宋向榮　吳杰　姜文安

摘 要 材料力學(xué)課程教學(xué)改革的實踐越來越重視學(xué)生工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在教學(xué)實踐中，結(jié)合工程案例，讓學(xué)生通過建立模型、簡化計算、工程測試、匯報答辯等環(huán)節(jié)，小組分工合作完成綜合實踐作業(yè)，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。

關(guān)鍵詞 材料力學(xué)；工程案例；綜合實踐教學(xué)；卓越工程師

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）08-0141-03

1 引言

材料力學(xué)課程是工科院校機械類、土建類、交通運輸類等較多專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，是學(xué)生接觸專業(yè)知識和工程領(lǐng)域的先導(dǎo)課程，將材料力學(xué)課程教學(xué)與培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力相結(jié)合，具有重要意義。國家開展卓越工程師教育培養(yǎng)計劃，也旨在培養(yǎng)適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展需要的創(chuàng)新能力強的高質(zhì)量工程技術(shù)人才，對材料力學(xué)課程教學(xué)實踐提出新的要求。

以往力學(xué)課程教學(xué)以理論嚴密、邏輯性強為特點，強調(diào)學(xué)生的理論基礎(chǔ)和數(shù)理邏輯能力。近年來，隨著高校教育教學(xué)改革的不斷深入與廣大教師的不斷實踐，越來越重視學(xué)生的工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。但在教學(xué)中如何將工程實踐知識與學(xué)生動手能力和實際應(yīng)用能力相結(jié)合，還需多做探索。部分教師在開展科研項目研究時讓學(xué)生參與，但發(fā)現(xiàn)學(xué)生的基礎(chǔ)還沒達到要求，并且學(xué)生在學(xué)完課堂內(nèi)容后覺得作業(yè)習(xí)題大多偏重理論，與工程應(yīng)用還有距離。

筆者在長期教學(xué)積累和科研合作中，提煉了部分與材料力學(xué)課程知識結(jié)合緊密的工程案例，使學(xué)生在完成工程實踐綜合作業(yè)的過程中，重點培養(yǎng)材料力學(xué)課程知識的應(yīng)用能力、團結(jié)協(xié)作與動手能力，引導(dǎo)學(xué)生參與工程實踐及科研項目，提高學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新素質(zhì)。

2 結(jié)合工程案例的綜合實踐作業(yè)設(shè)計

材料力學(xué)課程綜合實踐作業(yè)的教學(xué)目的可以概括為培養(yǎng)學(xué)生提煉力學(xué)模型的能力，提高學(xué)生解決實際工程問題的能力，提高學(xué)生自我學(xué)習(xí)的能力，培養(yǎng)和提高學(xué)生組織協(xié)作的能力，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維方法和研究能力，鍛煉學(xué)生分析總結(jié)和表達能力。

材料力學(xué)課程綜合實踐作業(yè)的設(shè)計一般要求結(jié)合一定工程背景，提供相應(yīng)圖紙、參數(shù)、工作原理等，鍛煉學(xué)生讀懂圖紙、提煉力學(xué)模型的能力；綜合實踐作業(yè)的內(nèi)容結(jié)合專業(yè)知識、工程實例或相關(guān)后續(xù)課程，列出一定的參考書及參考文獻，需要學(xué)生學(xué)會閱讀、自主學(xué)習(xí)；綜合實踐作業(yè)的設(shè)計一般采取開放式的結(jié)論，給定設(shè)計參數(shù)讓學(xué)生分析研究方案，或給定必要功能進行相關(guān)參數(shù)的設(shè)計。

材料力學(xué)課程綜合實踐作業(yè)的形式可以分為與課程內(nèi)容相關(guān)的可以讓學(xué)生直接參與的課題、從工程實際中提煉的力學(xué)近似計算、結(jié)合工程問題的開放選修實驗、學(xué)生自主選題的大學(xué)生創(chuàng)新項目、群體性參與的趣味力學(xué)競賽等。限于篇幅，這里僅列舉幾個材料力學(xué)綜合實踐作業(yè)案例。

案例1：錨鏈環(huán)拉伸試驗與分析 某型號的錨鏈環(huán)如圖1所示，需進行拉伸試驗以檢驗錨鏈單環(huán)承受的最大載荷、最大應(yīng)變以及錨鏈環(huán)的變形等。試驗載荷從520 kN分20個加載步到7460 kN然后卸載，采用電測法進行應(yīng)變測試，實測時確定的應(yīng)變片布置方案如圖1所示。

要求：1）根據(jù)錨鏈環(huán)的結(jié)構(gòu)圖紙，確定錨鏈單環(huán)的力學(xué)模型，分析錨鏈環(huán)拉伸的應(yīng)力分布；2）根據(jù)應(yīng)變測試方案確定試驗步驟，分析應(yīng)變測試方案的合理性；3）少部分學(xué)生參與現(xiàn)場測試；4）已知各載荷步下各測點的實測應(yīng)變，分析試驗結(jié)果，得到簡要結(jié)論。

該案例考查的學(xué)生的知識和能力包括：1）對內(nèi)超靜定結(jié)構(gòu)的受力和應(yīng)力分析的能力；2）電測理論，如何應(yīng)用電橋理論得到錨鏈環(huán)拉伸時的拉伸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力；3）通過參與現(xiàn)場測試鍛煉學(xué)生的動手能力，增長學(xué)生的工程見識；4）對測試數(shù)據(jù)的處理和分析能力，直接感受工程測試與理論分析的差別。

案例2：張弦桁架結(jié)構(gòu)張拉應(yīng)力測試與分析 某體育館張弦桁架結(jié)構(gòu)見圖2，最大跨度115米，單榀最大重量約128噸，張拉過程是施工的關(guān)鍵項目。以某一榀桁架為例，需對張拉過程中桁架關(guān)鍵部位的應(yīng)力進行監(jiān)測。

要求：1）根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)施工圖紙，用力學(xué)知識建立單榀桁架的力學(xué)模型；2）對模型進行簡化，得到材料力學(xué)中的超靜定結(jié)構(gòu)；3）簡要分析單榀桁架的應(yīng)力監(jiān)測關(guān)鍵部位；4）參觀工地，參觀張拉過程；5）對應(yīng)力、結(jié)構(gòu)變形等監(jiān)測數(shù)據(jù)進行簡要分析，與施工前的分析進行對比，分析差別的原因；6）預(yù)測溫度對結(jié)構(gòu)的影響，提出驗證方法。

這是一個實際工程問題，通過布置綜合實踐作業(yè)的方法讓學(xué)生在施工前就提前參與，使學(xué)生對課程的工程應(yīng)用有了更加深刻的認識。再由于工程缺少工程經(jīng)驗，學(xué)生分析后確定的監(jiān)測點與項目方案存在偏差，但通過施工現(xiàn)場的分析講解，對結(jié)構(gòu)施工直觀了解，培養(yǎng)了學(xué)習(xí)積極性。

案例3：某雙體客船螺旋槳軸系的強度計算 某長江短途客船已知主機額定功率為190 kW，額定轉(zhuǎn)速1000 r/min，

總減速比2.89，軸的轉(zhuǎn)速346 r/min，螺旋槳推力2350 kg，

螺旋槳重量200 kg，材料35#鋼，聯(lián)軸節(jié)重量42.8 kg，法蘭重量28.5 kg，屈服極限270 MPa，許用安全系數(shù)[k]=

2.5～5.5，圓齒輪箱裝有推力軸承，可承受2600 kg的推力，滿足本船實際推力2350 kg的要求。在強度計算時，為偏于安全，將前端視為自由端。船舶軸系一般是一個變截面連續(xù)梁，在聯(lián)軸節(jié)處作用集中載荷，將它簡化為分段等截面連續(xù)梁，如圖3所示。

要求：1）按分段等截面連續(xù)簡化法，完成基本數(shù)據(jù)表；

2）按力矩分配法，計算各節(jié)點的彎矩，計算分配系數(shù)、固定端外力矩，用列表的方式進行力矩分配法計算（分配13次）；3）求節(jié)點處的剪力和支座反力；4）用三彎矩方程計算節(jié)點處彎矩校核力矩分配法的結(jié)果；5）畫軸系受力簡圖、軸力圖、扭矩圖、剪力圖和彎矩圖；6）按第四強度理論，對危險截面用安全系數(shù)法進行強度校核。

通過該案例的計算，學(xué)生在復(fù)習(xí)和熟悉材料力學(xué)課程內(nèi)容外，增強了綜合計算及綜合應(yīng)用能力，提前接觸了專業(yè)知識、行業(yè)規(guī)范以及工程術(shù)語，掌握了力學(xué)模型的簡化及計算方法，進一步認識到材料力學(xué)課程在工程中的實際應(yīng)用。

案例4：八角環(huán)式車削測力儀的測力計算 八角環(huán)式彈性元件見圖4，要求：1）將八環(huán)式彈性元件簡化為兩端固定的圓環(huán)式曲桿；2）用力法正則方程求解三個垂直方向力單獨作用下的超靜定問題，求解剛化桿中間截面上各自的內(nèi)力（作為多余約束力），寫出曲桿的彎矩和軸力方程；3）以

大曲率曲桿計算各測點上的正應(yīng)力，并計算理論讀數(shù)；4）分

析每組布片和接線圖，說明理由；5）分別計算理論讀數(shù)值與實驗讀數(shù)的誤差；6）進行誤差分析。

該案例是一個典型的力學(xué)方法應(yīng)用案例，涉及曲桿超靜定計算、力與變形及應(yīng)變之間的關(guān)系、電測法測試應(yīng)力、橋路應(yīng)用等知識，進一步促使學(xué)生綜合應(yīng)用課程知識。

3 材料力學(xué)綜合實踐作業(yè)的教學(xué)實踐

由于課程教學(xué)時數(shù)不斷減少，在時間安排上，一般一次綜合實踐作業(yè)占用3學(xué)時的課內(nèi)時間。其中1學(xué)時用于布置任務(wù)、講解基本要求，確定分組和組內(nèi)分工，明確小組負責(zé)人和完成時間節(jié)點，最后占用2學(xué)時進行答辯。其余為課外時間完成，包括學(xué)生查閱資料、完成作業(yè)、輔導(dǎo)答疑等。這樣做到了課內(nèi)教學(xué)與課外學(xué)習(xí)的有益結(jié)合。

一般一學(xué)期有2～3次綜合實踐作業(yè)，在教學(xué)過程中，結(jié)合每學(xué)期的實際情況及項目情況，每年的內(nèi)容和要求會略有不同。由于綜合實踐作業(yè)難度較大、要求較高，每次作業(yè)按學(xué)生自愿的原則結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)程度分組，一般4～6人一組，要求小組內(nèi)明確分工與合作。小組分工包括查閱文獻、建立模型、計算、繪圖、完成報告、制作答辯PPT等。

考核是綜合實踐作業(yè)的另外一個重要環(huán)節(jié)，作為課程的一個重要組成部分，綜合實踐成績被記入課程考核內(nèi)容?？己藘?nèi)容包括：小組分工情況，考察每個學(xué)生參與程度及完成工作量；完成一份作業(yè)總結(jié)報告，報告內(nèi)容要求條理清楚，詳盡描述小組分工、完成過程、研究思路、研究方法和結(jié)論；項目答辯，要求每組派一個代表匯報答辯，其余學(xué)生接受問詢考核，對每位學(xué)生分別給分。

在綜合實踐作業(yè)的實施過程中，大部分學(xué)生能積極配合，學(xué)有余力的學(xué)生在圖書館和網(wǎng)上查閱大量文獻，并在與教師的交流過程中學(xué)習(xí)到大量課堂以外的知識；也有少量學(xué)生不很熱心，渾水摸魚。另外，綜合實踐作業(yè)占用學(xué)生大量的課外時間，需要進一步合理安排課堂教學(xué)與課外教學(xué)的時間關(guān)系。在考核內(nèi)容和考核方式以及激勵措施方面，材料力學(xué)綜合實踐作業(yè)的教學(xué)實踐還需進一步完善。

4 結(jié)語

材料力學(xué)課程是工科類各專業(yè)學(xué)生由基礎(chǔ)課程向?qū)I(yè)課程過渡的先導(dǎo)課程，對培養(yǎng)學(xué)生工程基礎(chǔ)和實踐能力起到重要影響。在材料力學(xué)課程教學(xué)過程中，結(jié)合實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)是當(dāng)代大學(xué)教育改革的一個必然趨勢，很多教師和同行都提出許多很好的方法。本文僅是教學(xué)過程中的一個小的實踐，在結(jié)合工程實際合理選題、優(yōu)化課堂教學(xué)內(nèi)容與課外學(xué)習(xí)之間的關(guān)系、培養(yǎng)和調(diào)動學(xué)生參與積極性等方面還需不斷改進。筆者希望通過本文起到一個拋磚引玉的作用，得到同行的批評指正。