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(jié)合材料力學教學，探討傳統(tǒng)教學方式，實行學用結(jié)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(yīng)力分布等案例，教學結(jié)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(guān)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(shù)基礎(chǔ)課。它是各門力學課程的基礎(chǔ)，并在許多工程技術(shù)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。通過材料力學的學習，使學生掌握構(gòu)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(guān)后繼課程打好必要的基礎(chǔ)。目前正在全面啟動的新工科建設(shè)[1-2]，是為了應(yīng)對新經(jīng)濟的挑戰(zhàn)，從服務(wù)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(shè)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(shè)的重要基礎(chǔ)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(chǔ)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(yīng)的力學熏陶。而材料力學的應(yīng)力、應(yīng)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(jié)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(yīng)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(yīng)力遠大于壓縮產(chǎn)生的應(yīng)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(shè)計成左右對稱，雨棚的壓力顯示是偏心，計算結(jié)構(gòu)是左右對稱，風荷載作用下，還是存在彎曲應(yīng)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(yīng)力，在立柱左側(cè)加上拉桿，減少立柱的彎曲，這是很科學的設(shè)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(yīng)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(yīng)力相應(yīng)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(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示,似乎浪費一部分使用面積（左側(cè)玻璃隔斷部分），A柱為什么這樣設(shè)計？課堂上，結(jié)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力及其在實踐中的應(yīng)用，同學們體會深刻。在此基礎(chǔ)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(yīng)力，參積極調(diào)動起來了，知識點也掌握的較好。

三、結(jié)語

本文在新工科背景下，在結(jié)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(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)案例法在材料力學教學環(huán)節(jié)中的應(yīng)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(shè)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