實用材料力學實踐教學方法分析

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摘要：本文在新工科背景下，結合材料力學教學，探討傳統(tǒng)教學方式，實行學用結合方式，從課堂授課，課后訓練等方面加入實踐元素，提高學生學習的積極性，給出了組合變形和通過改變支撐條件來改變應力分布等案例，教學結果表明，加入實踐環(huán)節(jié)的教學方法是一種有益的探索，本文的教學方式，可供其它課程教學參考。

關鍵詞：材料力學；新工科；實踐教學

材料力學是一門重要的技術基礎課。它是各門力學課程的基礎，并在許多工程技術領域中有著廣泛的應用。通過材料力學的學習，使學生掌握構件的強度、剛度及穩(wěn)定性的計算方法，掌握材料力學的基本概念及理論，為學生學習相關后繼課程打好必要的基礎。目前正在全面啟動的新工科建設[1-2]，是為了應對新經(jīng)濟的挑戰(zhàn)，從服務國家戰(zhàn)略，滿足產(chǎn)業(yè)需求和面向未來發(fā)展的高度的一項持續(xù)深化工程教育改革的重大行動計劃。新工科建設具有反映時代特征、內(nèi)涵新且豐富、多學科交融、多主體參與、涉及面廣等特點。材料力學是新工科建設的重要基礎課。但是，材料力學教學和學習還存在諸多問題[3-4]，其一，多年來形成的教學習慣，還是以理論教學為主，課堂講授方法、公式、定理，然后通過例題、作業(yè)、考試鞏固授課知識點。其二，學生的學習興趣不高，今年來學風下降是不爭的事實[5]，傳統(tǒng)的授課方法，教學效果大打折扣。其三，相對理論力學，材料力學的先修基礎較差，對理論力學來說，中學階段已經(jīng)有牛頓三大定律等知識，已經(jīng)有響應的力學熏陶。而材料力學的應力、應變對學生來說是全新的知識點。因此有必要改變傳統(tǒng)的教學方式。

一、材料力學實踐教學方式

新的教學方法，以新工科為背景，強調(diào)學用結合，作為在校學生，“用”的機會少，但是可以通過觀察探討等方式，尋找材料力學中的重要知識點在工程實踐應用，或者，用材料力學的原理解釋工程實際中的現(xiàn)象。第一，授課時，老師盡量使用工程實例，這些工程實例盡量是同學日常生活能經(jīng)常見到的。第二，除了常規(guī)的作業(yè)訓練之外，老師還可以布置一定的觀察類題目，讓同學尋找周圍的工程力學問題或者工程結構，鼓勵同學把觀察的現(xiàn)象拍照下來，帶到課堂，在討論課時間里，與同學分享，從材料力學的角度分析結構的優(yōu)缺點，提高同學學習興趣。第三，測驗和期末考試時，采用開放性題目，讓平時投入經(jīng)歷多，善于觀察、善于思考的同學，有個更好的成績，提高同學觀察和時間的積極性。

二、材料力學實踐教學案例案

1，講授組合變形時，有一個重要的知識點是壓彎組合，如果偏心壓縮，就一定是壓彎組合參見下圖1，圖1-a是典型的偏心壓縮，它相當圖1-b和圖1-c的組合。通過簡單計算就發(fā)現(xiàn)彎曲產(chǎn)生的應力遠大于壓縮產(chǎn)生的應力。同學們經(jīng)常的疑問是，為什么會出現(xiàn)偏心壓縮，能不能在制造和安裝時避免偏心壓縮。課后訓練時，讓同學觀察哪些是偏心壓縮，怎么避免偏心壓縮。有同學在討論課中，展示了拍攝的照片，圖2是停車場充電樁防雨棚，因為場地限制，無法設計成左右對稱，雨棚的壓力顯示是偏心，計算結構是左右對稱，風荷載作用下，還是存在彎曲應力。圖2中立柱受力工況是典型的壓彎組合，這說明，實踐中，某些條件下，壓彎組合不可避免，為了節(jié)省材料和經(jīng)費，不能把立柱的尺寸加大，為了降低彎曲應力，在立柱左側加上拉桿，減少立柱的彎曲，這是很科學的設計。通過這個案例，同學進一步理解壓彎組合，也學到了一種降低彎矩和彎曲應力的辦法。案例2，工程實際中，簡支梁很常見，施工也方便，但是由從簡支梁彎矩方程很容易知道，均布荷載作用下簡支梁重點的彎矩是1/8ql2。彎矩大，應力相應的就大，為了安全，要么降低外荷載，要么減少跨度。有同學觀察到，某八層教學樓的上面七層教室較寬，最下面一層，承重立柱布置向里收縮，參見結構示意圖如圖4所示,似乎浪費一部分使用面積（左側玻璃隔斷部分），A柱為什么這樣設計？課堂上，結合同學提供照片組織討論，理論學習知道簡支梁的受拉彎矩（圖5）1/8ql2，當上部壓力較大時，跨度較大時，彎矩大，引起的應力大，不能保證安全，樓層確定，上部自重基本就確定。要減少q，只能減少樓層數(shù)，這幾乎是不可能的，只好將柱子向里收縮，收縮跨度的五分之一，將簡支梁變成伸臂梁，參見圖6，則最大拉伸彎矩變成了1/40ql2，彎矩是簡支梁最大彎矩的1/5，這樣，最大應力也是簡支梁的1/5，既能保證安全，又節(jié)省材料。缺點是浪費了低樓層部分空間，但是總體上是利大于弊。這個案例幫助同學較好地學習了簡支梁、伸臂梁、最大應力及其在實踐中的應用，同學們體會深刻。在此基礎上，同學們研究發(fā)現(xiàn)，改變集中力作用方式，也能大大減少內(nèi)力和應力，參積極調(diào)動起來了，知識點也掌握的較好。

三、結語

本文在新工科背景下，在結合材料力學教學中，改變傳統(tǒng)教學方式，在課堂授課，課后訓練等方面加入實踐元素。教學實踐說明給出了組合變形和通過改變支撐條件來改變應力分布等案例，提高學生學習的積極性，授課效果良好，因此加入實踐環(huán)節(jié)的教學方法是一種有益的探索，本文的教學方式，可供其它課程教學參考。

參考文獻：

[1]張望,白英,梁麗芳.面向新工科的高校創(chuàng)新型人才培養(yǎng)路徑探究[J].高教學刊,2019（07）.

[2]柴若冰,張楠楠,任艷青.高校實踐教學模式在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中應用研究[J].河北大學成人教育學院學報,2019（02）.

[3]趙桐,潘穎.材料力學研究性教學探討[J].高等建筑教育,2012（06）.

[4]劉曉洲.結構案例法在材料力學教學環(huán)節(jié)中的應用[J].教育教學論壇,2017（06）.

[5]葉喜民,張慧峰,金玲.高校學風建設存在的問題及對策[J].新鄉(xiāng)學院學報,2019（11）.

作者：蘭四清 劉福江 單位：武夷學院