以面向工程应用为目标的材料力学教学改革的探索

王化更　吴懋亮

摘 要：以面向工程应用为目标，在材料力学课程教学改革方面进行了一些探索。采取的主要措施有：在基本教学内容的基础上加入各专业需求的内容和采用模块化教学内容体系；采用工程实例教学法和将数值分析方法引入教学；采用开放式实验教学和面向工程实际问题的大作业。教学实践表明：以上措施能够有效地提高教学效果，更好地适应培养具有创新意识的应用型人才的需要。

关键词：教学内容模块化 工程实例教学法 数值分析方法 开放式实验教学 小论文式大作业

中图分类号：G641 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）01（c）-0140-03

材料力学是高校机械、能源动力、土木、材料等工科类专业的一门重要的专业基础课，在培养学生的力学思维能力和工程实践能力方面非常重要，同时也为学生学习许多后续课程如机械设计、弹性力学、流体力学等提供必要的基础。材料力学既是一门基础学科，也是一门应用学科，材料力学来源于工程，并最终要服务于工程[1-2]。因此，在材料力学教学内容体系构建、课堂教学方法与手段选择及实践环节等整个教学过程中，应以服务于工程应用为出发点，采取合理措施来提高学生的工程认知水平和分析解决工程实际问题的能力，以更好地适应具有创新意识的应用型人才的培养需要。该文即以面向工程应用为出发点，以培养学生的创新意识和分析解决工程实际问题的能力为目的，在材料力学课程教学改革方面进行了一些研究与探索[3]。

1 教学内容体系构建

材料力学课程教学内容的选择和组织应既满足专业培养目标的需要，同时直接面向工程，着重提高学生的工程认知水平和培养他们分析解决工程实际问题的能力。为此，该文主要采取以下两方面的措施来构建材料力学课程的教学内容体系。

1.1 在基本教学内容的基础上加入针对各专业实际需求的内容

材料力学的基本教学内容主要包括：杆件的四种基本变形（轴向拉伸及压缩、剪切、扭转和弯曲）、应力状态与强度理论、组合变形及压杆的稳定性分析等内容，这些内容也是各专业教学大纲的基本要求。

由于材料力学除基本的理论知识外，又与工程实际问题联系紧密，因此，按照课程教学内容服从专业培养目标的要求，对于不同的专业还应适当加入新的针对專业实际需求的内容，以使材料力学这一课程与更好地与专业工程实际相适应。例如，对机械专业，应增加构件的疲劳与断裂等内容，同时可适当加入结构可靠性设计及优化设计等部分内容，使学生在学习过程中能体会到材料力学与现代设计方法的有机结合，增强他们运用基本理论解决工程实际问题的能力；对能源与动力工程专业，应增加热应力和薄壁容器的设计与寿命预测等内容，以更好地分析解决工程实际问题；对材料专业，可增加复合材料力学性能知识，使学生接触到完整的材料学性能的知识。

1.2 教学内容体系模块化

以面向工程应用为主要目标进行材料力学课程内容的组织，将教学内容模块化，对于每一部分主要内容如轴向拉伸和压缩、扭转、弯曲及组合变形等都将之分为：工程背景模块、基本理论与方法模块、工程应用模块和拓展模块。

工程背景模块主要讲述工程中需要解决的与本部分内容相关的各种实际问题，由此引出工程应用对材料力学理论发展的需求，此部分内容以提高学生的工程认知水平为主要目的。基本理论与方法模块主要是理论推导部分，即按照材料力学的研究方法，针对工程实际需要，推导出材料力学的基本理论公式，此部分内容可以使学生学习到材料力学的研究方法和加强他们的自学能力。工程应用模块详细介绍利用材料力学基本理论与方法解决工程实际工程问题的步骤与方法，提高学生建立力学模型的能力和运用基本理论解决工程实际问题的能力。拓展模块主要是将材料力学基本理论与方法作适度拓展，主要从两方面展开，一方面探讨基本理论与方法与其它内容的联系与区别，以加深学生对于基本理论与方法的理解和掌握；另一方面研究当改变推导基本理论与方法时的简化条件对基本理论与方法的影响等，使学生了解简化模型对实际工程问题求解的影响和基本理论与方法的适用范围等。

在讲述轴向拉伸与压缩时，将基本内容分为上述的四个模块来讲述。工程背景模块：通过列举大量的工程实例，提出工程中存在的杆件拉伸或压缩的强度及变形问题，使学生详细了解这一工程领域的实际问题。基本理论与方法模块：按照材料力学的研究方法和步骤，通过观察变形规律，提出变形假设；建立变形几何方程；建立物理方程；空间静力学平衡方程，由此推导出杆件轴向拉伸和压缩时横截面上正应力表达式。工程应用模块：以适量的具体的工程实例，引导学生通过建立实际问题的力学模型、约束力分析、内力分析、应力和变形分析的步骤去解决实际问题，通过这一步骤来加强学生力学思维能力的锻炼，培养他们分析和解决工程实际问题的能力。拓展模块：当外力与杆件的轴线不重合时杆件发生拉（压）弯组合变形；当杆件截面上存在尺寸突变时，该截面上的应力分布不再均匀，即存在应力集中现象；距离外力（集中力）作用位置比较近的截面上应力分布也不均匀，由此引出圣维南原理；当考虑的截面不是横截面，而是斜截面时，由此引出轴向拉（压）杆件斜截面上的应力。

以面向工程应用为主要目标所组织的模块化的教学内容体系，能够加强学生的工程认知水平，培养他们运用理论知识解决工程实际问题的能力。

2 在教学过程中采用以面向工程应用为目标的教学方法和手段

2.1 工程实例教学法

材料力学与工程实际联系紧密，可以这样认为，材料力学的研究就是针对解决工程问题而展开的，因此在课堂教学中，针对每一部分基本理论与方法都应重点讲清楚其工程应用，以提高学生的工程认知和应用实践能力。这些工程实例可以是具体的工程问题，也可以是身边的力学实例。

讲述压杆的稳定性的概念时，举了一个身边的实例来解释：当在一根较粗的铁丝两端施加压力时，很难使铁丝弯曲，而铁丝也保持直线形状稳定；而如果是在一根较细的铁丝两端施加压力时，铁丝很容易就弯曲，而此时铁丝并没有被压断，只是不能再保持直线形状。通过这个例子就引出了实际的两端受压杆件，有时杆件的强度没有问题，并没有发生强度破坏，但发生了形状改变，即压杆已经失稳，失去了承载能力，这就是工程中所说的压杆失稳的问题。然后通过改变铁丝的直径、长度及两端的约束情况让学生体会不同时情况下使铁丝失稳的力的大小，使学生了解影响压杆（细长杆）临界力的因素。这样，通过身边的例子就让学生明白了压杆的稳定性的概念及影响细长杆临界力的因素。

其实，在我们的身边，在日常生活中，随时都有大量的实际问题和工程问题可以结合研究。如针对车间里的吊车桥架，可以讨论如何利用现有吊车使其能够吊起重量更大的物体的问题。讲授圆轴的扭转变形和梁的弯曲变形时横截面上的切应力和正应力分布特征时，可结合讨论人体、动物骨骼的结构特征，如都是空心管状结构，即既能满足生存需要，又减轻了自重，是大自然进化的一个杰作。大自然赋予树木的美好造型，如形成合理的圆形截面，上细下粗的树身，能够抵御不同方向的风力引起的弯曲内力和变形等[3]。

通过这些身边的力学问题实际的工程实例，首先培养学生的学习兴趣，然后引导他们逐步利用所学知识去分析问题，建立问题的力学模型，进而利用现有知识尝试解决相关问题。这些工程实例的引入，对于培养学生分析和解决实际问题的能力的作用是显而易见的。

2.2 将数值分析解法引入教学

材料力学的研究方法除了理论分析和实验研究之外，还有一种重要的研究方法即数值分析方法。在解决工程实际问题时，材料力学的基本理论一般只能解决杆件的强度与变形问题，而实际的工程构件形状却是各种各样的，其中有大量的不能简化为杆件的构件，要解决此类构件的强度和变形问题，则只能采用数值分析方法。为此，在教学过程中，在讲述主要内容时，同时将数值分析方法主要是有限元单元法引入教学，让学生了解有限元软件Ansys的应用方法，并将材料力学基本理论所得的解与有限元法所得到的解进行对比分析，使学生理解材料力学基本理论的应用范围和精度问题，更好地提高其分析和解决工程实际问题的能力。

如在讲述杆件轴向拉伸与压缩时，向学生举了这样一个实例：图1所示杆件，杆长 mm，截面尺寸为20×20 mm，左端固定，右端作用一向右的拉力 kN，杆中部上下分别开有 mm的半圆槽，下面分别以材料力学的计算方法和数值计算方法求杆件横截面上的最大正应力。

很明显，杆件的最大正应力出现在杆件中间位置处截面上，依据材料力学中杆件轴向拉压变形时横截面上正应力的计算公式，可以得到杆件横截面上最大正应力的为：

在Ansys中建立图1所示杆件的实体模型，选用solid187单元划分网格，左端面约束住所有自由度，不考虑集中力载荷施加方式的影响，在右端面上加面压力载荷，求解后第四强度理论的相当应力如图2所示。

由图2可以看出，杆件横截面上的最大正应力为，很明显与式（1）的结果不同，其值出现在圆孔槽附近，这也直接验证了应力集中现象：在截面尺寸突变处，应力急剧变大，而且很容易计算出应力集中系数：

当杆件右端截面上所加的的集中力采用在右端面中心的一小区域上加力的方式处理时，求解后第四强度理论的相当应力如图3所示。

由图3可以看出，杆件的最大正应力为，出现在集中力施加位置，离开集中力作用位置较远的位置，杆件截面上的应力分布则比较均匀。这也验证了圣维南原理：离开载荷作用处一定距离，应力分布与大小不受外载荷作用方式的影响。

将Ansys的分析结果引入教学过程，有助于学生形象理解材料力学基本理论的简化模型在处理具体工程问题时的精度问题，从而更好地掌握材料力学的基本理论的适用范围，同时也初步掌握了数值分析方法在求解工程问题中的应用方法。

3 实践环节

3.1 更新实验内容，实施开放式实验教学

实验教学内容既要服务于课程教学目标，验证材料力学基本理论的正确性，同时也要紧跟工程实践要求，着重培养学生采用实验方法分析和解决工程实际问题的能力[5]。为此，我们对实验内容进行适当改进，在保留了传统验证性实验内容同时，也积极开设了一些综合创新性的实验项目。更新后的实验内容分为二个主要部分：第一部分为基本验证性实验，主要包括基本力学性能实验（拉伸、压缩、扭转、冲击）、电测实验（纯弯曲状态下正应力、等强度梁实验等）和综合设计性实验（弯扭组合实验、偏心拉伸实验）；第二部分为综合创新性实验（叠合钢板梁和桁架应力综合分析实验等）。基本实验和综合设计性实验以课程基本知识为载体，以基本知识和动手能力训练为重点，为必开实验。综合创新性的实验，以培养学生的设计能力、分析和解决工程实际问题的能力为目的，学生可以选做自己感兴趣的实验项目。

实验教学实施开放式、自主式教学，学生可以在实验室开放期间任何时间来做实验，由学生根据实验的要求自行制定实验方案，并独立完成整个实验，从而使自己动手能力和实践能力得到加强。教师在实验结束后，对实验结果进行总结，指出实验过程中存在的一些不足，同学生进行讨论。这样，可以帮助学生发现问题，使他们掌握处理问题的技巧，从而更好地激发和培养他们的探索精神和创新能力。

3.2 面向工程应用问题的大作业

在教学过程中，针对主要内容布置一些大作业，选题范围主要是一些相关的工程实际问题，也可以让学生自行选题，要求他们建立工程实际问题的力学模型，并按照材料力学的分析思路选用合适的方法进行求解。如在讲授轴向拉伸及压缩这部分内容时，向学生布置了起重机钢丝绳的强度问题、拖拽电梯轿厢的钢丝绳的强度问题及液压缸活塞杆的强度问题等工程实际问题，要求学生以小组形式选择其中一个选题，通过调查工程实际中的机械和运行工况，建立其力学分析模型，并利用材料力学的理论进行求解，最后按照一般科技论文的格式完成一篇简单的小论文。学生的选题除了教师规定的选题外，还有相当一部分是自己去调查的工程實例，而且他们解决问题的方法除了用材料力学的理论外，还有少部分学生采用的是数值方法，采用Ansys有限元软件建立问题的实体模型、划分网格并加载求解。

由此可见，在课程教学中鼓励、指导学生进行小论文式的大作业的训练，可以更好地发挥其学习的自觉性和创造性，也使得学生力学建模的能力和分析解决工程实际问题的能力得以提高，是一种非常有效的研究型教学方法。当然，在实施过程中应把握好大作业的数量，以每个学生参与或独立完成1～2篇大作业即可，否则对学生而言工作量太大会影响其它课程的学习。

4 结论

材料力学教学的主要目的就是让学生了解所学内容的工程背景，掌握材料力学的学习方法和建立力学模型的方法，并能熟练应用材料力学思维去分析和解决工程实际问题。近几年的材料力学教学实践表明：该文以面向工程应用为出发点，在教学内容体系构建，教学方法与手段选择及实践环节改进等方面进行的研究与探索，在提高教学效果方面显示了较好的作用。模块化的教学内容体系有助于学生理解基本理论的工程背景和掌握基本理论的工程应用方法，工程实例教学法和在教学中引入数值分析方法有助于提高学生力学建模能力和运用力学思维去分析和解决工程实际问题的能力，采用开放式实验及采用面向工程实际问题的大作业有助于提高学生的动手能力和创新意识的培养。

参考文献

[1] 王建政.材料力学应用型教学方法的探讨[J].科技情报开发与经济，2009，19（12）：180-182.

[2] 季顺迎，武金瑛，金立强.“材料力学”课程中创新意识和实践能力的培养[J].高等理科教育，2008（5）：90-93.

[3] 刘雅君，闰竹玲，杨红霞，等.结合工程实例组织材料力学教学的探索与实践[J].延安教育学院学报，2008，22（4）：60-62.

[4] 孙立红，吴云鹏，刘宝良.深化材料力学教学改革 提升学生专业素养[J].高等教育研究，2008，25（3）：54-55.

[5] 夏兴有，张学义，邹广平.材料力学研究型实验教学的实践[J].实验室科学，2008（4）：42-44.