材料力學(xué)課程案例教學(xué)的實(shí)踐與建設(shè)

張淑琴　馬英忱　韓保紅　孟祥鳳　王凌英

[摘 要]案例教學(xué)是一種有效的教學(xué)方法。通過將案例引入材料力學(xué)課程的教學(xué)，課堂上的互動(dòng)氛圍活躍了，講授理論時(shí)學(xué)員的注意力也更集中。在案例教學(xué)中要注意兩點(diǎn)：一是教員選擇講解的案例要有典型性，分析方法要有一般性；二是案例的選擇和難易度的把握，特別是由學(xué)員分析的案例要提前布置，而且難度不能太大。學(xué)員是從學(xué)校到學(xué)校，沒有接觸過工程背景的問題，需要討論或查閱資料，所以要多給學(xué)員一段時(shí)間，更重要的是會(huì)打消學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣。

[關(guān)鍵詞]材料力學(xué)；沖擊載荷；案例教學(xué)

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2017）05-0076-02

目前材料力學(xué)課程教材中的例題或習(xí)題，多是簡化好的力學(xué)模型，學(xué)員看到的都是簡圖，而他們是沒有任何工程背景的二年級(jí)學(xué)員，感到學(xué)習(xí)的理論和實(shí)際是脫節(jié)的，所以根據(jù)課程特點(diǎn)采用案例教學(xué)是一種有效的方法，可拉近課程和學(xué)員的距離。這不僅可以激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，更重要的是使學(xué)員對(duì)力學(xué)知識(shí)的用途有更深層的認(rèn)識(shí)，可提高學(xué)員的力學(xué)建模能力。本文以沖擊載荷為例，介紹案例教學(xué)的具體實(shí)施步驟，然后總結(jié)材料力學(xué)案例庫的建設(shè)。

一、案例教學(xué)的步驟

沖擊載荷是材料力學(xué)課程動(dòng)載荷章節(jié)中的重點(diǎn)內(nèi)容之一，采用案例教學(xué)法，分四步組織教學(xué)。

（一）案例呈現(xiàn)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

案例①：由于繩斷裂，蹦極者落入鱷魚河的水中。

案例②：繩沒斷，但蹦極者落入水中，被鱷魚咬掉了頭。

案例③[1]：2007年8月，位于大連星海公園的蹦極項(xiàng)目出現(xiàn)了一次“意外”：一個(gè)小男孩從55米高的跳臺(tái)上跳下來時(shí)，一頭扎進(jìn)了海里！令人寬慰的是，落水孩子仍舊被保險(xiǎn)繩牽引著，并且浮到了海面上。救生艇趕到把孩子救了下來。孩子上岸后連吐了很多口海水，由于獲救及時(shí)，神志很清醒，經(jīng)過全面檢查，孩子沒有大礙。

（二）提出問題，探索理論依據(jù)

問題：試建立力學(xué)模型，分析事故原因。

分析人和繩組成的系統(tǒng)，人為沖擊物體，繩為被沖擊物體。根據(jù)人與繩的特點(diǎn)，提出基本假設(shè)：①人抽象為剛體，即沖擊物體的變形不計(jì)；②繩是變形體，其重量不計(jì)；③人自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)繩沒有作用，當(dāng)下落高度和繩的長度相等時(shí)，人對(duì)繩有沖擊作用，認(rèn)為人和繩共同運(yùn)動(dòng)，即沖擊物體和被沖擊物體接觸后共同運(yùn)動(dòng)；④沖擊過程中繩的變形保持彈性變形，即滿足胡克定律，其彈性模量不變。沖擊問題的特點(diǎn)是持續(xù)時(shí)間短，沖擊力隨時(shí)間的變化難以準(zhǔn)確分析，其精確計(jì)算十分困難，一般采取近似方法，認(rèn)為沖擊過程中只有機(jī)械能和變形能的轉(zhuǎn)換，忽略其它能量的損耗，如不發(fā)聲、不發(fā)熱，因此采用能量守恒原理解決沖擊載荷問題，由于不計(jì)能量損耗，所以能量法計(jì)算偏于安全。

（三）建立模型，求解應(yīng)力變形

人與繩索相連，繩索另一端牢牢固定在平臺(tái)上，開始人靜止在平臺(tái)上，然后自由下落。設(shè)人的重量為W；繩索橫截面積為A，長為l，彈性模量為E，模型同材料力學(xué)教材中習(xí)題。[2]

如果人靜止掛在繩索的下端時(shí)，繩索的變形是其原長的1/60，動(dòng)荷因數(shù)Kd = 12，繩索的最大伸長量Δd = KdΔst = 0.2l。

（四）分析原因，提出合理建議

案例①中蹦極者墜河的原因：依據(jù)動(dòng)應(yīng)力的計(jì)算分析，說明繩索動(dòng)應(yīng)力超出允許范圍，導(dǎo)致繩索斷裂。案例②和案例③中，繩未斷造成蹦極者落水的原因：可能選擇了剛度偏低的繩索，因?yàn)棣t偏大，導(dǎo)致Δd增大；可能選擇了剛度夠，但偏長的繩索，導(dǎo)致ld增大；按報(bào)紙上對(duì)事件的描述，小男孩“胖乎乎”，屬于體重比正常孩子偏大，導(dǎo)致繩索動(dòng)變形過大（超過設(shè)定值），工作人員可能忽略此點(diǎn)，導(dǎo)致事件發(fā)生的原因。

建議：正規(guī)的蹦極設(shè)施具備不同規(guī)格的彈性繩索（一般按伸縮長度、拉伸剛度來標(biāo)定），這些繩索事先經(jīng)過專門測試并貼有規(guī)格標(biāo)簽。蹦極前要認(rèn)真查看繩索的規(guī)格，選擇與自己體重相適應(yīng)的彈性繩。

二、案例庫的建設(shè)

通過案例教學(xué)的實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣高了，比如在看完蹦極者掉入河里，被鱷魚咬掉頭的視頻后，都想知道其理論依據(jù)，避免今后親身體驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)同類事情。學(xué)員發(fā)現(xiàn)問題、提出問題的意識(shí)有所增強(qiáng)，比如講授組合變形時(shí)，學(xué)員就提出絲錐攻絲時(shí)絲錐折斷的問題，比薩斜塔不倒的現(xiàn)象，講授壓桿穩(wěn)定時(shí)，提出銀槍刺喉的雜技。學(xué)員建立力學(xué)模型、分析問題的能力有所提高，絲錐折斷的例子在扭轉(zhuǎn)變形時(shí)提出，講到組合變形時(shí)，學(xué)員自己就想到當(dāng)時(shí)分析的不足。學(xué)員提出切身體會(huì)的例子，如訓(xùn)練中有時(shí)會(huì)看到或聽到學(xué)員骨折，班里某某學(xué)員提出訓(xùn)練時(shí)腿骨骨折的問題，通過分析學(xué)員真正感受到力學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)可以使平時(shí)訓(xùn)練更科學(xué)。

因此通過調(diào)研、收集分析案例，將積累的案例建成案例庫，供教員和學(xué)員應(yīng)用。案例庫中具體案例分為生活案例、裝備案例、其他案例（工程、體育等）。[3]

案例庫可以教員和學(xué)員的身份登錄。教員登錄可完成添加案例、管理案例、選用案例、評(píng)價(jià)學(xué)員、管理學(xué)員等功能，添加案例功能是教員完成案例上傳，包括案例背景、問題提出、建模理論分析、事故原因、擴(kuò)展內(nèi)容或思考。管理案例功能是修改或刪除；選用案例是為學(xué)員選擇具體哪些案例供學(xué)習(xí)和參考，也可選擇具體案例中的背景、問題，等學(xué)員分析上傳報(bào)告后，再選擇原因分析、擴(kuò)展思考問題等模塊，供對(duì)比和完善自己的分析報(bào)告。評(píng)價(jià)學(xué)員是對(duì)學(xué)員上傳的報(bào)告，及時(shí)給予批閱，提出修改建議。管理學(xué)員是對(duì)授課班次中的學(xué)員，授予其使用案例庫的權(quán)限。學(xué)員登錄可完成查看案例、選擇案例分析并上傳，查看教員對(duì)報(bào)告的評(píng)價(jià)。查看案例功能是可看到教員選擇好的案例和案例中的具體模塊。

三、小結(jié)

通過將案例引入材料力學(xué)課程的教學(xué)，課堂上的互動(dòng)氛圍活躍了，講授理論時(shí)學(xué)員的注意力更集中了，課下案例分析時(shí)也用心了，和教員探討分析的次數(shù)也多了，總之學(xué)員的學(xué)習(xí)積極性提高了，這說明學(xué)員是愿意接受挑戰(zhàn)的，因此教員要努力收集分析新的案例，不斷完善案例庫。

案例教學(xué)是一種有效的教學(xué)方法，通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在案例教學(xué)中要注意兩點(diǎn)：一是教員選擇講解的案例要有典型性，分析方法要有一般性；二是案例的選擇和難易度的把握，特別是由學(xué)員分析的案例要提前布置，而且難度不能太大。由于學(xué)員是從學(xué)校到學(xué)校，沒有接觸過工程背景的問題，需要討論或查閱資料，所以要多給學(xué)員一段時(shí)間，另外如果案例的難度偏大，不僅完不成，更重要的是會(huì)打消學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 李鋒.材料力學(xué)案例[M].北京：科學(xué)出版社，2011：71.

[2] 秦飛.材料力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2013：310.

[3] 張淑琴，馬英忱，閆石，等.材料力學(xué)課程案例教學(xué)的研究[J].大學(xué)教育，2015（12）：159-160.

[特約編輯：張 雷]