以面向工程應用為目標的材料力學教學改革的探索

王化更　吳懋亮

摘 要：以面向工程應用為目標，在材料力學課程教學改革方面進行了一些探索。采取的主要措施有：在基本教學內容的基礎上加入各專業需求的內容和采用模塊化教學內容體系；采用工程實例教學法和將數值分析方法引入教學；采用開放式實驗教學和面向工程實際問題的大作業。教學實踐表明：以上措施能夠有效地提高教學效果，更好地適應培養具有創新意識的應用型人才的需要。

關鍵詞：教學內容模塊化 工程實例教學法 數值分析方法 開放式實驗教學 小論文式大作業

中圖分類號：G641 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）01（c）-0140-03

材料力學是高校機械、能源動力、土木、材料等工科類專業的一門重要的專業基礎課，在培養學生的力學思維能力和工程實踐能力方面非常重要，同時也為學生學習許多后續課程如機械設計、彈性力學、流體力學等提供必要的基礎。材料力學既是一門基礎學科，也是一門應用學科，材料力學來源于工程，并最終要服務于工程[1-2]。因此，在材料力學教學內容體系構建、課堂教學方法與手段選擇及實踐環節等整個教學過程中，應以服務于工程應用為出發點，采取合理措施來提高學生的工程認知水平和分析解決工程實際問題的能力，以更好地適應具有創新意識的應用型人才的培養需要。該文即以面向工程應用為出發點，以培養學生的創新意識和分析解決工程實際問題的能力為目的，在材料力學課程教學改革方面進行了一些研究與探索[3]。

1 教學內容體系構建

材料力學課程教學內容的選擇和組織應既滿足專業培養目標的需要，同時直接面向工程，著重提高學生的工程認知水平和培養他們分析解決工程實際問題的能力。為此，該文主要采取以下兩方面的措施來構建材料力學課程的教學內容體系。

1.1 在基本教學內容的基礎上加入針對各專業實際需求的內容

材料力學的基本教學內容主要包括：桿件的四種基本變形（軸向拉伸及壓縮、剪切、扭轉和彎曲）、應力狀態與強度理論、組合變形及壓桿的穩定性分析等內容，這些內容也是各專業教學大綱的基本要求。

由于材料力學除基本的理論知識外，又與工程實際問題聯系緊密，因此，按照課程教學內容服從專業培養目標的要求，對于不同的專業還應適當加入新的針對專業實際需求的內容，以使材料力學這一課程與更好地與專業工程實際相適應。例如，對機械專業，應增加構件的疲勞與斷裂等內容，同時可適當加入結構可靠性設計及優化設計等部分內容，使學生在學習過程中能體會到材料力學與現代設計方法的有機結合，增強他們運用基本理論解決工程實際問題的能力；對能源與動力工程專業，應增加熱應力和薄壁容器的設計與壽命預測等內容，以更好地分析解決工程實際問題；對材料專業，可增加復合材料力學性能知識，使學生接觸到完整的材料學性能的知識。

1.2 教學內容體系模塊化

以面向工程應用為主要目標進行材料力學課程內容的組織，將教學內容模塊化，對于每一部分主要內容如軸向拉伸和壓縮、扭轉、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容相關的各種實際問題，由此引出工程應用對材料力學理論發展的需求，此部分內容以提高學生的工程認知水平為主要目的。基本理論與方法模塊主要是理論推導部分，即按照材料力學的研究方法，針對工程實際需要，推導出材料力學的基本理論公式，此部分內容可以使學生學習到材料力學的研究方法和加強他們的自學能力。工程應用模塊詳細介紹利用材料力學基本理論與方法解決工程實際工程問題的步驟與方法，提高學生建立力學模型的能力和運用基本理論解決工程實際問題的能力。拓展模塊主要是將材料力學基本理論與方法作適度拓展，主要從兩方面展開，一方面探討基本理論與方法與其它內容的聯系與區別，以加深學生對于基本理論與方法的理解和掌握；另一方面研究當改變推導基本理論與方法時的簡化條件對基本理論與方法的影響等，使學生了解簡化模型對實際工程問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，將基本內容分為上述的四個模塊來講述。工程背景模塊：通過列舉大量的工程實例，提出工程中存在的桿件拉伸或壓縮的強度及變形問題，使學生詳細了解這一工程領域的實際問題?；纠碚撆c方法模塊：按照材料力學的研究方法和步驟，通過觀察變形規律，提出變形假設；建立變形幾何方程；建立物理方程；空間靜力學平衡方程，由此推導出桿件軸向拉伸和壓縮時橫截面上正應力表達式。工程應用模塊：以適量的具體的工程實例，引導學生通過建立實際問題的力學模型、約束力分析、內力分析、應力和變形分析的步驟去解決實際問題，通過這一步驟來加強學生力學思維能力的鍛煉，培養他們分析和解決工程實際問題的能力。拓展模塊：當外力與桿件的軸線不重合時桿件發生拉（壓）彎組合變形；當桿件截面上存在尺寸突變時，該截面上的應力分布不再均勻，即存在應力集中現象；距離外力（集中力）作用位置比較近的截面上應力分布也不均勻，由此引出圣維南原理；當考慮的截面不是橫截面，而是斜截面時，由此引出軸向拉（壓）桿件斜截面上的應力。

以面向工程應用為主要目標所組織的模塊化的教學內容體系，能夠加強學生的工程認知水平，培養他們運用理論知識解決工程實際問題的能力。

2 在教學過程中采用以面向工程應用為目標的教學方法和手段

2.1 工程實例教學法

材料力學與工程實際聯系緊密，可以這樣認為，材料力學的研究就是針對解決工程問題而展開的，因此在課堂教學中，針對每一部分基本理論與方法都應重點講清楚其工程應用，以提高學生的工程認知和應用實踐能力。這些工程實例可以是具體的工程問題，也可以是身邊的力學實例。

講述壓桿的穩定性的概念時，舉了一個身邊的實例來解釋：當在一根較粗的鐵絲兩端施加壓力時，很難使鐵絲彎曲，而鐵絲也保持直線形狀穩定；而如果是在一根較細的鐵絲兩端施加壓力時，鐵絲很容易就彎曲，而此時鐵絲并沒有被壓斷，只是不能再保持直線形狀。通過這個例子就引出了實際的兩端受壓桿件，有時桿件的強度沒有問題，并沒有發生強度破壞，但發生了形狀改變，即壓桿已經失穩，失去了承載能力，這就是工程中所說的壓桿失穩的問題。然后通過改變鐵絲的直徑、長度及兩端的約束情況讓學生體會不同時情況下使鐵絲失穩的力的大小，使學生了解影響壓桿（細長桿）臨界力的因素。這樣，通過身邊的例子就讓學生明白了壓桿的穩定性的概念及影響細長桿臨界力的因素。

其實，在我們的身邊，在日常生活中，隨時都有大量的實際問題和工程問題可以結合研究。如針對車間里的吊車橋架，可以討論如何利用現有吊車使其能夠吊起重量更大的物體的問題。講授圓軸的扭轉變形和梁的彎曲變形時橫截面上的切應力和正應力分布特征時，可結合討論人體、動物骨骼的結構特征，如都是空心管狀結構，即既能滿足生存需要，又減輕了自重，是大自然進化的一個杰作。大自然賦予樹木的美好造型，如形成合理的圓形截面，上細下粗的樹身，能夠抵御不同方向的風力引起的彎曲內力和變形等[3]。

通過這些身邊的力學問題實際的工程實例，首先培養學生的學習興趣，然后引導他們逐步利用所學知識去分析問題，建立問題的力學模型，進而利用現有知識嘗試解決相關問題。這些工程實例的引入，對于培養學生分析和解決實際問題的能力的作用是顯而易見的。

2.2 將數值分析解法引入教學

材料力學的研究方法除了理論分析和實驗研究之外，還有一種重要的研究方法即數值分析方法。在解決工程實際問題時，材料力學的基本理論一般只能解決桿件的強度與變形問題，而實際的工程構件形狀卻是各種各樣的，其中有大量的不能簡化為桿件的構件，要解決此類構件的強度和變形問題，則只能采用數值分析方法。為此，在教學過程中，在講述主要內容時，同時將數值分析方法主要是有限元單元法引入教學，讓學生了解有限元軟件Ansys的應用方法，并將材料力學基本理論所得的解與有限元法所得到的解進行對比分析，使學生理解材料力學基本理論的應用范圍和精度問題，更好地提高其分析和解決工程實際問題的能力。

如在講述桿件軸向拉伸與壓縮時，向學生舉了這樣一個實例：圖1所示桿件，桿長 mm，截面尺寸為20×20 mm，左端固定，右端作用一向右的拉力 kN，桿中部上下分別開有 mm的半圓槽，下面分別以材料力學的計算方法和數值計算方法求桿件橫截面上的最大正應力。

很明顯，桿件的最大正應力出現在桿件中間位置處截面上，依據材料力學中桿件軸向拉壓變形時橫截面上正應力的計算公式，可以得到桿件橫截面上最大正應力的為：

在Ansys中建立圖1所示桿件的實體模型，選用solid187單元劃分網格，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，求解后第四強度理論的相當應力如圖2所示。

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

當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域上加力的方式處理時，求解后第四強度理論的相當應力如圖3所示。

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

將Ansys的分析結果引入教學過程，有助于學生形象理解材料力學基本理論的簡化模型在處理具體工程問題時的精度問題，從而更好地掌握材料力學的基本理論的適用范圍，同時也初步掌握了數值分析方法在求解工程問題中的應用方法。

3 實踐環節

3.1 更新實驗內容，實施開放式實驗教學

實驗教學內容既要服務于課程教學目標，驗證材料力學基本理論的正確性，同時也要緊跟工程實踐要求，著重培養學生采用實驗方法分析和解決工程實際問題的能力[5]。為此，我們對實驗內容進行適當改進，在保留了傳統驗證性實驗內容同時，也積極開設了一些綜合創新性的實驗項目。更新后的實驗內容分為二個主要部分：第一部分為基本驗證性實驗，主要包括基本力學性能實驗（拉伸、壓縮、扭轉、沖擊）、電測實驗（純彎曲狀態下正應力、等強度梁實驗等）和綜合設計性實驗（彎扭組合實驗、偏心拉伸實驗）；第二部分為綜合創新性實驗（疊合鋼板梁和桁架應力綜合分析實驗等）?；緦嶒灪途C合設計性實驗以課程基本知識為載體，以基本知識和動手能力訓練為重點，為必開實驗。綜合創新性的實驗，以培養學生的設計能力、分析和解決工程實際問題的能力為目的，學生可以選做自己感興趣的實驗項目。

實驗教學實施開放式、自主式教學，學生可以在實驗室開放期間任何時間來做實驗，由學生根據實驗的要求自行制定實驗方案，并獨立完成整個實驗，從而使自己動手能力和實踐能力得到加強。教師在實驗結束后，對實驗結果進行總結，指出實驗過程中存在的一些不足，同學生進行討論。這樣，可以幫助學生發現問題，使他們掌握處理問題的技巧，從而更好地激發和培養他們的探索精神和創新能力。

3.2 面向工程應用問題的大作業

在教學過程中，針對主要內容布置一些大作業，選題范圍主要是一些相關的工程實際問題，也可以讓學生自行選題，要求他們建立工程實際問題的力學模型，并按照材料力學的分析思路選用合適的方法進行求解。如在講授軸向拉伸及壓縮這部分內容時，向學生布置了起重機鋼絲繩的強度問題、拖拽電梯轎廂的鋼絲繩的強度問題及液壓缸活塞桿的強度問題等工程實際問題，要求學生以小組形式選擇其中一個選題，通過調查工程實際中的機械和運行工況，建立其力學分析模型，并利用材料力學的理論進行求解，最后按照一般科技論文的格式完成一篇簡單的小論文。學生的選題除了教師規定的選題外，還有相當一部分是自己去調查的工程實例，而且他們解決問題的方法除了用材料力學的理論外，還有少部分學生采用的是數值方法，采用Ansys有限元軟件建立問題的實體模型、劃分網格并加載求解。

由此可見，在課程教學中鼓勵、指導學生進行小論文式的大作業的訓練，可以更好地發揮其學習的自覺性和創造性，也使得學生力學建模的能力和分析解決工程實際問題的能力得以提高，是一種非常有效的研究型教學方法。當然，在實施過程中應把握好大作業的數量，以每個學生參與或獨立完成1～2篇大作業即可，否則對學生而言工作量太大會影響其它課程的學習。

4 結論

材料力學教學的主要目的就是讓學生了解所學內容的工程背景，掌握材料力學的學習方法和建立力學模型的方法，并能熟練應用材料力學思維去分析和解決工程實際問題。近幾年的材料力學教學實踐表明：該文以面向工程應用為出發點，在教學內容體系構建，教學方法與手段選擇及實踐環節改進等方面進行的研究與探索，在提高教學效果方面顯示了較好的作用。模塊化的教學內容體系有助于學生理解基本理論的工程背景和掌握基本理論的工程應用方法，工程實例教學法和在教學中引入數值分析方法有助于提高學生力學建模能力和運用力學思維去分析和解決工程實際問題的能力，采用開放式實驗及采用面向工程實際問題的大作業有助于提高學生的動手能力和創新意識的培養。

參考文獻

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[2] 季順迎，武金瑛，金立強.“材料力學”課程中創新意識和實踐能力的培養[J].高等理科教育，2008（5）：90-93.

[3] 劉雅君，閏竹玲，楊紅霞，等.結合工程實例組織材料力學教學的探索與實踐[J].延安教育學院學報，2008，22（4）：60-62.

[4] 孫立紅，吳云鵬，劉寶良.深化材料力學教學改革 提升學生專業素養[J].高等教育研究，2008，25（3）：54-55.

[5] 夏興有，張學義，鄒廣平.材料力學研究型實驗教學的實踐[J].實驗室科學，2008（4）：42-44.