工程案例及其在材料力学课程中的综合实践教学应用

宋向荣　吴杰　姜文安

摘 要 材料力学课程教学改革的实践越来越重视学生工程应用能力和创新能力的培养。在教学实践中，结合工程案例，让学生通过建立模型、简化计算、工程测试、汇报答辩等环节，小组分工合作完成综合实践作业，培养学生的综合能力。

关键词 材料力学；工程案例；综合实践教学；卓越工程师

中图分类号：G642.3 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2017）08-0141-03

1 引言

材料力学课程是工科院校机械类、土建类、交通运输类等较多专业的专业基础课，是学生接触专业知识和工程领域的先导课程，将材料力学课程教学与培养学生的工程应用能力和创新能力相结合，具有重要意义。国家开展卓越工程师教育培养计划，也旨在培养适应经济社会发展需要的创新能力强的高质量工程技术人才，对材料力学课程教学实践提出新的要求。

以往力学课程教学以理论严密、逻辑性强为特点，强调学生的理论基础和数理逻辑能力。近年来，随着高校教育教学改革的不断深入与广大教师的不断实践，越来越重视学生的工程应用能力和创新能力的培养。但在教学中如何将工程实践知识与学生动手能力和实际应用能力相结合，还需多做探索。部分教师在开展科研项目研究时让学生参与，但发现学生的基础还没达到要求，并且学生在学完课堂内容后觉得作业习题大多偏重理论，与工程应用还有距离。

笔者在长期教学积累和科研合作中，提炼了部分与材料力学课程知识结合紧密的工程案例，使学生在完成工程实践综合作业的过程中，重点培养材料力学课程知识的应用能力、团结协作与动手能力，引导学生参与工程实践及科研项目，提高学生的综合能力和创新素质。

2 结合工程案例的综合实践作业设计

材料力学课程综合实践作业的教学目的可以概括为培养学生提炼力学模型的能力，提高学生解决实际工程问题的能力，提高学生自我学习的能力，培养和提高学生组织协作的能力，培养学生科学思维方法和研究能力，锻炼学生分析总结和表达能力。

材料力学课程综合实践作业的设计一般要求结合一定工程背景，提供相应图纸、参数、工作原理等，锻炼学生读懂图纸、提炼力学模型的能力；综合实践作业的内容结合专业知识、工程实例或相关后续课程，列出一定的参考书及参考文献，需要学生学会阅读、自主学习；综合实践作业的设计一般采取开放式的结论，给定设计参数让学生分析研究方案，或给定必要功能进行相关参数的设计。

材料力学课程综合实践作业的形式可以分为与课程内容相关的可以让学生直接参与的课题、从工程实际中提炼的力学近似计算、结合工程问题的开放选修实验、学生自主选题的大学生创新项目、群体性参与的趣味力学竞赛等。限于篇幅，这里仅列举几个材料力学综合实践作业案例。

案例1：锚链环拉伸试验与分析 某型号的锚链环如图1所示，需进行拉伸试验以检验锚链单环承受的最大载荷、最大应变以及锚链环的变形等。试验载荷从520 kN分20个加载步到7460 kN然后卸载，采用电测法进行应变测试，实测时确定的应变片布置方案如图1所示。

要求：1）根据锚链环的结构图纸，确定锚链单环的力学模型，分析锚链环拉伸的应力分布；2）根据应变测试方案确定试验步骤，分析应变测试方案的合理性；3）少部分学生参与现场测试；4）已知各载荷步下各测点的实测应变，分析试验结果，得到简要结论。

该案例考查的学生的知识和能力包括：1）对内超静定结构的受力和应力分析的能力；2）电测理论，如何应用电桥理论得到锚链环拉伸时的拉伸应力和弯曲应力；3）通过参与现场测试锻炼学生的动手能力，增长学生的工程见识；4）对测试数据的处理和分析能力，直接感受工程测试与理论分析的差别。

案例2：张弦桁架结构张拉应力测试与分析 某体育馆张弦桁架结构见图2，最大跨度115米，单榀最大重量約128吨，张拉过程是施工的关键项目。以某一榀桁架为例，需对张拉过程中桁架关键部位的应力进行监测。

要求：1）根据钢结构施工图纸，用力学知识建立单榀桁架的力学模型；2）对模型进行简化，得到材料力学中的超静定结构；3）简要分析单榀桁架的应力监测关键部位；4）参观工地，参观张拉过程；5）对应力、结构变形等监测数据进行简要分析，与施工前的分析进行对比，分析差别的原因；6）预测温度对结构的影响，提出验证方法。

这是一个实际工程问题，通过布置综合实践作业的方法让学生在施工前就提前参与，使学生对课程的工程应用有了更加深刻的认识。再由于工程缺少工程经验，学生分析后确定的监测点与项目方案存在偏差，但通过施工现场的分析讲解，对结构施工直观了解，培养了学习积极性。

案例3：某双体客船螺旋桨轴系的强度计算 某长江短途客船已知主机额定功率为190 kW，额定转速1000 r/min，

总减速比2.89，轴的转速346 r/min，螺旋桨推力2350 kg，

螺旋桨重量200 kg，材料35#钢，联轴节重量42.8 kg，法兰重量28.5 kg，屈服极限270 MPa，许用安全系数[k]=

2.5～5.5，圆齿轮箱装有推力轴承，可承受2600 kg的推力，满足本船实际推力2350 kg的要求。在强度计算时，为偏于安全，将前端视为自由端。船舶轴系一般是一个变截面连续梁，在联轴节处作用集中载荷，将它简化为分段等截面连续梁，如图3所示。

要求：1）按分段等截面连续简化法，完成基本数据表；

2）按力矩分配法，计算各节点的弯矩，计算分配系数、固定端外力矩，用列表的方式进行力矩分配法计算（分配13次）；3）求节点处的剪力和支座反力；4）用三弯矩方程计算节点处弯矩校核力矩分配法的结果；5）画轴系受力简图、轴力图、扭矩图、剪力图和弯矩图；6）按第四强度理论，对危险截面用安全系数法进行强度校核。

通过该案例的计算，学生在复习和熟悉材料力学课程内容外，增强了综合计算及综合应用能力，提前接触了专业知识、行业规范以及工程术语，掌握了力学模型的简化及计算方法，进一步认识到材料力学课程在工程中的实际应用。

案例4：八角环式车削测力仪的测力计算 八角环式弹性元件见图4，要求：1）将八环式弹性元件简化为两端固定的圆环式曲杆；2）用力法正则方程求解三个垂直方向力单独作用下的超静定问题，求解刚化杆中间截面上各自的内力（作为多余约束力），写出曲杆的弯矩和轴力方程；3）以

大曲率曲杆计算各测点上的正应力，并计算理论读数；4）分

析每组布片和接线图，说明理由；5）分别计算理论读数值与实验读数的误差；6）进行误差分析。

该案例是一个典型的力学方法应用案例，涉及曲杆超静定计算、力与变形及应变之间的关系、电测法测试应力、桥路应用等知识，进一步促使学生综合应用课程知识。

3 材料力学综合实践作业的教学实践

由于课程教学时数不断减少，在时间安排上，一般一次综合实践作业占用3学时的课内时间。其中1学时用于布置任务、讲解基本要求，确定分组和组内分工，明确小组负责人和完成时间节点，最后占用2学时进行答辩。其余为课外时间完成，包括学生查阅资料、完成作业、辅导答疑等。这样做到了课内教学与课外学习的有益结合。

一般一学期有2～3次综合实践作业，在教学过程中，结合每学期的实际情况及项目情况，每年的内容和要求会略有不同。由于综合实践作业难度较大、要求较高，每次作业按学生自愿的原则结合学生学习程度分组，一般4～6人一组，要求小组内明确分工与合作。小组分工包括查阅文献、建立模型、计算、绘图、完成报告、制作答辩PPT等。

考核是综合实践作业的另外一个重要环节，作为课程的一个重要组成部分，综合实践成绩被记入课程考核内容。考核内容包括：小组分工情况，考察每个学生参与程度及完成工作量；完成一份作业总结报告，报告内容要求条理清楚，详尽描述小组分工、完成过程、研究思路、研究方法和结论；项目答辯，要求每组派一个代表汇报答辩，其余学生接受问询考核，对每位学生分别给分。

在综合实践作业的实施过程中，大部分学生能积极配合，学有余力的学生在图书馆和网上查阅大量文献，并在与教师的交流过程中学习到大量课堂以外的知识；也有少量学生不很热心，浑水摸鱼。另外，综合实践作业占用学生大量的课外时间，需要进一步合理安排课堂教学与课外教学的时间关系。在考核内容和考核方式以及激励措施方面，材料力学综合实践作业的教学实践还需进一步完善。

4 结语

材料力学课程是工科类各专业学生由基础课程向专业课程过渡的先导课程，对培养学生工程基础和实践能力起到重要影响。在材料力学课程教学过程中，结合实践性教学环节锻炼和培养学生的综合素质是当代大学教育改革的一个必然趋势，很多教师和同行都提出许多很好的方法。本文仅是教学过程中的一个小的实践，在结合工程实际合理选题、优化课堂教学内容与课外学习之间的关系、培养和调动学生参与积极性等方面还需不断改进。笔者希望通过本文起到一个抛砖引玉的作用，得到同行的批评指正。