淺談《工程力學》課程教學中力學檢算能力的培養

陜西 金花 王長友 張碧

高職教育即以適應社會需要為目標，培養技術應用型人才。這就要求教師要以“應用”為主旨和特征構建課程體系。尤其是工科院校更應如此，但就目前大多數高校來說，在工程力學課程的教學中普遍存在理論與實際脫節，學生很少有建模的意識和能力等現象，從而使學生的力學分析及檢算能力相對薄弱。因此，教師要多提生活或工程中的實際問題，善于鼓勵和引導學生獨立思考并從中提煉出相應的力學問題，以此來培養學生的力學分析和檢算能力。

1 課程體系及其主要內容

工程力學這門課程主要涉及了三大部分內容，即理論力學部分、材料力學部分和結構力學部分。理論力學部分主要介紹了靜力學部分，該部分主要研究結構的受力分析及平衡問題，其中受力分析和受力圖是學習的重點和難點，這部分內容為材料力學和結構力學的學習提供了解決問題的思路和方法。材料力學部分主要研究構件在四種基本變形及其組合變形條件下的強度和剛度問題，為將來設計安全合理的構件奠定理論基礎。結構力學部分在工程力學課程中所占比例較少，主要介紹了超靜定結構的計算方法。因此，同學們只有理清工程力學中的相關知識脈絡，掌握規律，從本質上理解，才能使知識融會貫通，渾然一體。

2 工程案例在工程力學教學中的應用

在工程力學課程教學中，我們首先要選擇讓學生感興趣且與課程教學內容相關的工程案例，結合教學內容進行引導。

2.1 受力分析能力的培養

物體的受力分析貫穿于整個力學學習的始終，是力學學習中的重點和難點。所謂受力分析就是要在受力圖中標出所有的主動力和約束反力。主動力是已知的，按照構件的實際受力情況照搬即可；關鍵是約束反力。因此，掌握常見的約束及其約束反力就是學習的重點。在講解約束及其約束反力時，讓同學們找出各種各樣的約束實例，比如教室里的燈、電風扇、座椅板凳的約束，門扇與門框之間的約束等等，進而啟發同學們自行分析各種約束產生的約束反力，最后歸納總結各種約束及其約束反力的表示方法。

2.2 拉壓構件中力學檢算能力的培養

在工程史上曾發生過多次由于壓桿失穩而導致的重大事故。例如，1907年加拿大魁北克省橫跨圣勞倫斯河上的鋼結構大橋，在施工中，由于桁架中一根受壓弦桿的突然失穩，造成了整個大橋的倒塌，瞬間，該結構成了一堆廢鐵。因此，對細長壓桿進行穩定性計算就顯得尤為重要。在引入壓桿的穩定性問題時，可以讓同學們親手做一個實驗，取兩根粗細一樣、長度不同的桿。然后給兩桿緩慢施加壓力會發現：當壓力加到一定值時短桿直接斷了，且在破壞前一直保持著直線狀態；而長桿先發生彎曲，當力再加大時，彎曲迅速加大，桿隨即折斷，且此時給長桿施加的力遠遠小于短桿破壞時所施加的力。于是讓他們討論：兩根桿件的破壞形態為何不同，為何長桿的承載能力比短桿小？經過分析，同學們就會明白細長桿件破壞前已有直線狀態的平衡轉化為彎曲狀態的平衡，而彎曲狀態的平衡不穩定，只要稍加力就會使桿件失去穩定性即壓桿失穩了。這也是在工程中避免采用細長桿件的原因。

2.3 剪切構件中力學檢算能力的培養

在工程結構中,構件之間通常采用連接件相互連接，比如螺栓、鉚釘等。連接件對整個結構的牢固和安全起著重要作用，對其強度分析應予以足夠重視。連接件存在三種破壞的可能性：（1）鉚釘被剪斷；（2）鉚釘或鋼板發生擠壓破壞；（3）鋼板由于鉆孔，斷面受到削弱，在削弱截面處被拉斷。要使連接件安全可靠，必須同時滿足以上三方面的強度條件。在講連接件的強度問題時，可以讓同學們討論：一組螺栓采用并列式排列好還是錯列式排列好？經過分析計算，同學們就會知道錯列式排列方式更加安全、合理。

2.4 扭轉構件中力學檢算能力的培養

在講軸的抗扭能力時，為了分析軸的截面形狀對其抗扭能力的影響，可以讓同學們討論：相同材料的實心圓軸和空心圓軸面積相同時哪個軸的承載能力大？經過分析計算，同學們很快得出空心軸的承載能力大的結論。這也就解釋了在工程中經常采用空心軸的原因。

2.5 彎曲構件中力學檢算能力的培養

同學們知道梁在彎曲時，正應力沿截面高度呈線性分布，最大正應力發生在離中性軸最遠的上、下邊緣處且梁內的最大正應力等于彎矩除以抗彎截面模量。在講矩形截面梁的抗彎截面模量的計算公式時，可以讓同學們觀察教室屋頂承重梁的放置方式，教室屋頂承重梁是鋼筋混凝土矩形截面梁，梁的放置方式是高度方向尺寸大于寬度方向尺寸。

3 有限元計算軟件在工程力學教學中的應用

ANSYS是目前應用最為廣泛的大型通用有限元計算軟件之一，該軟件具有強大的應力及變形分析功能、形象而直觀的圖形顯示特點,若在工程力學的教學中引入該軟件，將其巧妙的應用，不僅可以加深學生對基本概念、原理及力學現象的理解，而且可以輕松的讓學生掌握四種基本變形下的應力分布規律及變形情況，從而豐富課堂教學內容、擴展學生的知識面，激發學生的學習興趣、提高學生的力學分析和檢算能力。

總之，通過引入工程案例和有限元計算軟件教學，不僅可以使學生更好的掌握力學問題的分析方法和計算原理，而且對于培養學生的建模意識和提高學生的力學檢算能力有很大幫助。

【注】基金項目：陜西省高等教育教學改革研究項目（編號11GG20）。

[1]鄒冬平，等.小議《工程力學》課程教學[J].職業教育分析,2008(2).