材料力學(xué)課程案例教學(xué)的研究

張淑琴　馬英忱　閆石　程兆剛　王凌英

[摘 要]案例教學(xué)是將材料力學(xué)理論與實(shí)際問(wèn)題緊密結(jié)合的有效教學(xué)模式之一。在材料力學(xué)的教學(xué)中，案例教學(xué)是一種行之有效的方法，可以服務(wù)專業(yè)，彌補(bǔ)教材，激發(fā)興趣。然而案例的收集和分析是一個(gè)經(jīng)常性的工作，作為教員要思維敏捷，多關(guān)注生活、工程中的焦點(diǎn)問(wèn)題，要多學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)，找準(zhǔn)武器裝備課程中的相關(guān)問(wèn)題，提煉適合材料力學(xué)課程的案例或?qū)嵗?，讓材料力學(xué)課程的教學(xué)充滿活力，這樣才能讓學(xué)員喜歡力學(xué)課程。實(shí)施好材料力學(xué)的案例教學(xué)還任重而道遠(yuǎn)。

[關(guān)鍵詞]材料力學(xué) 案例教學(xué)

[中圖分類號(hào)] G642.0[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 2095-3437（2015）12-0159-02

材料力學(xué)課程是研究工程結(jié)構(gòu)或機(jī)械的各組成部分正常工作條件下，所應(yīng)滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性條件的一門專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程，既是后續(xù)課程的重要理論基礎(chǔ)，又可以直接解決一些基本的工程實(shí)際問(wèn)題。在教學(xué)中如何提高教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)員的工程意識(shí)和解決問(wèn)題的綜合能力，是教員一直努力的方向。本文首先分析材料力學(xué)教學(xué)的現(xiàn)狀和案例教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，然后結(jié)合課程內(nèi)容，從生活、運(yùn)動(dòng)、工程、裝備中選擇案例或?qū)嵗淖龇ā?/p>

一、材料力學(xué)教學(xué)的現(xiàn)狀

（一）專業(yè)需求

作為專業(yè)基礎(chǔ)課的材料力學(xué)課程教員，要樹(shù)立基礎(chǔ)服務(wù)專業(yè)的理念，有必要列舉專業(yè)課中的實(shí)例進(jìn)行分析，布置作業(yè)時(shí)也可以結(jié)合武器裝備課程中的零部件，進(jìn)行適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性分析。這可以讓學(xué)員直觀感受到力學(xué)理論的實(shí)際應(yīng)用，從而激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)其學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。

（二）教材不足

我們的教學(xué)對(duì)象是從學(xué)校到學(xué)校的二年級(jí)大學(xué)生，沒(méi)有任何工程背景和裝備知識(shí)，更談不上經(jīng)驗(yàn)，所以學(xué)習(xí)的理論和實(shí)際是脫節(jié)的，學(xué)員感到理論枯燥乏味，作為教員有責(zé)任將抽象的理論知識(shí)與工程實(shí)際問(wèn)題有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，還原教材中簡(jiǎn)圖的實(shí)際原貌，使學(xué)員對(duì)力學(xué)知識(shí)的用途有更深層的認(rèn)識(shí)，也有助于提高學(xué)員的力學(xué)建模能力。

（三）學(xué)習(xí)效果

學(xué)員目前完成作業(yè)的狀態(tài)，主要停留在簡(jiǎn)單的套用公式上，因此學(xué)員覺(jué)得沒(méi)有必要做，完成時(shí)也不認(rèn)真，稍難一點(diǎn)就去找習(xí)題答案看，而不去動(dòng)腦思考，有的學(xué)員甚至拿來(lái)抄，顯然這很難達(dá)到鞏固所學(xué)知識(shí)和方法的效果。作為教員有責(zé)任通過(guò)多種途徑收集整理具體實(shí)際問(wèn)題，供學(xué)員進(jìn)行分析，真正達(dá)到舉一反三的效果。

二、案例教學(xué)在材料力學(xué)教學(xué)中的重要性

案例教學(xué)近年來(lái)對(duì)我國(guó)的高校教學(xué)改革具有重要的推動(dòng)作用，在很多課程的教學(xué)中都開(kāi)展了案例教學(xué)。[1] [2] [3]材料力學(xué)的發(fā)展遵循著人類認(rèn)識(shí)自然界的規(guī)律，從實(shí)踐到理論，再回到實(shí)踐，因此案例教學(xué)是將材料力學(xué)理論與實(shí)際緊密結(jié)合的有效教學(xué)形式之一。[4]

因具體案例本身有著實(shí)際的工程、生活背景，首先能夠吸引學(xué)員的注意力，想要搞清楚事故的原因，學(xué)習(xí)也就由被動(dòng)變主動(dòng)了;然后建立力學(xué)模型，分析所需理論知識(shí)，聽(tīng)起來(lái)也就不再那么枯燥了;最后用理論定性或定量來(lái)分析事故的原因，學(xué)員也就會(huì)有一種出乎想象、原來(lái)如此的感受。學(xué)員從案例分析的過(guò)程中，不僅感受到材料力學(xué)理論不再抽象，真正做到系統(tǒng)掌握理論知識(shí)，達(dá)到靈活運(yùn)用的教學(xué)目的，還可以從案例中吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，逐步樹(shù)立問(wèn)題意識(shí)，養(yǎng)成思考習(xí)慣。

案例教學(xué)不僅激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，其分析也不再是停留在公式的簡(jiǎn)單套用上，而是要將實(shí)際問(wèn)題抽象為力學(xué)模型，強(qiáng)調(diào)在實(shí)踐中抓主要矛盾而略次要矛盾的思想，很好地彌補(bǔ)了教材例題和習(xí)題的不足。另外，案例的合理選擇也可以服務(wù)于專業(yè)，所以說(shuō)案例教學(xué)可以達(dá)到一舉多得的效果。

三、材料力學(xué)案例的選擇

（一）生活型案例

基本變形內(nèi)容是材料力學(xué)課程中后續(xù)組合變形等內(nèi)容的基礎(chǔ)，講完這部分內(nèi)容后，可將空調(diào)外機(jī)支架的安全性問(wèn)題分析布置給學(xué)員完成，讓學(xué)員自己查找空調(diào)外機(jī)和支架墜落傷人的事件，提出問(wèn)題，分析歸納原因，并給出分析報(bào)告。講到壓桿穩(wěn)定時(shí)，請(qǐng)學(xué)員看銀槍刺喉的視頻，認(rèn)真觀察、思考其與所學(xué)內(nèi)容的關(guān)系，建立力學(xué)模型并定性分析，理解雜技是一種精心設(shè)計(jì)的演出，其中包含一定的力學(xué)原理。

現(xiàn)在新聞中經(jīng)常會(huì)報(bào)道司機(jī)由于酒駕造成的交通事故，為了讓學(xué)員能有理性的認(rèn)識(shí)，可列舉2014年某市一司機(jī)酒后開(kāi)車撞到人行道上碗口粗樹(shù)上的案例，對(duì)保險(xiǎn)杠的強(qiáng)度進(jìn)行分析。

通過(guò)分析生活中的案例，學(xué)員體會(huì)到力學(xué)就在我們身邊，從而逐步養(yǎng)成善于觀察的習(xí)慣。例如有的學(xué)員就提出學(xué)術(shù)報(bào)告廳、教室里投影儀的懸掛構(gòu)件的受力、變形、應(yīng)力等問(wèn)題。

（二）運(yùn)動(dòng)型案例

學(xué)員都是十八九歲的年輕人，喜歡運(yùn)動(dòng)和刺激，講到動(dòng)載荷時(shí)，播放2011年12月31日，津巴布韋一位蹦極者由于安全繩索斷裂，墜入波濤洶涌的“鱷魚河”中的視頻，還有安全繩索未斷但由于太長(zhǎng)，蹦極者被鱷魚咬掉頭的視頻，通過(guò)建立力學(xué)模型，分析事故的可能原因，課后請(qǐng)學(xué)員自己上網(wǎng)查找蹦極設(shè)施中繩索的要求和規(guī)格，理解蹦極時(shí)的注意事項(xiàng)。最后讓學(xué)員選一項(xiàng)自己喜歡的項(xiàng)目，建立抽象力學(xué)模型，應(yīng)用材料力學(xué)知識(shí)來(lái)做定性分析。

軍校學(xué)員每天都要有一定的體能和軍事訓(xùn)練，一些受傷時(shí)有發(fā)生。在400米障礙訓(xùn)練中，學(xué)員很容易腿受傷，列舉醫(yī)學(xué)上小腿骨折的三種類型：?jiǎn)渭冃怨钦?、粉碎性骨折、開(kāi)放性骨折，從強(qiáng)度不足的角度定性分析骨折原因，然后結(jié)合訓(xùn)練中的體會(huì)，從力學(xué)的角度總結(jié)科學(xué)訓(xùn)練的要點(diǎn)，為學(xué)員減少訓(xùn)練中的受傷提供一點(diǎn)幫助。

通過(guò)分析運(yùn)動(dòng)型案例，學(xué)員會(huì)感受到力學(xué)的魅力所在，也就更加喜歡力學(xué)。有的學(xué)員還可以還原教材上外伸梁受集中載荷的實(shí)例，正是每天都要訓(xùn)練的雙杠，然后查閱資料進(jìn)行分析，真正達(dá)到學(xué)以致用的效果。

（三）工程型案例

隨著社會(huì)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，環(huán)境的保護(hù)，過(guò)去給人們帶來(lái)方便的高大煙囪，由于煙塵的直排造成一定的環(huán)境污染，需要對(duì)廢舊煙囪進(jìn)行拆除。講到動(dòng)載荷內(nèi)容時(shí)，播放國(guó)內(nèi)外拆除煙囪的視頻，請(qǐng)學(xué)員觀察倒下過(guò)程，注意二次折斷的現(xiàn)象，建立抽象力學(xué)模型，指出涉及的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，并定性分析其原因。

講到提高梁彎曲強(qiáng)度措施時(shí)，列舉某展覽館工程曾因梁內(nèi)漏放附加的鋼筋，承載能力不夠，當(dāng)附加荷載，比如隔墻的空心磚砌上后，梁上出現(xiàn)裂縫，引起磚墻裂損坍塌的案例，分析在鋼筋混凝土梁中鋼筋的關(guān)鍵作用和鋼筋的合理配置，理解設(shè)計(jì)和施工中按照嚴(yán)格的規(guī)范要求去做的重要性，否則就會(huì)釀成嚴(yán)重事故。

近兩年學(xué)院內(nèi)先后進(jìn)行了訓(xùn)練中心、綜合教學(xué)樓和學(xué)員宿舍樓的建設(shè)，一些施工設(shè)備就在工地，如打樁機(jī)、腳手架、塔吊等，是學(xué)員很好的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。我們和工地負(fù)責(zé)人聯(lián)系，在保證安全的情況下，帶領(lǐng)學(xué)員到現(xiàn)場(chǎng)參觀，請(qǐng)工程技術(shù)人員介紹一些和力學(xué)相關(guān)的結(jié)構(gòu)和設(shè)備的特點(diǎn)及施工時(shí)的注意事項(xiàng)，學(xué)員感受到了力學(xué)的廣泛應(yīng)用，也對(duì)施工人員充滿了敬意，結(jié)束后要求學(xué)員在學(xué)習(xí)的過(guò)程中自行選擇一個(gè)相關(guān)題目進(jìn)行建模分析。

（四）裝備型案例

材料力學(xué)課程開(kāi)設(shè)在大學(xué)二年級(jí)，學(xué)員沒(méi)有專業(yè)背景，但二年級(jí)學(xué)員在新生軍訓(xùn)時(shí)都打過(guò)槍，因此列舉部隊(duì)射擊訓(xùn)練或試驗(yàn)中，彈殼、擊針出現(xiàn)的實(shí)際現(xiàn)象分析。比如講拉壓變形時(shí)，分析彈殼出現(xiàn)橫斷的原因;講應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，分析彈殼縱裂、炸殼的原因;講動(dòng)載荷和穩(wěn)定性時(shí)，分析擊針出現(xiàn)折斷或彎曲變形的原因。

結(jié)合裝備熱點(diǎn)問(wèn)題，收集相關(guān)例子分析。比如，2012年11月23日，艦載機(jī)飛行員駕駛國(guó)產(chǎn)殲-15艦載機(jī)首次成功降落航空母艦“遼寧艦”，標(biāo)志著我軍突破了滑躍起飛、阻攔著艦等飛行的關(guān)鍵技術(shù)。著艦時(shí)艦載機(jī)的攔阻鉤連桿作為其中的主要承力構(gòu)件，需要有足夠的強(qiáng)度，因此講到組合變形時(shí)，請(qǐng)學(xué)員觀察圖片，分析連桿的受力，推測(cè)連桿橫截面的形狀，課后請(qǐng)學(xué)員查閱資料，和實(shí)際的攔阻鉤連桿進(jìn)行對(duì)比分析，理解設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。

根據(jù)教學(xué)進(jìn)度和學(xué)員的專業(yè)，和專業(yè)教研室聯(lián)系，帶領(lǐng)學(xué)員參觀相關(guān)專修室，有針對(duì)性地觀察零部件，比如觀察履帶板的構(gòu)造和連接，并特別提醒學(xué)員注意有的履帶板中有橡膠襯套，有的則沒(méi)有。這樣講到剪切與擠壓變形，分析連接履帶板的履帶銷的剪切和擠壓?jiǎn)栴}時(shí)，學(xué)員就有直觀認(rèn)識(shí)，更容易理解。講到扭轉(zhuǎn)變形時(shí)，在學(xué)員理解圓軸扭轉(zhuǎn)的強(qiáng)度、剛度分析后，請(qǐng)學(xué)員分析履帶板中橡膠襯套的變形，從結(jié)構(gòu)和受力分析中看到與所學(xué)的圓軸扭轉(zhuǎn)問(wèn)題不同，因此不能運(yùn)用所學(xué)結(jié)論，這時(shí)引導(dǎo)學(xué)員重新從方法的源頭上分析，通過(guò)觀察變形，提出假設(shè)，然后建立幾何關(guān)系、物理關(guān)系、靜力關(guān)系，請(qǐng)學(xué)員自行推導(dǎo)應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)角的計(jì)算公式。從這些例子的分析中，學(xué)員切實(shí)體會(huì)到學(xué)會(huì)知識(shí)很重要，掌握分析方法更重要。

四、結(jié)語(yǔ)

在材料力學(xué)的教學(xué)中，案例教學(xué)是一種行之有效的方法，可以服務(wù)專業(yè)，補(bǔ)充教材，激發(fā)興趣。然而案例的收集和分析是一個(gè)經(jīng)常性的工作，作為教員要思維敏捷，多關(guān)注生活、工程中的焦點(diǎn)問(wèn)題，要多學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)，找準(zhǔn)武器裝備課程中的相關(guān)問(wèn)題，提煉適合材料力學(xué)課程的案例或?qū)嵗?，讓材料力學(xué)課程的教學(xué)充滿活力，這樣才能讓學(xué)員喜歡力學(xué)課程。

[ 注 釋 ]

[1] 竇慶峰.結(jié)合案例式教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力[J].科教文匯，2009（12）：7.

[2] 郝俊才，趙春香，蓋芳芳.土木工程專業(yè)材料力學(xué)案例教材的編寫方法探討[J].價(jià)值工程，2013（23）：234-235.

[3] 金曉怡.機(jī)械設(shè)計(jì)課程案例教學(xué)的研究與實(shí)踐[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2011（3）：73-76.

[4] 李鋒.反思案例，激勵(lì)創(chuàng)新[J].中國(guó)校外教育（理論），2009（1）：65，46.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]