《材料力學》教學中關(guān)鍵問題解決方法探討

于亞婷，杜平安，周曉明

(電子科技大學 機械電子工程學院, 成都 611731)

《材料力學》教學中關(guān)鍵問題解決方法探討

于亞婷，杜平安，周曉明

(電子科技大學 機械電子工程學院, 成都 611731)

根據(jù)學生在《材料力學》學習中最為關(guān)心的材料力學知識的重要性、材料力學知識的實用性以及如何學好材料力學等三個關(guān)鍵問題，文中介紹了新的課堂教學方法，旨在解除學生學習中的疑惑，梳理學習思路，端正學習態(tài)度，提高學習積極性和主動性。文中提出的教學方法在教學過程中已逐步實施，效果很好。

材料力學；重要性；科研-教學互動模式；學習方法

《材料力學》是一門應用性很強的課程[1]。材料力學的知識不僅可幫助工程人員在實踐中確定合理的材料，還可確定材料的截面尺寸或校核其強度、剛度和穩(wěn)定性，在工程實踐中發(fā)揮著重要作用[2]。此外，材料力學在專業(yè)課程學習中都起著承前啟后的紐帶作用。教學工作中，發(fā)現(xiàn)學生對以下幾個問題比較關(guān)注：(1)《材料力學》重要嗎？(2)《材料力學》有用嗎？如何將材料力學知識和實際工程問題聯(lián)系起來？(3)怎么才能學好《材料力學》？《材料力學》這門課程的學習目的就是記住一系列復雜的公式嗎？通過教學方法的改革解決好這些問題，有助于提高學生的學習積極性，端正學習態(tài)度，理解關(guān)鍵概念，對材料力學知識的運用以及后續(xù)課程的學習都是大有裨益的。

1 關(guān)鍵問題及對應的教學方法

1.1 《材料力學》課程學習的重要性

讓學生認識到《材料力學》課程學習的重要性，有助于學生從一開始就端正學習態(tài)度，提高學習的主動性和積極性。要解決這一問題，筆者認為可在《材料力學》緒論教學中從兩個方面進行闡述：一方面，是《材料力學》在人類發(fā)展歷史上發(fā)揮的重要作用[3]；另一方面，是《材料力學》在后續(xù)課程學習中的重要地位。

作者在2011級機械專業(yè)的《材料力學》教學中，以材料的變遷給農(nóng)業(yè)機械帶來的影響為例，說明材料力學知識為人類社會所做的貢獻。以人類處于不同時代所使用的農(nóng)業(yè)機械為例：石器時代受材料所限，只能采用石頭做成的石刀和石斧為主要耕作工具；隨著青銅器的出現(xiàn)，青銅器代替石器制作農(nóng)耕工具，但是青銅器價格昂貴；到了鐵器時代，價格低廉的鐵器取代了青銅器，成為農(nóng)具使用的主要材料；到了現(xiàn)代，隨著新材料的涌現(xiàn)和材料加工水平的不斷進步，各種刀具材料使用在農(nóng)耕機械上，人類的勞作方式徹底改變，生產(chǎn)效率大大提高。

在機械類、材料類等專業(yè)中，《材料力學》是很重的一門課程。一方面，它本身可用來解決工程問題；另一方面，它在培養(yǎng)方案中具有承前啟后的紐帶作用，該課程掌握的熟練程度直接決定了后續(xù)課程學習的難易程度，因此，學生在學習時務必認真。

通過從這兩個角度講述材料力學知識的重要性，貫通古今，使學生了解材料力學在人類社會發(fā)展過程中扮演的重要角色；同時，也使學生明確《材料力學》在專業(yè)課程體系中的重要位置，有利于端正學生的學習態(tài)度，提高學習積極性。

1.2 《材料力學》知識的實用性

在教學過程中發(fā)現(xiàn)，很多學生都對材料力學知識的實用性產(chǎn)生懷疑，認為材料力學知識是沒有用的，之所以學習《材料力學》，只是為了得到相應的學分，可從兩方面入手：

1.2.1 通過科研經(jīng)歷講解運用材料力學知識解決問題的過程，即科研-教學互動模式

《材料力學》是一門應用性很強的課程，在眾多科研項目中需要使用材料力學知識解決問題。因此，教師可以通過講解自己在科研過程中如何使用材料力學知識解決具體問題，來加深學生對基本概念的把握。

以自然基金項目(編號G51005039)中需要產(chǎn)生自然裂紋為例，講解在強度問題中如何確定許用應力。在一個完整的試件中產(chǎn)生裂紋，就意味著該試件已經(jīng)破壞。因此，自然裂紋的生成問題，就演化為一個材料強度問題。強度問題中如何確定許用應力很關(guān)鍵。項目中使用的材料為鋁合金7075，該材料為塑性材料，其破壞過程經(jīng)歷明顯的屈服階段，因此，屈服強度應該作為其極限強度。通過查詢機械設計手冊[4]，可知鋁合金7075的屈服強度σs為524 Mpa，該材料的安全系數(shù)取為2。

(1)

為此，根據(jù)式(1)，可通過極限強度和安全系數(shù)獲得該材料的許用應力。只有試件在外界載荷作用下應力達到或超過許用應力后，才可能生成自然裂紋。圖1為當外部載荷為3 000 N，循環(huán)次數(shù)為10 000時該試件自然裂紋的擴展情況。

圖1 自然裂紋的擴展情況

通過該實例的講解，學生不僅了解強度問題是什么，而且掌握了不同材料確定許用應力的方法。

1.2.2 適時引入工程實例

當然，教師親身經(jīng)歷的科研項目很難涵蓋所有的《材料力學》內(nèi)容，因此，需要教師有目的的在課堂教學中引入工程實例，講解關(guān)鍵概念。活生生的工程實例有助于學生理解難懂的概念。

以在講解彎曲應力時引入的工程問題為例，向?qū)W生講解彎曲應力知識是如何用來解決工程問題的。2012年8月24日清晨，通車不到1年的哈爾濱陽明灘大橋引橋發(fā)生斷裂，4輛大貨車墜落，造成3人死亡、5人受傷的嚴重事故。圖2(a)為陽明灘大橋引橋斷裂時的照片；圖2(b)為陽明灘大橋斷裂時的受力示意圖。圖中力F為大橋發(fā)生斷裂時停靠在外伸梁自由端的三輛大貨車的自重。

(a) 引橋斷裂照片 (b) 受力示意圖圖2 陽明灘大橋引橋斷裂照片和受力示意圖

根據(jù)彎曲應力的分布規(guī)律，最大應力應該是發(fā)生在最大彎矩出現(xiàn)的橫截面的上下表面上，因此，可得最大彎曲應力的計算公式

(2)

式中：l為集中載荷作用點到固定端的距離；Wz為橋梁橫截面的抗彎截面系數(shù)。

通過式(2)可看出，最大應力與力F呈正比。由于事發(fā)時三輛大貨車同時停放在橋的外側(cè)，此時貨車重力所產(chǎn)生的外力F較大，過大的外力勢必會導致最大應力不斷增大，當最大應力超過材料的許用應力時，該大橋發(fā)生斷裂。因此，可通過材料力學知識解釋陽明灘大橋斷裂的原因。

作者在2011級《材料力學》課堂教學中引入了這兩種方法，告訴學生材料力學知識是怎樣解決實際問題的，增加學生學習的積極性。不過實施過程中也發(fā)現(xiàn)，因為第一種方法是教師親身經(jīng)歷的，講解更鮮活，所以學生對這種方法更感興趣。建議教師最大限度地將自己的科研成果引入課堂教學。

2 《材料力學》學習過程

很多學生在學習《材料力學》過程中，往往把記憶大量的計算公式作為學習的目標，大量的時間花費在數(shù)學計算上，為此，學生普遍認為《材料力學》就是采用不同的公式進行數(shù)學計算，感覺很枯燥。這種思緒偏離了學習的目的。在教學過程中可以提倡學生采用多種手段完成數(shù)學計算，而將更多的時間花費在理解材料的基本概念以及不同材料在外力作用下的力學性能上。

1)課前認真預習。不懂的內(nèi)容可在課堂中集中精力傾聽教師的講解，提高學習效率。

2)在課堂教學中若有不清楚的地方，請及時發(fā)問。做到今日事今日畢，不遺留問題。

3)課后通過練習鞏固課堂內(nèi)容。在做練習的過程中注重解題思路，而把大量的數(shù)學計算交給數(shù)學計算軟件完成，比如Matlab等。

4)課外可利用現(xiàn)有的數(shù)值仿真軟件(如ANSYS、COMSOL等)，完成一些簡單力學問題的仿真[5]。這樣，既可以鞏固教學內(nèi)容，又可以獲取不同外力下的各種材料的力學行為，并通過材料力學解釋這些力學行為，提高學習興趣。

3 結(jié)束語

《材料力學》的重要性、《材料力學》的實用性以及如何學好《材料力學》，這是大部分學生在學習過程都面臨的三個關(guān)鍵問題。在課堂教學中，這三個問題解決的好與壞直接關(guān)系到學生對材料力學知識掌握的熟練程度。

在《材料力學》教學中需要解決的三個關(guān)鍵問題：首先，從材料力學對人類社會發(fā)展過程中所做的貢獻以及《材料力學》在專業(yè)培養(yǎng)方案中承前啟后的紐帶作用兩方面入手，向?qū)W生分析《材料力學》學習的重要性，端正學生的學習態(tài)度。其次，在課堂教學中，一方面，通過將教師在科研工作中運用材料力學知識解決工程問題的經(jīng)歷引入課堂教學；另一方面，將實際工程問題引入課堂教學，可以提高學生的學習積極性和主動性。最后，提出了《材料力學》學習中應遵循的學習步驟，這樣可以讓學生明確學習目的及如何才能學好。

根據(jù)這三個關(guān)鍵問題提出的相關(guān)教學方法和對應策略，解決了學生最為關(guān)心的問題，實施效果好。

[1] 崔?；?材料力學課程教學內(nèi)容理論與實際工程聯(lián)系改革發(fā)展研究[J].價值工程，2014(1):245-246.

[2]劉鴻文.材料力學Ⅰ[M].5版.北京：高等教育出版社，2010.

[3]季順迎,武金瑛,馬紅艷.力學史知識在材料力學教學中的結(jié)合與實踐[J]. 高等理科教育, 2012(4): 137-142.

[4] 聞邦椿. 機械設計手冊[M].5版.北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[5] 杜家政.基于有限元軟件的材料力學教學[C]//北京力學會第20屆學術(shù)年會論文集.北京：北京力學會，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

電子科技大學教學團隊建設與改革項目(A1098521-044)。

于亞婷(1979-)，女，博士，副教授，研究方向：CAD/CAE/CAM技術(shù)。

G642.41

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2014.04.058