《材料力学》教学中关键问题解决方法探讨

于亚婷，杜平安，周晓明

(电子科技大学 机械电子工程学院, 成都 611731)

《材料力学》教学中关键问题解决方法探讨

于亚婷，杜平安，周晓明

(电子科技大学 机械电子工程学院, 成都 611731)

根据学生在《材料力学》学习中最为关心的材料力学知识的重要性、材料力学知识的实用性以及如何学好材料力学等三个关键问题，文中介绍了新的课堂教学方法，旨在解除学生学习中的疑惑，梳理学习思路，端正学习态度，提高学习积极性和主动性。文中提出的教学方法在教学过程中已逐步实施，效果很好。

材料力学；重要性；科研-教学互动模式；学习方法

《材料力学》是一门应用性很强的课程[1]。材料力学的知识不仅可帮助工程人员在实践中确定合理的材料，还可确定材料的截面尺寸或校核其强度、刚度和稳定性，在工程实践中发挥着重要作用[2]。此外，材料力学在专业课程学习中都起着承前启后的纽带作用。教学工作中，发现学生对以下几个问题比较关注：(1)《材料力学》重要吗？(2)《材料力学》有用吗？如何将材料力学知识和实际工程问题联系起来？(3)怎么才能学好《材料力学》？《材料力学》这门课程的学习目的就是记住一系列复杂的公式吗？通过教学方法的改革解决好这些问题，有助于提高学生的学习积极性，端正学习态度，理解关键概念，对材料力学知识的运用以及后续课程的学习都是大有裨益的。

1 关键问题及对应的教学方法

1.1 《材料力学》课程学习的重要性

让学生认识到《材料力学》课程学习的重要性，有助于学生从一开始就端正学习态度，提高学习的主动性和积极性。要解决这一问题，笔者认为可在《材料力学》绪论教学中从两个方面进行阐述：一方面，是《材料力学》在人类发展历史上发挥的重要作用[3]；另一方面，是《材料力学》在后续课程学习中的重要地位。

作者在2011级机械专业的《材料力学》教学中，以材料的变迁给农业机械带来的影响为例，说明材料力学知识为人类社会所做的贡献。以人类处于不同时代所使用的农业机械为例：石器时代受材料所限，只能采用石头做成的石刀和石斧为主要耕作工具；随着青铜器的出现，青铜器代替石器制作农耕工具，但是青铜器价格昂贵；到了铁器时代，价格低廉的铁器取代了青铜器，成为农具使用的主要材料；到了现代，随着新材料的涌现和材料加工水平的不断进步，各种刀具材料使用在农耕机械上，人类的劳作方式彻底改变，生产效率大大提高。

在机械类、材料类等专业中，《材料力学》是很重的一门课程。一方面，它本身可用来解决工程问题；另一方面，它在培养方案中具有承前启后的纽带作用，该课程掌握的熟练程度直接决定了后续课程学习的难易程度，因此，学生在学习时务必认真。

通过从这两个角度讲述材料力学知识的重要性，贯通古今，使学生了解材料力学在人类社会发展过程中扮演的重要角色；同时，也使学生明确《材料力学》在专业课程体系中的重要位置，有利于端正学生的学习态度，提高学习积极性。

1.2 《材料力学》知识的实用性

在教学过程中发现，很多学生都对材料力学知识的实用性产生怀疑，认为材料力学知识是没有用的，之所以学习《材料力学》，只是为了得到相应的学分，可从两方面入手：

1.2.1 通过科研经历讲解运用材料力学知识解决问题的过程，即科研-教学互动模式

《材料力学》是一门应用性很强的课程，在众多科研项目中需要使用材料力学知识解决问题。因此，教师可以通过讲解自己在科研过程中如何使用材料力学知识解决具体问题，来加深学生对基本概念的把握。

以自然基金项目(编号G51005039)中需要产生自然裂纹为例，讲解在强度问题中如何确定许用应力。在一个完整的试件中产生裂纹，就意味着该试件已经破坏。因此，自然裂纹的生成问题，就演化为一个材料强度问题。强度问题中如何确定许用应力很关键。项目中使用的材料为铝合金7075，该材料为塑性材料，其破坏过程经历明显的屈服阶段，因此，屈服强度应该作为其极限强度。通过查询机械设计手册[4]，可知铝合金7075的屈服强度σs为524 Mpa，该材料的安全系数取为2。

(1)

为此，根据式(1)，可通过极限强度和安全系数获得该材料的许用应力。只有试件在外界载荷作用下应力达到或超过许用应力后，才可能生成自然裂纹。图1为当外部载荷为3 000 N，循环次数为10 000时该试件自然裂纹的扩展情况。

图1 自然裂纹的扩展情况

通过该实例的讲解，学生不仅了解强度问题是什么，而且掌握了不同材料确定许用应力的方法。

1.2.2 适时引入工程实例

当然，教师亲身经历的科研项目很难涵盖所有的《材料力学》内容，因此，需要教师有目的的在课堂教学中引入工程实例，讲解关键概念。活生生的工程实例有助于学生理解难懂的概念。

以在讲解弯曲应力时引入的工程问题为例，向学生讲解弯曲应力知识是如何用来解决工程问题的。2012年8月24日清晨，通车不到1年的哈尔滨阳明滩大桥引桥发生断裂，4辆大货车坠落，造成3人死亡、5人受伤的严重事故。图2(a)为阳明滩大桥引桥断裂时的照片；图2(b)为阳明滩大桥断裂时的受力示意图。图中力F为大桥发生断裂时停靠在外伸梁自由端的三辆大货车的自重。

(a) 引桥断裂照片 (b) 受力示意图图2 阳明滩大桥引桥断裂照片和受力示意图

根据弯曲应力的分布规律，最大应力应该是发生在最大弯矩出现的横截面的上下表面上，因此，可得最大弯曲应力的计算公式

(2)

式中：l为集中载荷作用点到固定端的距离；Wz为桥梁横截面的抗弯截面系数。

通过式(2)可看出，最大应力与力F呈正比。由于事发时三辆大货车同时停放在桥的外侧，此时货车重力所产生的外力F较大，过大的外力势必会导致最大应力不断增大，当最大应力超过材料的许用应力时，该大桥发生断裂。因此，可通过材料力学知识解释阳明滩大桥断裂的原因。

作者在2011级《材料力学》课堂教学中引入了这两种方法，告诉学生材料力学知识是怎样解决实际问题的，增加学生学习的积极性。不过实施过程中也发现，因为第一种方法是教师亲身经历的，讲解更鲜活，所以学生对这种方法更感兴趣。建议教师最大限度地将自己的科研成果引入课堂教学。

2 《材料力学》学习过程

很多学生在学习《材料力学》过程中，往往把记忆大量的计算公式作为学习的目标，大量的时间花费在数学计算上，为此，学生普遍认为《材料力学》就是采用不同的公式进行数学计算，感觉很枯燥。这种思绪偏离了学习的目的。在教学过程中可以提倡学生采用多种手段完成数学计算，而将更多的时间花费在理解材料的基本概念以及不同材料在外力作用下的力学性能上。

1)课前认真预习。不懂的内容可在课堂中集中精力倾听教师的讲解，提高学习效率。

2)在课堂教学中若有不清楚的地方，请及时发问。做到今日事今日毕，不遗留问题。

3)课后通过练习巩固课堂内容。在做练习的过程中注重解题思路，而把大量的数学计算交给数学计算软件完成，比如Matlab等。

4)课外可利用现有的数值仿真软件(如ANSYS、COMSOL等)，完成一些简单力学问题的仿真[5]。这样，既可以巩固教学内容，又可以获取不同外力下的各种材料的力学行为，并通过材料力学解释这些力学行为，提高学习兴趣。

3 结束语

《材料力学》的重要性、《材料力学》的实用性以及如何学好《材料力学》，这是大部分学生在学习过程都面临的三个关键问题。在课堂教学中，这三个问题解决的好与坏直接关系到学生对材料力学知识掌握的熟练程度。

在《材料力学》教学中需要解决的三个关键问题：首先，从材料力学对人类社会发展过程中所做的贡献以及《材料力学》在专业培养方案中承前启后的纽带作用两方面入手，向学生分析《材料力学》学习的重要性，端正学生的学习态度。其次，在课堂教学中，一方面，通过将教师在科研工作中运用材料力学知识解决工程问题的经历引入课堂教学；另一方面，将实际工程问题引入课堂教学，可以提高学生的学习积极性和主动性。最后，提出了《材料力学》学习中应遵循的学习步骤，这样可以让学生明确学习目的及如何才能学好。

根据这三个关键问题提出的相关教学方法和对应策略，解决了学生最为关心的问题，实施效果好。

[1] 崔海虎.材料力学课程教学内容理论与实际工程联系改革发展研究[J].价值工程，2014(1):245-246.

[2]刘鸿文.材料力学Ⅰ[M].5版.北京：高等教育出版社，2010.

[3]季顺迎,武金瑛,马红艳.力学史知识在材料力学教学中的结合与实践[J]. 高等理科教育, 2012(4): 137-142.

[4] 闻邦椿. 机械设计手册[M].5版.北京：机械工业出版社，2010.

[5] 杜家政.基于有限元软件的材料力学教学[C]//北京力学会第20届学术年会论文集.北京：北京力学会，2014：1-3.

Discussion on Resolutions to Key Issues in Teaching ofMaterialsMechanics

YU Yating, DU Ping’an, ZHOU Xiaoming

(School of Mechatronics Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China)

According to the most concerned issues in studying ofmaterialsmechanics, namely, 1) the importance ofmaterialsmechanics; 2) how to resolve the practical problem by usingmaterialsmechanics; 3) how to studymaterialsmechanicswell, the corresponding teaching approaches to these issues are proposed in this paper. The purpose of the proposed approaches is to remove the confusion in studying ofmaterialsmechanics, and clear the steps to study thematerialsmechanicswell and finally mobilize the initiative. The teaching approaches proposed have been adopted in process of teaching ofmaterialsmechanicsand the effect is satisfactory.

materials mechanics; importance; research-teaching interactive mode; study approach

2014-03-11；修改日期：2014-03-27

电子科技大学教学团队建设与改革项目(A1098521-044)。

于亚婷(1979-)，女，博士，副教授，研究方向：CAD/CAE/CAM技术。

G642.41

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2014.04.058