)），所以能夠開設(shè)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有限。并且有限的項(xiàng)目還有一些是重復(fù)的。對于流體機(jī)械方向比較重要的兩個實(shí)驗(yàn)：一是彎扭組合，二是壓桿穩(wěn)定，試驗(yàn)機(jī)是沒法開設(shè)的。材料力學(xué)課程組借助仿真軟件，開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)來呈現(xiàn)這兩個實(shí)驗(yàn)。在第三學(xué)期，流體機(jī)械方向?qū)W生已經(jīng)在Solidworks 課程中將工業(yè)落地扇的立桿，大型鼓風(fēng)機(jī)的主軸建好模型（當(dāng)然這一切都是在人才培養(yǎng)方案和大綱中提前設(shè)定好的課程體系）。第四學(xué)期上力學(xué)實(shí)驗(yàn)課時，實(shí)驗(yàn)課老師應(yīng)用Solidwork Simulation 模塊，對主軸模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，虛擬加載轉(zhuǎn)矩和徑向力（這些外載荷使得主軸發(fā)生彎扭組合變形）。軟件就可以自動模擬其變形過程。實(shí)驗(yàn)者還可以直觀地讀到顯示各個部位的應(yīng)力和變形圖片。當(dāng)然，學(xué)生還可以用理論課堂上學(xué)到的知識求解某一點(diǎn)的應(yīng)力，將計(jì)算值和模擬仿真值進(jìn)行比較。

對于壓桿穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)，同樣應(yīng)用Solidwork Simulation 模塊，對立桿模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，虛擬加載壓力（壓力可以由0 開始緩慢增加，直至立桿發(fā)生顯著的失穩(wěn)現(xiàn)象）。在這一過程中，學(xué)生一方面可以觀察到失穩(wěn)的形式，幫助理解失穩(wěn)的概念，另一方面可以用理論課的方法計(jì)算出臨界壓力，將計(jì)算值與仿真值進(jìn)行對比。

應(yīng)用三維軟件實(shí)現(xiàn)兩個材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)，以其直觀的過程激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。而且，通過這個虛擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以入門Solidworks Simulation 模塊的使用，他們相當(dāng)于又多了一項(xiàng)技能。

3 結(jié)語

我校流體機(jī)械方向從2012年開始招生，目前已經(jīng)有了4屆畢業(yè)生。2012、2013 級學(xué)生的材料力學(xué)課程采用的是傳統(tǒng)的教學(xué)方式和教學(xué)內(nèi)容。2014、2015 級學(xué)生的材料力學(xué)課程開始采用上述方式和內(nèi)容進(jìn)行授課。

從風(fēng)機(jī)課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、這兩個個方面對比這四屆學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)老師反映：后兩屆學(xué)生在做設(shè)計(jì)時，對于牽涉到的校核問題，明顯優(yōu)于前兩屆。設(shè)計(jì)過程中，后兩屆學(xué)生在校核方面的基本不需要指導(dǎo)老師詳細(xì)講解，有的也只需要稍加點(diǎn)撥即可。但前兩屆學(xué)生在設(shè)計(jì)校核方面出現(xiàn)卡頓的概率要大得多。

從對比結(jié)果看，材料力學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式的改革確實(shí)有助于教學(xué)效果的提升和學(xué)生能力的培養(yǎng)。