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    以面向工程應(yīng)用為目標(biāo)的材料力學(xué)教學(xué)改革的探索

    2015-05-13 07:33:55王化更吳懋亮

    王化更 吳懋亮

    摘 要:以面向工程應(yīng)用為目標(biāo),在材料力學(xué)課程教學(xué)改革方面進(jìn)行了一些探索。采取的主要措施有:在基本教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上加入各專業(yè)需求的內(nèi)容和采用模塊化教學(xué)內(nèi)容體系;采用工程實(shí)例教學(xué)法和將數(shù)值分析方法引入教學(xué);采用開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)和面向工程實(shí)際問(wèn)題的大作業(yè)。教學(xué)實(shí)踐表明:以上措施能夠有效地提高教學(xué)效果,更好地適應(yīng)培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)的應(yīng)用型人才的需要。

    關(guān)鍵詞:教學(xué)內(nèi)容模塊化 工程實(shí)例教學(xué)法 數(shù)值分析方法 開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué) 小論文式大作業(yè)

    中圖分類號(hào):G641 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2015)01(c)-0140-03

    材料力學(xué)是高校機(jī)械、能源動(dòng)力、土木、材料等工科類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課,在培養(yǎng)學(xué)生的力學(xué)思維能力和工程實(shí)踐能力方面非常重要,同時(shí)也為學(xué)生學(xué)習(xí)許多后續(xù)課程如機(jī)械設(shè)計(jì)、彈性力學(xué)、流體力學(xué)等提供必要的基礎(chǔ)。材料力學(xué)既是一門基礎(chǔ)學(xué)科,也是一門應(yīng)用學(xué)科,材料力學(xué)來(lái)源于工程,并最終要服務(wù)于工程[1-2]。因此,在材料力學(xué)教學(xué)內(nèi)容體系構(gòu)建、課堂教學(xué)方法與手段選擇及實(shí)踐環(huán)節(jié)等整個(gè)教學(xué)過(guò)程中,應(yīng)以服務(wù)于工程應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn),采取合理措施來(lái)提高學(xué)生的工程認(rèn)知水平和分析解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力,以更好地適應(yīng)具有創(chuàng)新意識(shí)的應(yīng)用型人才的培養(yǎng)需要。該文即以面向工程應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn),以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和分析解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力為目的,在材料力學(xué)課程教學(xué)改革方面進(jìn)行了一些研究與探索[3]。

    1 教學(xué)內(nèi)容體系構(gòu)建

    材料力學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容的選擇和組織應(yīng)既滿足專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的需要,同時(shí)直接面向工程,著重提高學(xué)生的工程認(rèn)知水平和培養(yǎng)他們分析解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。為此,該文主要采取以下兩方面的措施來(lái)構(gòu)建材料力學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容體系。

    1.1 在基本教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上加入針對(duì)各專業(yè)實(shí)際需求的內(nèi)容

    材料力學(xué)的基本教學(xué)內(nèi)容主要包括:桿件的四種基本變形(軸向拉伸及壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)和彎曲)、應(yīng)力狀態(tài)與強(qiáng)度理論、組合變形及壓桿的穩(wěn)定性分析等內(nèi)容,這些內(nèi)容也是各專業(yè)教學(xué)大綱的基本要求。

    由于材料力學(xué)除基本的理論知識(shí)外,又與工程實(shí)際問(wèn)題聯(lián)系緊密,因此,按照課程教學(xué)內(nèi)容服從專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的要求,對(duì)于不同的專業(yè)還應(yīng)適當(dāng)加入新的針對(duì)專業(yè)實(shí)際需求的內(nèi)容,以使材料力學(xué)這一課程與更好地與專業(yè)工程實(shí)際相適應(yīng)。例如,對(duì)機(jī)械專業(yè),應(yīng)增加構(gòu)件的疲勞與斷裂等內(nèi)容,同時(shí)可適當(dāng)加入結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)及優(yōu)化設(shè)計(jì)等部分內(nèi)容,使學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中能體會(huì)到材料力學(xué)與現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的有機(jī)結(jié)合,增強(qiáng)他們運(yùn)用基本理論解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力;對(duì)能源與動(dòng)力工程專業(yè),應(yīng)增加熱應(yīng)力和薄壁容器的設(shè)計(jì)與壽命預(yù)測(cè)等內(nèi)容,以更好地分析解決工程實(shí)際問(wèn)題;對(duì)材料專業(yè),可增加復(fù)合材料力學(xué)性能知識(shí),使學(xué)生接觸到完整的材料學(xué)性能的知識(shí)。

    1.2 教學(xué)內(nèi)容體系模塊化

    以面向工程應(yīng)用為主要目標(biāo)進(jìn)行材料力學(xué)課程內(nèi)容的組織,將教學(xué)內(nèi)容模塊化,對(duì)于每一部分主要內(nèi)容如軸向拉伸和壓縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲及組合變形等都將之分為:工程背景模塊、基本理論與方法模塊、工程應(yīng)用模塊和拓展模塊。

    工程背景模塊主要講述工程中需要解決的與本部分內(nèi)容相關(guān)的各種實(shí)際問(wèn)題,由此引出工程應(yīng)用對(duì)材料力學(xué)理論發(fā)展的需求,此部分內(nèi)容以提高學(xué)生的工程認(rèn)知水平為主要目的?;纠碚撆c方法模塊主要是理論推導(dǎo)部分,即按照材料力學(xué)的研究方法,針對(duì)工程實(shí)際需要,推導(dǎo)出材料力學(xué)的基本理論公式,此部分內(nèi)容可以使學(xué)生學(xué)習(xí)到材料力學(xué)的研究方法和加強(qiáng)他們的自學(xué)能力。工程應(yīng)用模塊詳細(xì)介紹利用材料力學(xué)基本理論與方法解決工程實(shí)際工程問(wèn)題的步驟與方法,提高學(xué)生建立力學(xué)模型的能力和運(yùn)用基本理論解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。拓展模塊主要是將材料力學(xué)基本理論與方法作適度拓展,主要從兩方面展開(kāi),一方面探討基本理論與方法與其它內(nèi)容的聯(lián)系與區(qū)別,以加深學(xué)生對(duì)于基本理論與方法的理解和掌握;另一方面研究當(dāng)改變推導(dǎo)基本理論與方法時(shí)的簡(jiǎn)化條件對(duì)基本理論與方法的影響等,使學(xué)生了解簡(jiǎn)化模型對(duì)實(shí)際工程問(wèn)題求解的影響和基本理論與方法的適用范圍等。

    在講述軸向拉伸與壓縮時(shí),將基本內(nèi)容分為上述的四個(gè)模塊來(lái)講述。工程背景模塊:通過(guò)列舉大量的工程實(shí)例,提出工程中存在的桿件拉伸或壓縮的強(qiáng)度及變形問(wèn)題,使學(xué)生詳細(xì)了解這一工程領(lǐng)域的實(shí)際問(wèn)題?;纠碚撆c方法模塊:按照材料力學(xué)的研究方法和步驟,通過(guò)觀察變形規(guī)律,提出變形假設(shè);建立變形幾何方程;建立物理方程;空間靜力學(xué)平衡方程,由此推導(dǎo)出桿件軸向拉伸和壓縮時(shí)橫截面上正應(yīng)力表達(dá)式。工程應(yīng)用模塊:以適量的具體的工程實(shí)例,引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)建立實(shí)際問(wèn)題的力學(xué)模型、約束力分析、內(nèi)力分析、應(yīng)力和變形分析的步驟去解決實(shí)際問(wèn)題,通過(guò)這一步驟來(lái)加強(qiáng)學(xué)生力學(xué)思維能力的鍛煉,培養(yǎng)他們分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。拓展模塊:當(dāng)外力與桿件的軸線不重合時(shí)桿件發(fā)生拉(壓)彎組合變形;當(dāng)桿件截面上存在尺寸突變時(shí),該截面上的應(yīng)力分布不再均勻,即存在應(yīng)力集中現(xiàn)象;距離外力(集中力)作用位置比較近的截面上應(yīng)力分布也不均勻,由此引出圣維南原理;當(dāng)考慮的截面不是橫截面,而是斜截面時(shí),由此引出軸向拉(壓)桿件斜截面上的應(yīng)力。

    以面向工程應(yīng)用為主要目標(biāo)所組織的模塊化的教學(xué)內(nèi)容體系,能夠加強(qiáng)學(xué)生的工程認(rèn)知水平,培養(yǎng)他們運(yùn)用理論知識(shí)解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。

    2 在教學(xué)過(guò)程中采用以面向工程應(yīng)用為目標(biāo)的教學(xué)方法和手段

    2.1 工程實(shí)例教學(xué)法

    材料力學(xué)與工程實(shí)際聯(lián)系緊密,可以這樣認(rèn)為,材料力學(xué)的研究就是針對(duì)解決工程問(wèn)題而展開(kāi)的,因此在課堂教學(xué)中,針對(duì)每一部分基本理論與方法都應(yīng)重點(diǎn)講清楚其工程應(yīng)用,以提高學(xué)生的工程認(rèn)知和應(yīng)用實(shí)踐能力。這些工程實(shí)例可以是具體的工程問(wèn)題,也可以是身邊的力學(xué)實(shí)例。

    講述壓桿的穩(wěn)定性的概念時(shí),舉了一個(gè)身邊的實(shí)例來(lái)解釋:當(dāng)在一根較粗的鐵絲兩端施加壓力時(shí),很難使鐵絲彎曲,而鐵絲也保持直線形狀穩(wěn)定;而如果是在一根較細(xì)的鐵絲兩端施加壓力時(shí),鐵絲很容易就彎曲,而此時(shí)鐵絲并沒(méi)有被壓斷,只是不能再保持直線形狀。通過(guò)這個(gè)例子就引出了實(shí)際的兩端受壓桿件,有時(shí)桿件的強(qiáng)度沒(méi)有問(wèn)題,并沒(méi)有發(fā)生強(qiáng)度破壞,但發(fā)生了形狀改變,即壓桿已經(jīng)失穩(wěn),失去了承載能力,這就是工程中所說(shuō)的壓桿失穩(wěn)的問(wèn)題。然后通過(guò)改變鐵絲的直徑、長(zhǎng)度及兩端的約束情況讓學(xué)生體會(huì)不同時(shí)情況下使鐵絲失穩(wěn)的力的大小,使學(xué)生了解影響壓桿(細(xì)長(zhǎng)桿)臨界力的因素。這樣,通過(guò)身邊的例子就讓學(xué)生明白了壓桿的穩(wěn)定性的概念及影響細(xì)長(zhǎng)桿臨界力的因素。

    其實(shí),在我們的身邊,在日常生活中,隨時(shí)都有大量的實(shí)際問(wèn)題和工程問(wèn)題可以結(jié)合研究。如針對(duì)車間里的吊車橋架,可以討論如何利用現(xiàn)有吊車使其能夠吊起重量更大的物體的問(wèn)題。講授圓軸的扭轉(zhuǎn)變形和梁的彎曲變形時(shí)橫截面上的切應(yīng)力和正應(yīng)力分布特征時(shí),可結(jié)合討論人體、動(dòng)物骨骼的結(jié)構(gòu)特征,如都是空心管狀結(jié)構(gòu),即既能滿足生存需要,又減輕了自重,是大自然進(jìn)化的一個(gè)杰作。大自然賦予樹(shù)木的美好造型,如形成合理的圓形截面,上細(xì)下粗的樹(shù)身,能夠抵御不同方向的風(fēng)力引起的彎曲內(nèi)力和變形等[3]。

    通過(guò)這些身邊的力學(xué)問(wèn)題實(shí)際的工程實(shí)例,首先培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,然后引導(dǎo)他們逐步利用所學(xué)知識(shí)去分析問(wèn)題,建立問(wèn)題的力學(xué)模型,進(jìn)而利用現(xiàn)有知識(shí)嘗試解決相關(guān)問(wèn)題。這些工程實(shí)例的引入,對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力的作用是顯而易見(jiàn)的。

    2.2 將數(shù)值分析解法引入教學(xué)

    材料力學(xué)的研究方法除了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究之外,還有一種重要的研究方法即數(shù)值分析方法。在解決工程實(shí)際問(wèn)題時(shí),材料力學(xué)的基本理論一般只能解決桿件的強(qiáng)度與變形問(wèn)題,而實(shí)際的工程構(gòu)件形狀卻是各種各樣的,其中有大量的不能簡(jiǎn)化為桿件的構(gòu)件,要解決此類構(gòu)件的強(qiáng)度和變形問(wèn)題,則只能采用數(shù)值分析方法。為此,在教學(xué)過(guò)程中,在講述主要內(nèi)容時(shí),同時(shí)將數(shù)值分析方法主要是有限元單元法引入教學(xué),讓學(xué)生了解有限元軟件Ansys的應(yīng)用方法,并將材料力學(xué)基本理論所得的解與有限元法所得到的解進(jìn)行對(duì)比分析,使學(xué)生理解材料力學(xué)基本理論的應(yīng)用范圍和精度問(wèn)題,更好地提高其分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。

    如在講述桿件軸向拉伸與壓縮時(shí),向?qū)W生舉了這樣一個(gè)實(shí)例:圖1所示桿件,桿長(zhǎng) mm,截面尺寸為20×20 mm,左端固定,右端作用一向右的拉力 kN,桿中部上下分別開(kāi)有 mm的半圓槽,下面分別以材料力學(xué)的計(jì)算方法和數(shù)值計(jì)算方法求桿件橫截面上的最大正應(yīng)力。

    很明顯,桿件的最大正應(yīng)力出現(xiàn)在桿件中間位置處截面上,依據(jù)材料力學(xué)中桿件軸向拉壓變形時(shí)橫截面上正應(yīng)力的計(jì)算公式,可以得到桿件橫截面上最大正應(yīng)力的為:

    在Ansys中建立圖1所示桿件的實(shí)體模型,選用solid187單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格,左端面約束住所有自由度,不考慮集中力載荷施加方式的影響,在右端面上加面壓力載荷,求解后第四強(qiáng)度理論的相當(dāng)應(yīng)力如圖2所示。

    由圖2可以看出,桿件橫截面上的最大正應(yīng)力為,很明顯與式(1)的結(jié)果不同,其值出現(xiàn)在圓孔槽附近,這也直接驗(yàn)證了應(yīng)力集中現(xiàn)象:在截面尺寸突變處,應(yīng)力急劇變大,而且很容易計(jì)算出應(yīng)力集中系數(shù):

    當(dāng)桿件右端截面上所加的的集中力采用在右端面中心的一小區(qū)域上加力的方式處理時(shí),求解后第四強(qiáng)度理論的相當(dāng)應(yīng)力如圖3所示。

    由圖3可以看出,桿件的最大正應(yīng)力為,出現(xiàn)在集中力施加位置,離開(kāi)集中力作用位置較遠(yuǎn)的位置,桿件截面上的應(yīng)力分布則比較均勻。這也驗(yàn)證了圣維南原理:離開(kāi)載荷作用處一定距離,應(yīng)力分布與大小不受外載荷作用方式的影響。

    將Ansys的分析結(jié)果引入教學(xué)過(guò)程,有助于學(xué)生形象理解材料力學(xué)基本理論的簡(jiǎn)化模型在處理具體工程問(wèn)題時(shí)的精度問(wèn)題,從而更好地掌握材料力學(xué)的基本理論的適用范圍,同時(shí)也初步掌握了數(shù)值分析方法在求解工程問(wèn)題中的應(yīng)用方法。

    3 實(shí)踐環(huán)節(jié)

    3.1 更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,實(shí)施開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)

    實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容既要服務(wù)于課程教學(xué)目標(biāo),驗(yàn)證材料力學(xué)基本理論的正確性,同時(shí)也要緊跟工程實(shí)踐要求,著重培養(yǎng)學(xué)生采用實(shí)驗(yàn)方法分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力[5]。為此,我們對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn),在保留了傳統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容同時(shí),也積極開(kāi)設(shè)了一些綜合創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。更新后的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為二個(gè)主要部分:第一部分為基本驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),主要包括基本力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)(拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、沖擊)、電測(cè)實(shí)驗(yàn)(純彎曲狀態(tài)下正應(yīng)力、等強(qiáng)度梁實(shí)驗(yàn)等)和綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)(彎扭組合實(shí)驗(yàn)、偏心拉伸實(shí)驗(yàn));第二部分為綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)(疊合鋼板梁和桁架應(yīng)力綜合分析實(shí)驗(yàn)等)。基本實(shí)驗(yàn)和綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)以課程基本知識(shí)為載體,以基本知識(shí)和動(dòng)手能力訓(xùn)練為重點(diǎn),為必開(kāi)實(shí)驗(yàn)。綜合創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn),以培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力為目的,學(xué)生可以選做自己感興趣的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

    實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施開(kāi)放式、自主式教學(xué),學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放期間任何時(shí)間來(lái)做實(shí)驗(yàn),由學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求自行制定實(shí)驗(yàn)方案,并獨(dú)立完成整個(gè)實(shí)驗(yàn),從而使自己動(dòng)手能力和實(shí)踐能力得到加強(qiáng)。教師在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié),指出實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在的一些不足,同學(xué)生進(jìn)行討論。這樣,可以幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,使他們掌握處理問(wèn)題的技巧,從而更好地激發(fā)和培養(yǎng)他們的探索精神和創(chuàng)新能力。

    3.2 面向工程應(yīng)用問(wèn)題的大作業(yè)

    在教學(xué)過(guò)程中,針對(duì)主要內(nèi)容布置一些大作業(yè),選題范圍主要是一些相關(guān)的工程實(shí)際問(wèn)題,也可以讓學(xué)生自行選題,要求他們建立工程實(shí)際問(wèn)題的力學(xué)模型,并按照材料力學(xué)的分析思路選用合適的方法進(jìn)行求解。如在講授軸向拉伸及壓縮這部分內(nèi)容時(shí),向?qū)W生布置了起重機(jī)鋼絲繩的強(qiáng)度問(wèn)題、拖拽電梯轎廂的鋼絲繩的強(qiáng)度問(wèn)題及液壓缸活塞桿的強(qiáng)度問(wèn)題等工程實(shí)際問(wèn)題,要求學(xué)生以小組形式選擇其中一個(gè)選題,通過(guò)調(diào)查工程實(shí)際中的機(jī)械和運(yùn)行工況,建立其力學(xué)分析模型,并利用材料力學(xué)的理論進(jìn)行求解,最后按照一般科技論文的格式完成一篇簡(jiǎn)單的小論文。學(xué)生的選題除了教師規(guī)定的選題外,還有相當(dāng)一部分是自己去調(diào)查的工程實(shí)例,而且他們解決問(wèn)題的方法除了用材料力學(xué)的理論外,還有少部分學(xué)生采用的是數(shù)值方法,采用Ansys有限元軟件建立問(wèn)題的實(shí)體模型、劃分網(wǎng)格并加載求解。

    由此可見(jiàn),在課程教學(xué)中鼓勵(lì)、指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行小論文式的大作業(yè)的訓(xùn)練,可以更好地發(fā)揮其學(xué)習(xí)的自覺(jué)性和創(chuàng)造性,也使得學(xué)生力學(xué)建模的能力和分析解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力得以提高,是一種非常有效的研究型教學(xué)方法。當(dāng)然,在實(shí)施過(guò)程中應(yīng)把握好大作業(yè)的數(shù)量,以每個(gè)學(xué)生參與或獨(dú)立完成1~2篇大作業(yè)即可,否則對(duì)學(xué)生而言工作量太大會(huì)影響其它課程的學(xué)習(xí)。

    4 結(jié)論

    材料力學(xué)教學(xué)的主要目的就是讓學(xué)生了解所學(xué)內(nèi)容的工程背景,掌握材料力學(xué)的學(xué)習(xí)方法和建立力學(xué)模型的方法,并能熟練應(yīng)用材料力學(xué)思維去分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題。近幾年的材料力學(xué)教學(xué)實(shí)踐表明:該文以面向工程應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn),在教學(xué)內(nèi)容體系構(gòu)建,教學(xué)方法與手段選擇及實(shí)踐環(huán)節(jié)改進(jìn)等方面進(jìn)行的研究與探索,在提高教學(xué)效果方面顯示了較好的作用。模塊化的教學(xué)內(nèi)容體系有助于學(xué)生理解基本理論的工程背景和掌握基本理論的工程應(yīng)用方法,工程實(shí)例教學(xué)法和在教學(xué)中引入數(shù)值分析方法有助于提高學(xué)生力學(xué)建模能力和運(yùn)用力學(xué)思維去分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力,采用開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)及采用面向工程實(shí)際問(wèn)題的大作業(yè)有助于提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)。

    參考文獻(xiàn)

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