基于工程案例研究的材料力學教學探索

李 梅

(紹興文理學院 工學院，浙江 紹興312000)

0 引言

材料力學課程是一門為工科專業(yè)學生開設的與工程實踐聯(lián)系緊密的專業(yè)基礎課程，它為設計工程實際構(gòu)件提供必要的理論基礎，是理論與實踐相結(jié)合的課程[1].學生對該課程的掌握程度對學習后續(xù)專業(yè)知識、提升工程能力有重要影響.一直以來如何學好材料力學課程是教師和學生共同關注和思考的問題[2].在材料力學的教學過程中，教師在講解基礎理論、基本方法的同時，更應注重培養(yǎng)學生運用力學知識分析和解決工程實際問題的基本技能，即：既要教授學生求解具體力學問題的知識，更應注重培養(yǎng)學生將工程實際問題提煉成力學問題(即力學建模)的能力.

在當前教學課時緊縮的條件下，教師如何科學有效地組織教學過程及設計教學環(huán)節(jié)，對提高學生的工程基礎技能有重要的作用.本文提出一種以工程案例為導向組織教學環(huán)節(jié)的教學方法，下面介紹具體的教學組織過程、實施步驟和體會.

1 工程案例為導向的教學方法

工程案例為導向的教學方法是指在常規(guī)教學的同時，組織布置解決工程案例實踐問題的課程研究論文，并納入課程成績考核體系的教學方法.該方法要求學生運用所學的工程力學基礎知識和相關原理，對實際工程現(xiàn)象和問題進行力學建模和計算分析，給出合理的理論解釋，并撰寫課程研究報告，以此提升解決工程實際問題的能力.

學生選擇由教師編寫的以材料力學應用為主要內(nèi)容的工程設計題目，或者是一些與材料力學密切相關的實際生產(chǎn)生活中的力學分析題目.教師引導學生查閱資料，利用計算機編程計算，或應用軟件進行分析計算.學生在教師的指導下完成課程研究，撰寫課程研究報告.教師根據(jù)學生遞交的課程報告進行評價，并將其成績納入教學考核.

2 目的和步驟明確的教學實踐

教師在課程每一章節(jié)的教學之初提出若干個工程案例，明確案例研究的目的和要求，引導學生帶著一定的案例任務主動學習，這樣做可以提高學生學習力學的積極性，提升解決實際問題的工程素養(yǎng)，培養(yǎng)學生的建模能力、計算能力和自學能力.通過教學實踐，使學生具有建立工程構(gòu)件力學模型的能力，能夠根據(jù)具體問題選擇合理的計算模型；具有計算桿件的強度、剛度和穩(wěn)定性問題的能力，及對計算結(jié)果的合理性進行定性判斷的能力；具有借助教材與資料自主學習相關知識和分析解決實際問題的初步能力.[3]整個教學實踐過程大致包括以下五個步驟：

(1)布置任務.教師首先提出實際生活中的力學問題或者工程實踐中的力學案例，要求學生進行力學原理的分析，或者對案例中的機構(gòu)進行力學設計或校核；同時教師宣布考核的標準與要求，講解課程研究報告的基本內(nèi)容和寫作方法.學生以5人左右為單位自由組成研究小組.

(2)提交方案.學生以組為單位提交初步研究方案，明確所用的力學原理和力學模型，擬定進一步的研究方案和技術(shù)路線.

(3)點評方案.教師對學生的方案進行批閱，點評其中的優(yōu)秀方案和不合格方案，通過對比讓各組學生進一步明確研究內(nèi)容，優(yōu)化方案，鼓勵學生主動查閱資料，主動學習與案例相關知識.

(4)撰寫報告.學生對照規(guī)范格式撰寫課程報告，整理分析數(shù)據(jù)，給出設計步驟，得出結(jié)論.

(5)評價考核.由教師根據(jù)學生遞交的方案和報告進行綜合打分，計入學期考核成績.

3 教學實施的具體案例

基于工程案例研究的教學方法的實施關鍵在于選取合適的案例.教學過程中選取的案例主要分為三大類型：一類案例來自生活實踐中的與課程內(nèi)容有關的力學現(xiàn)象，這類案例比較接近學生的日常生活，對學生的要求是能用力學原理解釋實例中的現(xiàn)象，認識到力學和我們的生活有密切聯(lián)系；第二類案例是工程事故案例，來自教師收集的一些國內(nèi)外安全事故，要求學生了解和掌握發(fā)生安全事故的原因；第三類案例是教師編寫的與專業(yè)結(jié)合的材料力學設計案例，要求學生能建立力學模型，能進行力學強度、剛度和穩(wěn)定性的設計計算，并最終撰寫課程設計報告.這三類案例來源不同，對學生的要求不同，教學作用相互補充，從了解工程實際問題入手，逐步深入，調(diào)動學生學習積極性，克服“閉門學習”的缺點，從而最終達到提升工程力學能力素養(yǎng)的目的.

下面幾個是在教學過程中應用的案例，分別代表上述三種案例類型.

3.1 第一類案例——身邊的力學現(xiàn)象

咽喉頂槍表演是由兩個表演者用咽喉頂住長槍鋒利的槍尖，在表演者的壓力作用下，長槍慢慢變彎，最后甚至折斷，場面驚險刺激，難道表演者真的有硬氣功嗎？[4]——這是表演者利用了材料力學中的壓桿穩(wěn)定性原理，應用歐拉公式能解釋說明這個現(xiàn)象.

古代寓言“七根筷子”說的是，7根筷子分開來時很容易被折斷，可一旦綁在一起，就很難輕易將它們折斷，體現(xiàn)了團結(jié)的力量.從力學角度分析，折斷7根筷子所用的力量是折斷1根筷子的多少倍？設筷子是一個直徑為D的圓截面桿.[5]——這是一個關于彎曲強度的實例.

3.2 第二類案例——安全事故案例

我們都知道機場有驅(qū)鳥裝置和專門人員，為的是保證飛行安全，小小的鳥兒撞上高速運行的飛機，產(chǎn)生的瞬間撞擊力足以使飛機擋風玻璃破碎，產(chǎn)生重大危險.高鐵作為目前速度僅次于飛機的大眾交通工具，也會產(chǎn)生類似的問題嗎？2013年6月2日中午，一列由杭州南開往北京的G38次高鐵，在鎮(zhèn)江被一只鳥撞到了擋風玻璃，導致玻璃大面積開裂.我們可以大致計算一下飛鳥撞擊高速運行中的動車的沖擊力度，如果以列車目前的最高時速300 km/h來計算，那么一只0.25 kg重的鴿子，撞上前擋風玻璃后，其作用力可以達到5 000 N左右，即使列車速度稍慢一點，估計也有3 000 N左右的力，也就是相當于用約300 kg的重物砸在玻璃上.飛鳥之所以這么“厲害”，還因為它與前擋風玻璃接觸的時間短.物體的接觸時間越短，速度越快，質(zhì)量越大，那么對玻璃產(chǎn)生的沖擊力也就越大.——這個事故案例可以用沖擊載荷的力學原理來解釋.

2010年6月2日上午，杭州錢江新城萬象城南側(cè)的工地現(xiàn)場，一座正在作業(yè)的塔吊發(fā)生了攔腰折斷的事故.經(jīng)過初步了解，這是一幢在建的超高層建筑工地，目前地面建筑高度約30 m左右，發(fā)生事故的塔吊高60 m，臂展70 m，最大起吊負荷3.5 T.據(jù)目擊事故的工人稱，當時該塔吊正在起吊一捆鋼筋，捆綁鋼筋的鋼纜突然崩斷，導致整座塔吊失穩(wěn)搖晃，并在離地約25 m處攔腰折斷倒伏.教師要求學生分析判斷造成這起塔吊折斷事故的主要原因是什么,是吊車超載？構(gòu)件內(nèi)存在損傷隱患？機械故障？還是偶然的意外因素？為什么事故會造成塔身中部被攔腰折斷，而不是受軸向壓力最大的塔體底部？捆綁鋼筋的鋼纜突然崩斷與事故是否有直接關系？可能產(chǎn)生什么性質(zhì)的問題？

3.3 第三類案例——材料力學設計案例

某單缸柴油機曲軸結(jié)構(gòu)如圖2所示，材料為QT450-5，已知其結(jié)構(gòu)尺寸以及材料的[σ]，μ和E，右端輸入轉(zhuǎn)矩為M，曲軸頸中點作用有切向力Ft和徑向力Fr.要求畫出曲軸的內(nèi)力圖，并校核曲柄臂的強度.

4 教學實施的體會

基于工程案例研究的教學方法與常規(guī)教學方法相比有一些創(chuàng)新和優(yōu)勢，在機械設計制造及其自動化專業(yè)111班和112班的教學過程中，我們初步嘗試實施該教學方法，極大地激發(fā)了學生的學習興趣，課堂教學氣氛濃郁，總體教學效果較好.

首先，基于工程案例研究的教學方法是一種切實可行的教學方法，對應用型人才培養(yǎng)的效果非常明顯，學生的工程能力得到明顯提升.

其次，實施該教學方法教師必須認真選取工程案例，有明確的要求和目標，給學生布置案例任務時一定要有序展開，根據(jù)教學內(nèi)容逐步推進，每一章安排若干個力學分析題目，所有的教學內(nèi)容都學完之后再安排一個與專業(yè)相關的力學設計題目.

第三，培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W態(tài)度和實事求是的精神.通過工程案例，學習力學建模過程和解決實際問題方法，或?qū)W會用力學原理解釋案例中的各種現(xiàn)象，拓展知識，提高他們的工程素養(yǎng).

參考文獻：

[1]劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2011.

[2]胡海巖.對力學教育的若干思考[J].力學與實踐，2009,31(1):70-72.

[3]嚴慕容，許靜靜，段潔利，等.工程力學課程素質(zhì)教育探索與實踐[J].高等建筑教育，2012，21(6)：61-63.

[4]李峰.材料力學案例[M].北京：科學出版社，2010.

[5]李峰.從實踐中挖掘基礎教學的活力[J].高等教育研究，1992(2)：46.