李 梅

(紹興文理學(xué)院 工學(xué)院，浙江 紹興312000)

0 引言

材料力學(xué)課程是一門為工科專業(yè)學(xué)生開設(shè)的與工程實(shí)踐聯(lián)系緊密的專業(yè)基礎(chǔ)課程，它為設(shè)計(jì)工程實(shí)際構(gòu)件提供必要的理論基礎(chǔ)，是理論與實(shí)踐相結(jié)合的課程[1].學(xué)生對該課程的掌握程度對學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)知識、提升工程能力有重要影響.一直以來如何學(xué)好材料力學(xué)課程是教師和學(xué)生共同關(guān)注和思考的問題[2].在材料力學(xué)的教學(xué)過程中，教師在講解基礎(chǔ)理論、基本方法的同時，更應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用力學(xué)知識分析和解決工程實(shí)際問題的基本技能，即：既要教授學(xué)生求解具體力學(xué)問題的知識，更應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生將工程實(shí)際問題提煉成力學(xué)問題(即力學(xué)建模)的能力.

在當(dāng)前教學(xué)課時緊縮的條件下，教師如何科學(xué)有效地組織教學(xué)過程及設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)，對提高學(xué)生的工程基礎(chǔ)技能有重要的作用.本文提出一種以工程案例為導(dǎo)向組織教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)方法，下面介紹具體的教學(xué)組織過程、實(shí)施步驟和體會.

1 工程案例為導(dǎo)向的教學(xué)方法

工程案例為導(dǎo)向的教學(xué)方法是指在常規(guī)教學(xué)的同時，組織布置解決工程案例實(shí)踐問題的課程研究論文，并納入課程成績考核體系的教學(xué)方法.該方法要求學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的工程力學(xué)基礎(chǔ)知識和相關(guān)原理，對實(shí)際工程現(xiàn)象和問題進(jìn)行力學(xué)建模和計(jì)算分析，給出合理的理論解釋，并撰寫課程研究報(bào)告，以此提升解決工程實(shí)際問題的能力.

學(xué)生選擇由教師編寫的以材料力學(xué)應(yīng)用為主要內(nèi)容的工程設(shè)計(jì)題目，或者是一些與材料力學(xué)密切相關(guān)的實(shí)際生產(chǎn)生活中的力學(xué)分析題目.教師引導(dǎo)學(xué)生查閱資料，利用計(jì)算機(jī)編程計(jì)算，或應(yīng)用軟件進(jìn)行分析計(jì)算.學(xué)生在教師的指導(dǎo)下完成課程研究，撰寫課程研究報(bào)告.教師根據(jù)學(xué)生遞交的課程報(bào)告進(jìn)行評價(jià)，并將其成績納入教學(xué)考核.

2 目的和步驟明確的教學(xué)實(shí)踐

教師在課程每一章節(jié)的教學(xué)之初提出若干個工程案例，明確案例研究的目的和要求，引導(dǎo)學(xué)生帶著一定的案例任務(wù)主動學(xué)習(xí)，這樣做可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)力學(xué)的積極性，提升解決實(shí)際問題的工程素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的建模能力、計(jì)算能力和自學(xué)能力.通過教學(xué)實(shí)踐，使學(xué)生具有建立工程構(gòu)件力學(xué)模型的能力，能夠根據(jù)具體問題選擇合理的計(jì)算模型；具有計(jì)算桿件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性問題的能力，及對計(jì)算結(jié)果的合理性進(jìn)行定性判斷的能力；具有借助教材與資料自主學(xué)習(xí)相關(guān)知識和分析解決實(shí)際問題的初步能力.[3]整個教學(xué)實(shí)踐過程大致包括以下五個步驟：

(1)布置任務(wù).教師首先提出實(shí)際生活中的力學(xué)問題或者工程實(shí)踐中的力學(xué)案例，要求學(xué)生進(jìn)行力學(xué)原理的分析，或者對案例中的機(jī)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)設(shè)計(jì)或校核；同時教師宣布考核的標(biāo)準(zhǔn)與要求，講解課程研究報(bào)告的基本內(nèi)容和寫作方法.學(xué)生以5人左右為單位自由組成研究小組.

(2)提交方案.學(xué)生以組為單位提交初步研究方案，明確所用的力學(xué)原理和力學(xué)模型，擬定進(jìn)一步的研究方案和技術(shù)路線.

(3)點(diǎn)評方案.教師對學(xué)生的方案進(jìn)行批閱，點(diǎn)評其中的優(yōu)秀方案和不合格方案，通過對比讓各組學(xué)生進(jìn)一步明確研究內(nèi)容，優(yōu)化方案，鼓勵學(xué)生主動查閱資料，主動學(xué)習(xí)與案例相關(guān)知識.

(4)撰寫報(bào)告.學(xué)生對照規(guī)范格式撰寫課程報(bào)告，整理分析數(shù)據(jù)，給出設(shè)計(jì)步驟，得出結(jié)論.

(5)評價(jià)考核.由教師根據(jù)學(xué)生遞交的方案和報(bào)告進(jìn)行綜合打分，計(jì)入學(xué)期考核成績.

3 教學(xué)實(shí)施的具體案例

基于工程案例研究的教學(xué)方法的實(shí)施關(guān)鍵在于選取合適的案例.教學(xué)過程中選取的案例主要分為三大類型：一類案例來自生活實(shí)踐中的與課程內(nèi)容有關(guān)的力學(xué)現(xiàn)象，這類案例比較接近學(xué)生的日常生活，對學(xué)生的要求是能用力學(xué)原理解釋實(shí)例中的現(xiàn)象，認(rèn)識到力學(xué)和我們的生活有密切聯(lián)系；第二類案例是工程事故案例，來自教師收集的一些國內(nèi)外安全事故，要求學(xué)生了解和掌握發(fā)生安全事故的原因；第三類案例是教師編寫的與專業(yè)結(jié)合的材料力學(xué)設(shè)計(jì)案例，要求學(xué)生能建立力學(xué)模型，能進(jìn)行力學(xué)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)計(jì)算，并最終撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告.這三類案例來源不同，對學(xué)生的要求不同，教學(xué)作用相互補(bǔ)充，從了解工程實(shí)際問題入手，逐步深入，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，克服“閉門學(xué)習(xí)”的缺點(diǎn)，從而最終達(dá)到提升工程力學(xué)能力素養(yǎng)的目的.

下面幾個是在教學(xué)過程中應(yīng)用的案例，分別代表上述三種案例類型.

3.1 第一類案例——身邊的力學(xué)現(xiàn)象

咽喉頂槍表演是由兩個表演者用咽喉頂住長槍鋒利的槍尖，在表演者的壓力作用下，長槍慢慢變彎，最后甚至折斷，場面驚險(xiǎn)刺激，難道表演者真的有硬氣功嗎？[4]——這是表演者利用了材料力學(xué)中的壓桿穩(wěn)定性原理，應(yīng)用歐拉公式能解釋說明這個現(xiàn)象.

古代寓言“七根筷子”說的是，7根筷子分開來時很容易被折斷，可一旦綁在一起，就很難輕易將它們折斷，體現(xiàn)了團(tuán)結(jié)的力量.從力學(xué)角度分析，折斷7根筷子所用的力量是折斷1根筷子的多少倍？設(shè)筷子是一個直徑為D的圓截面桿.[5]——這是一個關(guān)于彎曲強(qiáng)度的實(shí)例.

3.2 第二類案例——安全事故案例

我們都知道機(jī)場有驅(qū)鳥裝置和專門人員，為的是保證飛行安全，小小的鳥兒撞上高速運(yùn)行的飛機(jī)，產(chǎn)生的瞬間撞擊力足以使飛機(jī)擋風(fēng)玻璃破碎，產(chǎn)生重大危險(xiǎn).高鐵作為目前速度僅次于飛機(jī)的大眾交通工具，也會產(chǎn)生類似的問題嗎？2013年6月2日中午，一列由杭州南開往北京的G38次高鐵，在鎮(zhèn)江被一只鳥撞到了擋風(fēng)玻璃，導(dǎo)致玻璃大面積開裂.我們可以大致計(jì)算一下飛鳥撞擊高速運(yùn)行中的動車的沖擊力度，如果以列車目前的最高時速300 km/h來計(jì)算，那么一只0.25 kg重的鴿子，撞上前擋風(fēng)玻璃后，其作用力可以達(dá)到5 000 N左右，即使列車速度稍慢一點(diǎn)，估計(jì)也有3 000 N左右的力，也就是相當(dāng)于用約300 kg的重物砸在玻璃上.飛鳥之所以這么“厲害”，還因?yàn)樗c前擋風(fēng)玻璃接觸的時間短.物體的接觸時間越短，速度越快，質(zhì)量越大，那么對玻璃產(chǎn)生的沖擊力也就越大.——這個事故案例可以用沖擊載荷的力學(xué)原理來解釋.

2010年6月2日上午，杭州錢江新城萬象城南側(cè)的工地現(xiàn)場，一座正在作業(yè)的塔吊發(fā)生了攔腰折斷的事故.經(jīng)過初步了解，這是一幢在建的超高層建筑工地，目前地面建筑高度約30 m左右，發(fā)生事故的塔吊高60 m，臂展70 m，最大起吊負(fù)荷3.5 T.據(jù)目擊事故的工人稱，當(dāng)時該塔吊正在起吊一捆鋼筋，捆綁鋼筋的鋼纜突然崩斷，導(dǎo)致整座塔吊失穩(wěn)搖晃，并在離地約25 m處攔腰折斷倒伏.教師要求學(xué)生分析判斷造成這起塔吊折斷事故的主要原因是什么,是吊車超載？構(gòu)件內(nèi)存在損傷隱患？機(jī)械故障？還是偶然的意外因素？為什么事故會造成塔身中部被攔腰折斷，而不是受軸向壓力最大的塔體底部？捆綁鋼筋的鋼纜突然崩斷與事故是否有直接關(guān)系？可能產(chǎn)生什么性質(zhì)的問題？

3.3 第三類案例——材料力學(xué)設(shè)計(jì)案例

某單缸柴油機(jī)曲軸結(jié)構(gòu)如圖2所示，材料為QT450-5，已知其結(jié)構(gòu)尺寸以及材料的[σ]，μ和E，右端輸入轉(zhuǎn)矩為M，曲軸頸中點(diǎn)作用有切向力Ft和徑向力Fr.要求畫出曲軸的內(nèi)力圖，并校核曲柄臂的強(qiáng)度.

4 教學(xué)實(shí)施的體會

基于工程案例研究的教學(xué)方法與常規(guī)教學(xué)方法相比有一些創(chuàng)新和優(yōu)勢，在機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)111班和112班的教學(xué)過程中，我們初步嘗試實(shí)施該教學(xué)方法，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，課堂教學(xué)氣氛濃郁，總體教學(xué)效果較好.

首先，基于工程案例研究的教學(xué)方法是一種切實(shí)可行的教學(xué)方法，對應(yīng)用型人才培養(yǎng)的效果非常明顯，學(xué)生的工程能力得到明顯提升.

其次，實(shí)施該教學(xué)方法教師必須認(rèn)真選取工程案例，有明確的要求和目標(biāo)，給學(xué)生布置案例任務(wù)時一定要有序展開，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容逐步推進(jìn)，每一章安排若干個力學(xué)分析題目，所有的教學(xué)內(nèi)容都學(xué)完之后再安排一個與專業(yè)相關(guān)的力學(xué)設(shè)計(jì)題目.

第三，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和實(shí)事求是的精神.通過工程案例，學(xué)習(xí)力學(xué)建模過程和解決實(shí)際問題方法，或?qū)W會用力學(xué)原理解釋案例中的各種現(xiàn)象，拓展知識，提高他們的工程素養(yǎng).

參考文獻(xiàn)：

[1]劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2011.

[2]胡海巖.對力學(xué)教育的若干思考[J].力學(xué)與實(shí)踐，2009,31(1):70-72.

[3]嚴(yán)慕容，許靜靜，段潔利，等.工程力學(xué)課程素質(zhì)教育探索與實(shí)踐[J].高等建筑教育，2012，21(6)：61-63.

[4]李峰.材料力學(xué)案例[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[5]李峰.從實(shí)踐中挖掘基礎(chǔ)教學(xué)的活力[J].高等教育研究，1992(2)：46.