材料力學課程案例教學的實踐與建設

張淑琴　馬英忱　韓保紅　孟祥鳳　王凌英

[摘 要]案例教學是一種有效的教學方法。通過將案例引入材料力學課程的教學，課堂上的互動氛圍活躍了，講授理論時學員的注意力也更集中。在案例教學中要注意兩點：一是教員選擇講解的案例要有典型性，分析方法要有一般性；二是案例的選擇和難易度的把握，特別是由學員分析的案例要提前布置，而且難度不能太大。學員是從學校到學校，沒有接觸過工程背景的問題，需要討論或查閱資料，所以要多給學員一段時間，更重要的是會打消學員的學習興趣。

[關鍵詞]材料力學；沖擊載荷；案例教學

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）05-0076-02

目前材料力學課程教材中的例題或習題，多是簡化好的力學模型，學員看到的都是簡圖，而他們是沒有任何工程背景的二年級學員，感到學習的理論和實際是脫節的，所以根據課程特點采用案例教學是一種有效的方法，可拉近課程和學員的距離。這不僅可以激發學員的學習興趣，調動學習的主動性，更重要的是使學員對力學知識的用途有更深層的認識，可提高學員的力學建模能力。本文以沖擊載荷為例，介紹案例教學的具體實施步驟，然后總結材料力學案例庫的建設。

一、案例教學的步驟

沖擊載荷是材料力學課程動載荷章節中的重點內容之一，采用案例教學法，分四步組織教學。

（一）案例呈現，激發學習興趣

案例①：由于繩斷裂，蹦極者落入鱷魚河的水中。

案例②：繩沒斷，但蹦極者落入水中，被鱷魚咬掉了頭。

案例③[1]：2007年8月，位于大連星海公園的蹦極項目出現了一次“意外”：一個小男孩從55米高的跳臺上跳下來時，一頭扎進了海里！令人寬慰的是，落水孩子仍舊被保險繩牽引著，并且浮到了海面上。救生艇趕到把孩子救了下來。孩子上岸后連吐了很多口海水，由于獲救及時，神志很清醒，經過全面檢查，孩子沒有大礙。

（二）提出問題，探索理論依據

問題：試建立力學模型，分析事故原因。

分析人和繩組成的系統，人為沖擊物體，繩為被沖擊物體。根據人與繩的特點，提出基本假設：①人抽象為剛體，即沖擊物體的變形不計；②繩是變形體，其重量不計；③人自由落體運動時，對繩沒有作用，當下落高度和繩的長度相等時，人對繩有沖擊作用，認為人和繩共同運動，即沖擊物體和被沖擊物體接觸后共同運動；④沖擊過程中繩的變形保持彈性變形，即滿足胡克定律，其彈性模量不變。沖擊問題的特點是持續時間短，沖擊力隨時間的變化難以準確分析，其精確計算十分困難，一般采取近似方法，認為沖擊過程中只有機械能和變形能的轉換，忽略其它能量的損耗，如不發聲、不發熱，因此采用能量守恒原理解決沖擊載荷問題，由于不計能量損耗，所以能量法計算偏于安全。

（三）建立模型，求解應力變形

人與繩索相連，繩索另一端牢牢固定在平臺上，開始人靜止在平臺上，然后自由下落。設人的重量為W；繩索橫截面積為A，長為l，彈性模量為E，模型同材料力學教材中習題。[2]

如果人靜止掛在繩索的下端時，繩索的變形是其原長的1/60，動荷因數Kd = 12，繩索的最大伸長量Δd = KdΔst = 0.2l。

（四）分析原因，提出合理建議

案例①中蹦極者墜河的原因：依據動應力的計算分析，說明繩索動應力超出允許范圍，導致繩索斷裂。案例②和案例③中，繩未斷造成蹦極者落水的原因：可能選擇了剛度偏低的繩索，因為Δst偏大，導致Δd增大；可能選擇了剛度夠，但偏長的繩索，導致ld增大；按報紙上對事件的描述，小男孩“胖乎乎”，屬于體重比正常孩子偏大，導致繩索動變形過大（超過設定值），工作人員可能忽略此點，導致事件發生的原因。

建議：正規的蹦極設施具備不同規格的彈性繩索（一般按伸縮長度、拉伸剛度來標定），這些繩索事先經過專門測試并貼有規格標簽。蹦極前要認真查看繩索的規格，選擇與自己體重相適應的彈性繩。

二、案例庫的建設

通過案例教學的實踐，發現學員的學習興趣高了，比如在看完蹦極者掉入河里，被鱷魚咬掉頭的視頻后，都想知道其理論依據，避免今后親身體驗時出現同類事情。學員發現問題、提出問題的意識有所增強，比如講授組合變形時，學員就提出絲錐攻絲時絲錐折斷的問題，比薩斜塔不倒的現象，講授壓桿穩定時，提出銀槍刺喉的雜技。學員建立力學模型、分析問題的能力有所提高，絲錐折斷的例子在扭轉變形時提出，講到組合變形時，學員自己就想到當時分析的不足。學員提出切身體會的例子，如訓練中有時會看到或聽到學員骨折，班里某某學員提出訓練時腿骨骨折的問題，通過分析學員真正感受到力學知識的學習可以使平時訓練更科學。

因此通過調研、收集分析案例，將積累的案例建成案例庫，供教員和學員應用。案例庫中具體案例分為生活案例、裝備案例、其他案例（工程、體育等）。[3]

案例庫可以教員和學員的身份登錄。教員登錄可完成添加案例、管理案例、選用案例、評價學員、管理學員等功能，添加案例功能是教員完成案例上傳，包括案例背景、問題提出、建模理論分析、事故原因、擴展內容或思考。管理案例功能是修改或刪除；選用案例是為學員選擇具體哪些案例供學習和參考，也可選擇具體案例中的背景、問題，等學員分析上傳報告后，再選擇原因分析、擴展思考問題等模塊，供對比和完善自己的分析報告。評價學員是對學員上傳的報告，及時給予批閱，提出修改建議。管理學員是對授課班次中的學員，授予其使用案例庫的權限。學員登錄可完成查看案例、選擇案例分析并上傳，查看教員對報告的評價。查看案例功能是可看到教員選擇好的案例和案例中的具體模塊。

三、小結

通過將案例引入材料力學課程的教學，課堂上的互動氛圍活躍了，講授理論時學員的注意力更集中了，課下案例分析時也用心了，和教員探討分析的次數也多了，總之學員的學習積極性提高了，這說明學員是愿意接受挑戰的，因此教員要努力收集分析新的案例，不斷完善案例庫。

案例教學是一種有效的教學方法，通過實踐發現，在案例教學中要注意兩點：一是教員選擇講解的案例要有典型性，分析方法要有一般性；二是案例的選擇和難易度的把握，特別是由學員分析的案例要提前布置，而且難度不能太大。由于學員是從學校到學校，沒有接觸過工程背景的問題，需要討論或查閱資料，所以要多給學員一段時間，另外如果案例的難度偏大，不僅完不成，更重要的是會打消學員的學習興趣。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 李鋒.材料力學案例[M].北京：科學出版社，2011：71.

[2] 秦飛.材料力學[M].北京：科學出版社，2013：310.

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

[特約編輯：張 雷]