《材料力學(xué)》課程教學(xué)改革與實踐

陳云信

（江漢大學(xué)機電與建筑工程學(xué)院，湖北武漢430056）

《材料力學(xué)》課程教學(xué)改革與實踐

陳云信

（江漢大學(xué)機電與建筑工程學(xué)院，湖北武漢430056）

根據(jù)學(xué)生實際和《材料力學(xué)》課程的特點，對《材料力學(xué)》課程教學(xué)方法改革進(jìn)行了探索和實踐。通過類比教學(xué)法、教學(xué)中注意理論聯(lián)系實際、在材料力學(xué)教學(xué)中運用數(shù)值分析軟件ANSYS、分層次教學(xué)等途徑進(jìn)行教學(xué)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，改變了學(xué)生理解難、記不住、不會用的狀態(tài)，對于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、實踐能力和利用力學(xué)知識解決實際工程問題的能力有積極意義。

材料力學(xué)；類比教學(xué)法；數(shù)值分析軟件；分層次教學(xué)

《材料力學(xué)》課程是江漢大學(xué)機電與建筑工程學(xué)院材料成型及控制工程、機械設(shè)計制造及其自動化、汽車服務(wù)工程等專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課之一，是學(xué)習(xí)《機械原理》、《機械設(shè)計》等后續(xù)課程的重要基礎(chǔ)，是解決工程實際問題的重要方法和手段。該課程具有理論概念性強，方法技巧性要求高的特點，學(xué)生普遍反映該課程概念公式多、理解難、記不住、不會用。筆者針對《材料力學(xué)》課程的特點和學(xué)生的實際情況，對《材料力學(xué)》課程教學(xué)方法改革進(jìn)行了探索和實踐。

1 類比教學(xué)法

類比教學(xué)法是將學(xué)生未知的知識點與已知的知識點進(jìn)行對比，找出兩者之間相同和相似的地方，使學(xué)生既能加深對已有知識點的記憶和理解，又能使復(fù)雜未知的新知識點變得容易理解和掌握，達(dá)到事半功倍的效果［1］。類比思維是尋求解決新問題與發(fā)現(xiàn)新結(jié)論的一種有效的思維方法，在教學(xué)中通過精心設(shè)計，因勢利導(dǎo)，將問題進(jìn)行橫向拓寬和縱向深入，對發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新思維無疑是十分有益的。例如，《材料力學(xué)》中各種變形的應(yīng)力公式：軸向拉伸與壓縮，正應(yīng)力：；扭轉(zhuǎn)變形，切應(yīng)力：

2 教學(xué)中注意理論聯(lián)系實際

《材料力學(xué)》不僅是《機械原理》、《機械設(shè)計》等后續(xù)課程的重要基礎(chǔ)，也是解決工程實際問題的重要方法和手段，所以在教學(xué)中注意理論聯(lián)系實際，對于培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力尤為重要。

2.1 工程中的力學(xué)問題

泰坦尼克號沉船事件是學(xué)生很熟悉的一個災(zāi)難性事件，在學(xué)習(xí)第二種基本變形剪切時，引導(dǎo)學(xué)生去分析泰坦尼克號沉入大西洋的原因。泰坦尼克號在與冰山接觸時是冰山的尖端與船殼鋼板相擦，鋼板受到很強的剪切與擠壓應(yīng)力。在船殼受到冰山擠壓時，殼體鋼板間的連接件鉚釘承受了非常大的剪切應(yīng)力，即便船體鋼質(zhì)量再好，當(dāng)鉚釘材料不具備抵抗高剪切應(yīng)力時也會造成斷裂。實際上，鉚釘在實驗室是做過材料力學(xué)性能試驗的，只是連接件鉚釘?shù)牟牧狭W(xué)性能試驗是在常溫下進(jìn)行的，其抗破壞的應(yīng)力的數(shù)據(jù)是常溫下得到的，鉚釘由于自身內(nèi)在質(zhì)量的原因，其在零度以下的破壞應(yīng)力值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于室溫下的破壞應(yīng)力，所以鉚釘這種連接件發(fā)生了剪切破壞，鉚釘承受的很高的剪切應(yīng)力造成船體裂縫，并且長達(dá)6個船艙之多，當(dāng)6個船艙全部進(jìn)滿水后，船體的頭尾就失去了平衡，頭重尾輕，船體尾部翹起導(dǎo)致船從中間彎曲斷裂（見圖1），最后沉入大西洋底[2]。

圖1 斷裂的泰坦尼克號Fig.1 The Titanic fracture

在講授提高梁強度的措施時，讓學(xué)生自己設(shè)計，通過改進(jìn)設(shè)備裝置，讓工廠車間里起吊質(zhì)量只有5 t的吊車（見圖2）吊起10 t的重物（見圖3），將新學(xué)的知識用在解決工廠的實際問題中，使學(xué)生更深層次地認(rèn)識到力學(xué)學(xué)習(xí)的重要性和材料力學(xué)的實踐意義［3］。

圖2 起吊質(zhì)量有5 t的吊車Fig.2 Crane of lifting 5 t

圖3 起吊質(zhì)量有10 t的吊車Fig.3 Crane of lifting 10 t

2.2 身邊的力學(xué)問題

在《材料力學(xué)》課程教學(xué)過程中，還要善于利用材料力學(xué)的知識分析身邊的諸多結(jié)構(gòu)，并與課堂教學(xué)相互融合。例如，在講解提高彎曲梁強度時，讓學(xué)生觀察教室屋頂橫梁的截面放置情況，討論其合理性，并用材料力學(xué)知識來說明理由；在學(xué)習(xí)應(yīng)力狀態(tài)分析部分，通過讓學(xué)生觀察粉筆的拉斷和扭斷的橫截面情況，分析脆性材料受到破壞的原因；在學(xué)習(xí)強度理論時，提出這樣的問題：水管在冬天常有凍裂現(xiàn)象，根據(jù)作用與反作用原理，水管壁與管內(nèi)所結(jié)冰之間的相互作用力應(yīng)該相等，為什么結(jié)果不是冰被壓碎而是往往水管凍裂？讓學(xué)生通過討論弄清楚是因為冰與水管的應(yīng)力狀態(tài)不同，管內(nèi)冰處于三向受壓應(yīng)力狀態(tài)，不易破壞，水管處于二向受拉，鐵的抗拉強度低，故易脆斷。這些例子既簡單易行，又趣味橫生，使學(xué)生感覺到力學(xué)無處不在，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，更好地掌握知識，提高能力。

3 教學(xué)中善于運用數(shù)值分析軟件ANSYS

ANSYS有限元軟件包是一個多用途的有限元法的計算機程序，是一個數(shù)值分析軟件，這個軟件可以用來解決結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁領(lǐng)域以及碰撞等問題。將數(shù)值分析軟件ANSYS引入《材料力學(xué)》課程的教學(xué)環(huán)節(jié)中，利用其強大的建模和分析功能，演示材料力學(xué)過程以及問題分析過程。更重要的是可以充分利用ANSYS中的后處理模塊功能，來動態(tài)顯示結(jié)構(gòu)從加載到變形直至破壞的整個過程，這可以理解成把力學(xué)實驗室隨時搬到課堂，很方便地進(jìn)行現(xiàn)場演示。并且ANSYS軟件模擬材料力學(xué)實驗過程，還不需要易耗品。學(xué)生可以在反復(fù)觀察實驗的過程中對一些力學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行深入的探索、研究。通過ANSYS軟件對構(gòu)件各種力學(xué)行為的模擬仿真，既能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能增強學(xué)生對工程實際的感性認(rèn)識［4］。

以車用發(fā)動機曲軸的有限元分析為例，說明ANSYS的功能。運用ANSYS軟件，很容易得到發(fā)動機曲軸的三維模型（見圖4）；將曲軸的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到發(fā)動機曲軸的網(wǎng)格劃分圖（見圖5）；通過加載運算后，得到發(fā)動機曲軸的變形形狀圖（見圖6），同時也可以得到發(fā)動機曲軸的位移分布等值線圖、發(fā)動機曲軸的應(yīng)力分布等值線圖（見圖7、圖8）。在通過應(yīng)力計算后ANSYS提供的云圖中很容易看出，應(yīng)力集中部位發(fā)生在曲柄臂與主軸頸、曲柄臂與連桿軸頸的過渡圓角的位置，這與實際情況相吻合，這些地方連接處的過渡圓角，以及軸頸油孔邊緣是應(yīng)力集中最為嚴(yán)重的部位，是曲軸產(chǎn)生疲勞斷裂最危險的地方。因此可以看出ANSYS軟件強大的后處理功能可以讓比較抽象的應(yīng)力等形象化，對促進(jìn)學(xué)生對材料力學(xué)實質(zhì)內(nèi)涵的理解起到了很大的作用。

圖4 發(fā)動機曲軸的三維模型Fig.4 Three-dimensional model of engine crankshaft

圖5 發(fā)動機曲軸的網(wǎng)格劃分圖Fig.5 Mesh map of engine crankshaft

圖6 發(fā)動機曲軸的變形形狀圖Fig.6 Engine crankshaft deformation shape graph

圖7 發(fā)動機曲軸的位移分布等值線圖Fig.7 Contour map of displacement distribution of engine crankshaft

圖8 發(fā)動機曲軸的應(yīng)力分布等值線圖Fig.8 Contoue map of stress distribution of engine crankshaft

4 分層次教學(xué)

江漢大學(xué)是一所應(yīng)用性大學(xué)，培養(yǎng)出來的大多數(shù)學(xué)生需要有比較強的分析解決具體工程問題的能力，也有些同學(xué)會進(jìn)一步深造，做一些研究性的工作。在平時的教學(xué)中，要特別注意兼顧這兩類同學(xué)的需求，在做好基于解決實際問題的基礎(chǔ)教育的前提下，對力學(xué)有興趣并且學(xué)有余力的同學(xué)，從深度和廣度兩方面進(jìn)行加強，讓這部分學(xué)生在力學(xué)競賽或者考研的力學(xué)課程中能得心應(yīng)手；另外，也可以引導(dǎo)對力學(xué)感興趣的同學(xué)在畢業(yè)設(shè)計中做一些機械零部件的有限元分析。通過這樣的分層次教學(xué)，做到因材施教，取得了較好的教學(xué)效果，學(xué)生除了常規(guī)期末考試成績優(yōu)秀，解決工程問題的能力也得到提高。

5 結(jié)語

在《材料力學(xué)》課程教學(xué)中將類比教學(xué)法、理論聯(lián)系實際、引入數(shù)值分析軟件ANSYS、分層次教學(xué)等運用于教學(xué)實踐，取得了良好的教學(xué)效果。有學(xué)生在參加第九屆全國周培源大學(xué)生力學(xué)競賽中獲得三等獎，有多名學(xué)生考取了985、211重點高校力學(xué)專業(yè)的研究生。通過教學(xué)改革實踐，改變了學(xué)生對《材料力學(xué)》課程概念理解難、記不住、不會用的狀況，極大地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)《材料力學(xué)》課程的積極性，提高了學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

（References）

［1］張豫，胡枕戈.材料力學(xué)教學(xué)中的類比教學(xué)法［J］.華東交通大學(xué)學(xué)報，2007（B12）：88-90.

［2］孫洪軍.以力學(xué)課程為載體培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)知實踐和開拓創(chuàng)新的能力［J］.遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版，2009，11（4）：124-128.

［3］陳云信，夏燕.工程力學(xué)［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2013.

［4］林紅，胡玉林，薛世峰.ANSYS在工科材料力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.電腦學(xué)習(xí)，2011（1）：15-17.

（責(zé)任編輯：強士端）

Teaching Reform and Practice on Course of Mechanics of Materials

CHEN Yunxin
（School of Electromechanical and Architectural Engineering，Jianghan University，Wuhan 430056，Hubei，China）

According to the reality of students and the feature of mechanics of materials course,to ex?plore and practice the teaching reform of mechanics of material course.Through analogical teaching method,combination of theory and practice in teaching,using numerical analysis software ANSYS, different levels teaching,and so on,improves the learning enthusiasm of students,changes the states of hard to understand,remember and use,this study has positive significance for training the study capability,practice capability and the capability to solve real engineering problem of the students.

mechanics of materials；analogical teaching method；numerical analysis software；dif?ferent levels teaching

O341

A

1673-0143（2014）04-0040-05

2013-09-11

陳云信（1972—），女，副教授，碩士，研究方向：理論力學(xué)、材料力學(xué)。