基于工程案例研究的材料力学教学探索

李 梅

(绍兴文理学院 工学院，浙江 绍兴312000)

0 引言

材料力学课程是一门为工科专业学生开设的与工程实践联系紧密的专业基础课程，它为设计工程实际构件提供必要的理论基础，是理论与实践相结合的课程[1].学生对该课程的掌握程度对学习后续专业知识、提升工程能力有重要影响.一直以来如何学好材料力学课程是教师和学生共同关注和思考的问题[2].在材料力学的教学过程中，教师在讲解基础理论、基本方法的同时，更应注重培养学生运用力学知识分析和解决工程实际问题的基本技能，即：既要教授学生求解具体力学问题的知识，更应注重培养学生将工程实际问题提炼成力学问题(即力学建模)的能力.

在当前教学课时紧缩的条件下，教师如何科学有效地组织教学过程及设计教学环节，对提高学生的工程基础技能有重要的作用.本文提出一种以工程案例为导向组织教学环节的教学方法，下面介绍具体的教学组织过程、实施步骤和体会.

1 工程案例为导向的教学方法

工程案例为导向的教学方法是指在常规教学的同时，组织布置解决工程案例实践问题的课程研究论文，并纳入课程成绩考核体系的教学方法.该方法要求学生运用所学的工程力学基础知识和相关原理，对实际工程现象和问题进行力学建模和计算分析，给出合理的理论解释，并撰写课程研究报告，以此提升解决工程实际问题的能力.

学生选择由教师编写的以材料力学应用为主要内容的工程设计题目，或者是一些与材料力学密切相关的实际生产生活中的力学分析题目.教师引导学生查阅资料，利用计算机编程计算，或应用软件进行分析计算.学生在教师的指导下完成课程研究，撰写课程研究报告.教师根据学生递交的课程报告进行评价，并将其成绩纳入教学考核.

2 目的和步骤明确的教学实践

教师在课程每一章节的教学之初提出若干个工程案例，明确案例研究的目的和要求，引导学生带着一定的案例任务主动学习，这样做可以提高学生学习力学的积极性，提升解决实际问题的工程素养，培养学生的建模能力、计算能力和自学能力.通过教学实践，使学生具有建立工程构件力学模型的能力，能够根据具体问题选择合理的计算模型；具有计算杆件的强度、刚度和稳定性问题的能力，及对计算结果的合理性进行定性判断的能力；具有借助教材与资料自主学习相关知识和分析解决实际问题的初步能力.[3]整个教学实践过程大致包括以下五个步骤：

(1)布置任务.教师首先提出实际生活中的力学问题或者工程实践中的力学案例，要求学生进行力学原理的分析，或者对案例中的机构进行力学设计或校核；同时教师宣布考核的标准与要求，讲解课程研究报告的基本内容和写作方法.学生以5人左右为单位自由组成研究小组.

(2)提交方案.学生以组为单位提交初步研究方案，明确所用的力学原理和力学模型，拟定进一步的研究方案和技术路线.

(3)点评方案.教师对学生的方案进行批阅，点评其中的优秀方案和不合格方案，通过对比让各组学生进一步明确研究内容，优化方案，鼓励学生主动查阅资料，主动学习与案例相关知识.

(4)撰写报告.学生对照规范格式撰写课程报告，整理分析数据，给出设计步骤，得出结论.

(5)评价考核.由教师根据学生递交的方案和报告进行综合打分，计入学期考核成绩.

3 教学实施的具体案例

基于工程案例研究的教学方法的实施关键在于选取合适的案例.教学过程中选取的案例主要分为三大类型：一类案例来自生活实践中的与课程内容有关的力学现象，这类案例比较接近学生的日常生活，对学生的要求是能用力学原理解释实例中的现象，认识到力学和我们的生活有密切联系；第二类案例是工程事故案例，来自教师收集的一些国内外安全事故，要求学生了解和掌握发生安全事故的原因；第三类案例是教师编写的与专业结合的材料力学设计案例，要求学生能建立力学模型，能进行力学强度、刚度和稳定性的设计计算，并最终撰写课程设计报告.这三类案例来源不同，对学生的要求不同，教学作用相互补充，从了解工程实际问题入手，逐步深入，调动学生学习积极性，克服“闭门学习”的缺点，从而最终达到提升工程力学能力素养的目的.

下面几个是在教学过程中应用的案例，分别代表上述三种案例类型.

3.1 第一类案例——身边的力学现象

咽喉顶枪表演是由两个表演者用咽喉顶住长枪锋利的枪尖，在表演者的压力作用下，长枪慢慢变弯，最后甚至折断，场面惊险刺激，难道表演者真的有硬气功吗？[4]——这是表演者利用了材料力学中的压杆稳定性原理，应用欧拉公式能解释说明这个现象.

古代寓言“七根筷子”说的是，7根筷子分开来时很容易被折断，可一旦绑在一起，就很难轻易将它们折断，体现了团结的力量.从力学角度分析，折断7根筷子所用的力量是折断1根筷子的多少倍？设筷子是一个直径为D的圆截面杆.[5]——这是一个关于弯曲强度的实例.

3.2 第二类案例——安全事故案例

我们都知道机场有驱鸟装置和专门人员，为的是保证飞行安全，小小的鸟儿撞上高速运行的飞机，产生的瞬间撞击力足以使飞机挡风玻璃破碎，产生重大危险.高铁作为目前速度仅次于飞机的大众交通工具，也会产生类似的问题吗？2013年6月2日中午，一列由杭州南开往北京的G38次高铁，在镇江被一只鸟撞到了挡风玻璃，导致玻璃大面积开裂.我们可以大致计算一下飞鸟撞击高速运行中的动车的冲击力度，如果以列车目前的最高时速300 km/h来计算，那么一只0.25 kg重的鸽子，撞上前挡风玻璃后，其作用力可以达到5 000 N左右，即使列车速度稍慢一点，估计也有3 000 N左右的力，也就是相当于用约300 kg的重物砸在玻璃上.飞鸟之所以这么“厉害”，还因为它与前挡风玻璃接触的时间短.物体的接触时间越短，速度越快，质量越大，那么对玻璃产生的冲击力也就越大.——这个事故案例可以用冲击载荷的力学原理来解释.

2010年6月2日上午，杭州钱江新城万象城南侧的工地现场，一座正在作业的塔吊发生了拦腰折断的事故.经过初步了解，这是一幢在建的超高层建筑工地，目前地面建筑高度约30 m左右，发生事故的塔吊高60 m，臂展70 m，最大起吊负荷3.5 T.据目击事故的工人称，当时该塔吊正在起吊一捆钢筋，捆绑钢筋的钢缆突然崩断，导致整座塔吊失稳摇晃，并在离地约25 m处拦腰折断倒伏.教师要求学生分析判断造成这起塔吊折断事故的主要原因是什么,是吊车超载？构件内存在损伤隐患？机械故障？还是偶然的意外因素？为什么事故会造成塔身中部被拦腰折断，而不是受轴向压力最大的塔体底部？捆绑钢筋的钢缆突然崩断与事故是否有直接关系？可能产生什么性质的问题？

3.3 第三类案例——材料力学设计案例

某单缸柴油机曲轴结构如图2所示，材料为QT450-5，已知其结构尺寸以及材料的[σ]，μ和E，右端输入转矩为M，曲轴颈中点作用有切向力Ft和径向力Fr.要求画出曲轴的内力图，并校核曲柄臂的强度.

4 教学实施的体会

基于工程案例研究的教学方法与常规教学方法相比有一些创新和优势，在机械设计制造及其自动化专业111班和112班的教学过程中，我们初步尝试实施该教学方法，极大地激发了学生的学习兴趣，课堂教学气氛浓郁，总体教学效果较好.

首先，基于工程案例研究的教学方法是一种切实可行的教学方法，对应用型人才培养的效果非常明显，学生的工程能力得到明显提升.

其次，实施该教学方法教师必须认真选取工程案例，有明确的要求和目标，给学生布置案例任务时一定要有序展开，根据教学内容逐步推进，每一章安排若干个力学分析题目，所有的教学内容都学完之后再安排一个与专业相关的力学设计题目.

第三，培养学生严谨的科学态度和实事求是的精神.通过工程案例，学习力学建模过程和解决实际问题方法，或学会用力学原理解释案例中的各种现象，拓展知识，提高他们的工程素养.

参考文献：

[1]刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2011.

[2]胡海岩.对力学教育的若干思考[J].力学与实践，2009,31(1):70-72.

[3]严慕容，许静静，段洁利，等.工程力学课程素质教育探索与实践[J].高等建筑教育，2012，21(6)：61-63.

[4]李峰.材料力学案例[M].北京：科学出版社，2010.

[5]李峰.从实践中挖掘基础教学的活力[J].高等教育研究，1992(2)：46.