力學相關成果引入材料力學教學的探索與實踐1)

馬國軍 馬紅艷 季順迎

(大連理工大學運載工程與力學學部工程力學系，工業(yè)裝備結構分析國家重點實驗室，遼寧大連116024)

力學相關成果引入材料力學教學的探索與實踐1)

馬國軍2)馬紅艷 季順迎

(大連理工大學運載工程與力學學部工程力學系，工業(yè)裝備結構分析國家重點實驗室，遼寧大連116024)

嘗試將現(xiàn)代力學及相關學科的一些研究成果引入到材料力學教學中，選材應與教材內(nèi)容緊密聯(lián)系，具有一定的新穎性和趣味性，難易適中，以力學為主，兼顧學科的交叉性，并與其它手段相配合.初步實踐表明，通過這些新知識的引入，可以顯著提升教育教學效果.

材料力學,納米材料,生物材料,屈曲,彎曲

材料力學是面向土木、機械、材料、化工等工科專業(yè)學生開設的一門專業(yè)基礎課，學生若不能很好掌握其相關知識內(nèi)容，勢必影響后續(xù)專業(yè)課程的學習，甚至影響對整個專業(yè)的興趣.材料力學作為一門獨立學科已有三百多年的歷史[1]，是一門非常古老而經(jīng)典的學科，相關理論框架已較為成熟.傳統(tǒng)材料力學課程非常注重基本概念、公式、簡化假設等方面的內(nèi)容講授，雖然有利于夯實學生的理論基礎，但有時也難免會讓學生感覺枯燥乏味，影響學習興趣和教學效果.此外，成熟的理論體系雖然有利于使學生掌握扎實的基礎理論知識，但對創(chuàng)新人才的培養(yǎng)卻有不利的一面，需要適當引入一些新的內(nèi)容.

創(chuàng)新型人才培養(yǎng)注重培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識與能力，通過激發(fā)學生的探索熱情來提升自主學習的興趣與能力，使學生從單純的知識接受者變成知識的探索者和創(chuàng)造者[23].為了實現(xiàn)這一目標，廣大高校教師已不斷嘗試對材料力學課程的講授內(nèi)容、教學方法、考查手段等進行改革創(chuàng)新.如利用計算機有限元模擬輔助教學[4]；通過實物演示培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力[5]；利用案列教學法提高學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力[6]；引入力學史及相關人物[78]來豐富課堂內(nèi)容并培養(yǎng)學生人文素養(yǎng)等.這些改革無疑對材料力學教學效果提升和創(chuàng)新人才培養(yǎng)有實質(zhì)性幫助作用，但也還應該進行其它有益的探索與嘗試.

近幾十年來，力學及相關學科經(jīng)歷著日新月異的變化，各種新成果不斷涌現(xiàn).這些廣大科技工作者創(chuàng)新活動的結晶無疑是培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識與創(chuàng)新精神的最好素材，將它們整合進材料力學教學內(nèi)容勢必極大地激發(fā)學生的學習興趣，提升教學效果，為此我們進行了一些嘗試，以下將進行具體介紹.

1 科研成果的引入

根據(jù)所用《材料力學》[1]教材的內(nèi)容，共引入8個方面的科研成果，現(xiàn)對其中5個進行詳細介紹.

1.1 納米/生物材料——愈小愈強

通過試驗獲得材料性能參數(shù)是材料力學中非常重要的一部分內(nèi)容，為了消除試件尺寸的影響，需要將獲得的力--位移曲線轉(zhuǎn)換為應力--應變曲線，得到的強度極限等性能指標只與材料本身有關，而與試件尺寸無關.顯然，這種講法在經(jīng)典材料力學理論框架內(nèi)并無問題，但對培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維卻有不利.在實際講授時可問同學一個問題，即不同直徑的尼龍絲測得的強度是否一樣呢？給學生短暫時間思考后結合圖1所示內(nèi)容，給他們講述有關納米材料、生物材料相關的一些知識[9]，指出當材料的尺寸小到一定程度后性能可以顯著提高.最后讓同學們課后繼續(xù)查找相關資料，了解為什么這些納米材料和生物材料會有極為優(yōu)異的力學性能.

圖1 蠶絲力學性能的尺度效應[9]

圖2 竹纖維含量對材料強度的影響[10]

1.2 竹子的承載策略——多級優(yōu)化

有關梁的內(nèi)容是材料力學的重點和難點，為使學生對梁的內(nèi)力、應力、變形等有更深刻的認識，可在章節(jié)末尾結合圖2介紹竹子相關研究成果[10].竹子主要受橫向風載，可視為受分布壓力作用的懸臂梁，其內(nèi)力從頂端到根部逐漸增加，而應力在截面外緣高、內(nèi)側低.竹子一方面在宏觀上采用變截面空心結構使各截面的應力水平降低，另一方面進化出高強度的承力單元--“纖維束”來承擔拉應力，而且這些“纖維束”含量由內(nèi)到外逐漸增多，以適應竹子截面外緣應力高內(nèi)側應力低的特點.通過這些內(nèi)容的講授，不僅可使學生更深刻地理解梁的相關理論知識，而且能激發(fā)他們主動思考的熱情.

1.3 負泊松比材料——愈拉愈粗

廣義虎克定律是進行復雜應力分析的重要理論基礎，理解該定律的關鍵是要明白各方向變形之間的相互關系，而泊松比就是描述這些關系的重要參數(shù).在幾乎所有經(jīng)典材料力學教材中，都特意指出泊松比的值在0～0.5之間[1].對均勻各向同性材料而言的確如此，但對某些各向異性材料，泊松比有可能出現(xiàn)負值.為了加強學生對泊松比含義的理解，更為激發(fā)他們的創(chuàng)新意識，可介紹有關負泊松比材料方面的知識[11].在實際講授時，以提問的形式問學生是否存在負泊松比材料，如果存在將會出現(xiàn)什么現(xiàn)象，如何設計出負泊松比材料等一系列問題.實踐表明，學生對負泊松比的含義能理解，但幾乎都表示不會有負泊松比材料.此時可以將圖3所示結構展示給大家，介紹負泊松比的含義，課堂效果非常好.

圖3 負泊松比材料結構示意圖[11]

1.4 貝殼的強韌機制——各盡其責

按教材順序，應力狀態(tài)之后的章節(jié)是組合變形，主要介紹桿件在復雜外力作用下如何進行分解，再在線彈性假設下進行疊加.為使學生更深刻理解不同內(nèi)力之間的關系，特意引入有關貝殼等生物材料方面的研究成果.在自然界中，貝殼是非常普通的生物材料(天然陶瓷基復合材料)，主要由95%無機質(zhì)(CaCO3)和5%左右的有機質(zhì)組成的[12].研究表明，貝殼類生物材料的斷裂韌性是其單純無機質(zhì)的 3000倍，華裔學者高華建等提出了一種非常簡單的拉伸--剪切鏈式模型對其強韌機理進行了完美解釋[13]，如圖4所示.將這些內(nèi)容講授給學生，一是可以讓學生了解如何利用簡單的力學原理和模型來解決復雜的科學問題，二是可以讓學生適當了解有關斷裂力學、復合材料力學的一些基本概念，培養(yǎng)他們對生物力學、納米力學相關領域的興趣，為后續(xù)課程的學習提供幫助.

圖4 貝殼的拉伸--剪切鏈式強韌機制[13]

1.5 預折紋管——缺陷也是一種美

壓桿失穩(wěn)和動載荷分別是材料力學中的兩章內(nèi)容[1]，在講授完壓桿失穩(wěn)之后、講授動載荷問題之前，可以引入有關預折紋管吸能結構的相關研究成果.預折紋管是一種具有折痕圖案的薄壁管狀結構[14]，如圖5插圖所示.這些折痕圖案實際是一種人為引入的缺陷，在軸向壓力作用下，這些缺陷將誘導薄壁結構逐漸發(fā)生局部屈曲，避免像光滑薄壁管一樣發(fā)生整體屈曲，從而使結構變形能力大幅提升(見圖5)，成為一種極為優(yōu)異的輕質(zhì)吸能結構，可用作汽車等產(chǎn)品的沖擊防護結構.通過對這些內(nèi)容的講授，不僅使學生加深了對屈曲和動載荷問題的理解，同時還使學生了解了事物的多面性，即只要大膽創(chuàng)新，一些缺點(失穩(wěn))也可以被巧妙地轉(zhuǎn)化為優(yōu)點(吸能).

2 效果評價與討論

除了上述列舉的5個例子，在實際教學過程中還可根據(jù)情況引入其他一些研究成果，如壓縮機葉輪超速預加載機制[15]、疲勞性能的紅外熱成像快速測定新方法[16]、利用等強度設計獲得最佳抗彎和抗屈曲能力[17]的生物微針等.需要指出的是，引入這些成果作為材料力學授課內(nèi)容應遵循以下一些原則：

(1)必須與教材內(nèi)容有較緊密的聯(lián)系，是教材內(nèi)容適當擴展、延伸或應用；

(2)具有一定的新穎性，能夠幫助激發(fā)學生的創(chuàng)新意識和求知欲望；

(3)具有一定的趣味性，能夠引起學生的興趣，使之積極參與到討論與學習過程中；

(4)要適合低年級學生的水平，既要容易理解，也要給學生一定的思考空間；

(5)以力學為主，兼顧學科的交叉性，開闊學生視野；

(6)應與其他教學手段相配合，鼓勵部分學生進行深入探索.

通過近三年的教學實踐，發(fā)現(xiàn)課堂氣氛變得更加活躍了，學生參與討論的積極性提高，愿意主動思考并提問題，甚至有部分同學在課后還會繼續(xù)進行探索研究、撰寫科研小論文.此外，考試成績有顯著提升，尤其高分段學生占比明顯提高.

3 結論

初步實踐表明，將現(xiàn)代力學及相關研究成果適當引入到材料力學教學中可以加強學生對書本原有知識的理解，開闊學生的視野，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新意識和精神.當然，教育教學改革是一件長期的工作，需要不斷探索實踐，而且各種手段應該互相配合，取長補短.各學校、各專業(yè)也應根據(jù)自身特點進行個性化設計.

1 季順迎 (主編),鄭芳懷 (主審).材料力學.北京：科學出版社,2012

2 季順迎,武金瑛,金立強.“材料力學”課程中創(chuàng)新意識和實踐能力的培養(yǎng).高等理科教育,2008(5):90-92

3 宋曦酚,楊靜寧.工科專業(yè)材料力學教學創(chuàng)新的探索與實踐.力學與實踐,2010,32(2):142-144

4 錢秀清,閆松華,宋紅芳等.有限元方法在少學時材料力學教學中的應用.科技創(chuàng)新導報,2012(2):175-176

5 哈躍,趙俊青.材料力學實物演示教學培養(yǎng)創(chuàng)新能力的實踐.力學與實踐,2016,38(5):586-588

6 侯作富,梅超.教室中的材料力學實例. 力學與實踐,2012,35(6):90-92

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

8 李敏,賈麗杰,王明春.材料力學教學中的人物與事跡.力學與實踐,2010(2):114-116

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13 Gao H,Ji B,J¨ager I L,et al.Materials become insensitive to flaws at nanoscale:lessons from nature.Proceedings of the national Academy of Sciences,2003,100(10):5597-5600

14 王博,周才華,由衷.預折紋管的能量吸收性能分析與實驗研究.爆炸與沖擊,2015,35(4):471-483

15 宋洋.葉輪的超速預加載與安定性分析.[碩士論文].大連：大連理工大學,2009

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O341

A

10.6052/1000-0879-16-427

2016-12-27收到第1稿，2017-03-14收到修改稿.

1)遼寧省精品資源共享課程“材料力學”項目和大連理工大學教改基金項目的資助(YB2016078).

2)馬國軍，博士，副教授，主要研究方向為生物微納米力學.E-mail:gjma@dlut.edu.cn

馬國軍,馬紅艷,季順迎.力學相關成果引入材料力學教學的探索與實踐.力學與實踐,2017,39(5):499-502

Ma Guojun,Ma Hongyan,Ji Shunying.Improving teaching effect of mechanics of materials by introducing some research fi ndings on mechanics:exploration and practice.Mechanics in Engineering,2017,39(5):499-502

(責任編輯:胡 漫)