實(shí)用材料力學(xué)實(shí)踐教學(xué)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(xué)教學(xué)，探討傳統(tǒng)教學(xué)方式，實(shí)行學(xué)用結(jié)合方式，從課堂授課，課后訓(xùn)練等方面加入實(shí)踐元素，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，給出了組合變形和通過(guò)改變支撐條件來(lái)改變應(yīng)力分布等案例，教學(xué)結(jié)果表明，加入實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)方法是一種有益的探索，本文的教學(xué)方式，可供其它課程教學(xué)參考。

關(guān)鍵詞：材料力學(xué)；新工科；實(shí)踐教學(xué)

材料力學(xué)是一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課。它是各門力學(xué)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(guò)材料力學(xué)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性的計(jì)算方法，掌握材料力學(xué)的基本概念及理論，為學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)后繼課程打好必要的基礎(chǔ)。目前正在全面啟動(dòng)的新工科建設(shè)[1-2]，是為了應(yīng)對(duì)新經(jīng)濟(jì)的挑戰(zhàn)，從服務(wù)國(guó)家戰(zhàn)略，滿足產(chǎn)業(yè)需求和面向未來(lái)發(fā)展的高度的一項(xiàng)持續(xù)深化工程教育改革的重大行動(dòng)計(jì)劃。新工科建設(shè)具有反映時(shí)代特征、內(nèi)涵新且豐富、多學(xué)科交融、多主體參與、涉及面廣等特點(diǎn)。材料力學(xué)是新工科建設(shè)的重要基礎(chǔ)課。但是，材料力學(xué)教學(xué)和學(xué)習(xí)還存在諸多問(wèn)題[3-4]，其一，多年來(lái)形成的教學(xué)習(xí)慣，還是以理論教學(xué)為主，課堂講授方法、公式、定理，然后通過(guò)例題、作業(yè)、考試鞏固授課知識(shí)點(diǎn)。其二，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣不高，今年來(lái)學(xué)風(fēng)下降是不爭(zhēng)的事實(shí)[5]，傳統(tǒng)的授課方法，教學(xué)效果大打折扣。其三，相對(duì)理論力學(xué)，材料力學(xué)的先修基礎(chǔ)較差，對(duì)理論力學(xué)來(lái)說(shuō)，中學(xué)階段已經(jīng)有牛頓三大定律等知識(shí)，已經(jīng)有響應(yīng)的力學(xué)熏陶。而材料力學(xué)的應(yīng)力、應(yīng)變對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)是全新的知識(shí)點(diǎn)。因此有必要改變傳統(tǒng)的教學(xué)方式。

一、材料力學(xué)實(shí)踐教學(xué)方式

新的教學(xué)方法，以新工科為背景，強(qiáng)調(diào)學(xué)用結(jié)合，作為在校學(xué)生，“用”的機(jī)會(huì)少，但是可以通過(guò)觀察探討等方式，尋找材料力學(xué)中的重要知識(shí)點(diǎn)在工程實(shí)踐應(yīng)用，或者，用材料力學(xué)的原理解釋工程實(shí)際中的現(xiàn)象。第一，授課時(shí)，老師盡量使用工程實(shí)例，這些工程實(shí)例盡量是同學(xué)日常生活能經(jīng)常見(jiàn)到的。第二，除了常規(guī)的作業(yè)訓(xùn)練之外，老師還可以布置一定的觀察類題目，讓同學(xué)尋找周圍的工程力學(xué)問(wèn)題或者工程結(jié)構(gòu)，鼓勵(lì)同學(xué)把觀察的現(xiàn)象拍照下來(lái)，帶到課堂，在討論課時(shí)間里，與同學(xué)分享，從材料力學(xué)的角度分析結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，提高同學(xué)學(xué)習(xí)興趣。第三，測(cè)驗(yàn)和期末考試時(shí)，采用開(kāi)放性題目，讓平時(shí)投入經(jīng)歷多，善于觀察、善于思考的同學(xué)，有個(gè)更好的成績(jī)，提高同學(xué)觀察和時(shí)間的積極性。

二、材料力學(xué)實(shí)踐教學(xué)案例案

1，講授組合變形時(shí)，有一個(gè)重要的知識(shí)點(diǎn)是壓彎組合，如果偏心壓縮，就一定是壓彎組合參見(jiàn)下圖1，圖1-a是典型的偏心壓縮，它相當(dāng)圖1-b和圖1-c的組合。通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算就發(fā)現(xiàn)彎曲產(chǎn)生的應(yīng)力遠(yuǎn)大于壓縮產(chǎn)生的應(yīng)力。同學(xué)們經(jīng)常的疑問(wèn)是，為什么會(huì)出現(xiàn)偏心壓縮，能不能在制造和安裝時(shí)避免偏心壓縮。課后訓(xùn)練時(shí)，讓同學(xué)觀察哪些是偏心壓縮，怎么避免偏心壓縮。有同學(xué)在討論課中，展示了拍攝的照片，圖2是停車場(chǎng)充電樁防雨棚，因?yàn)閳?chǎng)地限制，無(wú)法設(shè)計(jì)成左右對(duì)稱，雨棚的壓力顯示是偏心，計(jì)算結(jié)構(gòu)是左右對(duì)稱，風(fēng)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(shuō)明，實(shí)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(fèi)，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(xué)的設(shè)計(jì)。通過(guò)這個(gè)案例，同學(xué)進(jìn)一步理解壓彎組合，也學(xué)到了一種降低彎矩和彎曲應(yīng)力的辦法。案例2，工程實(shí)際中，簡(jiǎn)支梁很常見(jiàn)，施工也方便，但是由從簡(jiǎn)支梁彎矩方程很容易知道，均布荷載作用下簡(jiǎn)支梁重點(diǎn)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(xué)觀察到，某八層教學(xué)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(jiàn)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示,似乎浪費(fèi)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(jì)？課堂上，結(jié)合同學(xué)提供照片組織討論，理論學(xué)習(xí)知道簡(jiǎn)支梁的受拉彎矩（圖5）1/8ql2，當(dāng)上部壓力較大時(shí)，跨度較大時(shí)，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(jiǎn)支梁變成伸臂梁，參見(jiàn)圖6，則最大拉伸彎矩變成了1/40ql2，彎矩是簡(jiǎn)支梁最大彎矩的1/5，這樣，最大應(yīng)力也是簡(jiǎn)支梁的1/5，既能保證安全，又節(jié)省材料。缺點(diǎn)是浪費(fèi)了低樓層部分空間，但是總體上是利大于弊。這個(gè)案例幫助同學(xué)較好地學(xué)習(xí)了簡(jiǎn)支梁、伸臂梁、最大應(yīng)力及其在實(shí)踐中的應(yīng)用，同學(xué)們體會(huì)深刻。在此基礎(chǔ)上，同學(xué)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(dòng)起來(lái)了，知識(shí)點(diǎn)也掌握的較好。

三、結(jié)語(yǔ)

本文在新工科背景下，在結(jié)合材料力學(xué)教學(xué)中，改變傳統(tǒng)教學(xué)方式，在課堂授課，課后訓(xùn)練等方面加入實(shí)踐元素。教學(xué)實(shí)踐說(shuō)明給出了組合變形和通過(guò)改變支撐條件來(lái)改變應(yīng)力分布等案例，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，授課效果良好，因此加入實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)方法是一種有益的探索，本文的教學(xué)方式，可供其它課程教學(xué)參考。

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作者：蘭四清 劉福江 單位：武夷學(xué)院