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材料力學(xué)是工科專業(yè)非常重要的一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課，也是構(gòu)成專業(yè)課程的基礎(chǔ)性平臺(tái)課，對(duì)學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)專業(yè)課程起著非常重要的作用。材料力學(xué)是研究材料在各種外力的作用下產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變、強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和導(dǎo)致材料破壞的原因。目前，我校材料力學(xué)教學(xué)主要存在以下問(wèn)題：教學(xué)方法死板，缺乏靈活性;批改作業(yè)方法不科學(xué);學(xué)生的積極性不高，上課氣氛不活躍;學(xué)生對(duì)類似的公式容易混淆等。材料力學(xué)與工程實(shí)際緊密結(jié)合，實(shí)用性強(qiáng)，同時(shí)課程中的概念較為抽象，理論性強(qiáng)。進(jìn)行材料力學(xué)教學(xué)方法的探討，有利于提高教學(xué)質(zhì)量，有利于培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。
1利用校園里的材料力學(xué)實(shí)例進(jìn)行教學(xué)
1.1 粉筆
粉筆主要用在課堂教學(xué)，已進(jìn)入高校的大學(xué)生對(duì)于粉筆并不陌生。但真正了解粉筆力學(xué)性能的又有多少學(xué)生呢?教師在講解拉伸壓縮、扭轉(zhuǎn)時(shí)，可以引用粉筆作為例子。粉筆是脆性材料的典型，對(duì)于脆性材料，在拉伸力較小的情況下就被拉斷，沒(méi)有屈服現(xiàn)象和縮頸現(xiàn)象，斷裂前線應(yīng)變和伸長(zhǎng)率也很小。與塑性材料相比，脆性材料拉伸力學(xué)性能最大特點(diǎn)就是斷裂前幾乎沒(méi)有塑性變形。教師在講脆性材料拉伸力學(xué)性能時(shí)，可以拿根粉筆給其中一名學(xué)生，讓學(xué)生在課堂上做一個(gè)簡(jiǎn)單的拉伸實(shí)驗(yàn)，最終的拉伸結(jié)果如圖1所示。
在講脆性材料扭轉(zhuǎn)時(shí)，多數(shù)學(xué)生無(wú)法理解為什么斷裂面為45°的螺旋面。教師還可以引用粉筆作為例子。最終，粉筆扭轉(zhuǎn)結(jié)果如圖2所示。取粉筆最前面素線上的任一點(diǎn)，其應(yīng)力狀態(tài)如圖3a所示，為純剪切單元體，其中0σσxy==，xyττ=，代入最大及最小正應(yīng)力計(jì)算公式，得：
2max2min22xyxyxyσσσσσττσ?+=±+=±
02tan2xyxyτασσ==∞
所以02α=-90°或-270°，即α0=-45°或-135°。以上求解過(guò)程表明，從x軸起，因σσxy=，故-45°(x軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn))確定主平面上的主應(yīng)力為σmax，即σ1，故得主單元體如圖3b所示。
由圖3b可知，在純剪切應(yīng)力狀態(tài)下，σστ13==，2σ=0，其中σ1為拉應(yīng)力，σ3為壓應(yīng)力。此時(shí)，粉筆表面上各點(diǎn)的σ1所在的主平面連成傾角為45°方向的螺旋面。由于脆性材料抗拉強(qiáng)度較低，所以脆性材料在扭轉(zhuǎn)時(shí)的螺旋面是由最大拉應(yīng)力σ1而引起斷裂破壞的。
1.2 紙張
紙是我國(guó)的四大發(fā)明之一，為文化傳播立下了非常卓著的功勛，煥發(fā)著自己獨(dú)特的光彩，紙張又和材料力學(xué)有什么關(guān)系呢?
選擇合理的截面形狀可以提高壓桿的穩(wěn)定性。從壓桿穩(wěn)定的歐拉公式可知，截面慣性矩I越大，臨界壓力Fcr也越大。取一張A4紙，讓其在平穩(wěn)的桌面上站立是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。如果把A4紙卷成一圓筒，則很容易實(shí)現(xiàn)紙張站立。原因在于材料遠(yuǎn)離截面形心，慣性矩I增大，提高了壓桿的臨界壓力。
但此時(shí)應(yīng)提到，也不能為了取得較大的慣性矩I，就無(wú)限制的增加圓環(huán)的直徑而減小其厚度，這將使壁厚變薄而引發(fā)局部失穩(wěn)，發(fā)生局部折皺現(xiàn)象。如：用力踩易拉罐。
引用一些可以在教室直接做實(shí)驗(yàn)的材料力學(xué)實(shí)例，可以激發(fā)學(xué)生對(duì)材料力學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)理解，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。
2列舉古今中外與材料力學(xué)有關(guān)的趣事和實(shí)例輔助教學(xué)
建于隋朝年間的趙州橋橫跨洨河南北兩岸，是當(dāng)今世界上現(xiàn)存最早保存最完整的古代敞肩石拱橋，其充分利用了石料的抗壓縮強(qiáng)度。
大家都知道，“泰坦尼克號(hào)沉船”事件是人類歷史上最悲痛的海難之一。沉船的真正原因是泰坦尼克號(hào)當(dāng)時(shí)航行速度已經(jīng)大大超出了夜間海面安全航行的最大速度，船的速度和船體的質(zhì)量形成巨大的動(dòng)能，使船體與冰山相撞產(chǎn)生極大的沖擊力，并在碰撞處產(chǎn)生巨大的局部應(yīng)力。
另外，船體上鋼板與鉚釘質(zhì)量差也是可能導(dǎo)致海難的又一原因。根據(jù)資料顯示，船體并不是正面撞在冰山上，而是側(cè)面與船體相擦，側(cè)舷船殼鋼板受到極大的擠壓應(yīng)力和剪應(yīng)力，而船殼上的鋼板是通過(guò)鉚釘進(jìn)行連接的。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，泰坦尼克號(hào)所用鉚釘?shù)牟牧狭W(xué)性能實(shí)驗(yàn)是在室內(nèi)常溫下進(jìn)行的，而這些鉚釘在低溫下的破壞應(yīng)力要遠(yuǎn)低于室內(nèi)的應(yīng)力，致使船殼破裂，船身進(jìn)水，最終沉入海底。
3應(yīng)用ANSYS軟件進(jìn)行教學(xué)
ANSYS軟件是美國(guó)ANSYS公司開(kāi)發(fā)的大型有限元分析軟件，是世界范圍內(nèi)增長(zhǎng)最快的計(jì)算機(jī)輔助工程軟件。目前，我國(guó)有百余所理工類院校采用ANSYS進(jìn)行有限元分析或作為標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)軟件。應(yīng)用ANSYS軟件可求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力。ANSYS程序中的靜力分析不僅可以進(jìn)行線性分析，也可以進(jìn)行非線性分析，如：塑性、大變形、大應(yīng)變及接觸分析等。
拉伸壓縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲的應(yīng)力和內(nèi)力、壓桿穩(wěn)定等知識(shí)都是材料力學(xué)課程的重點(diǎn)內(nèi)容。這些重點(diǎn)內(nèi)容可通過(guò)ANSYS進(jìn)行分析，得到應(yīng)力、應(yīng)變和內(nèi)力等的相關(guān)數(shù)據(jù)、動(dòng)畫(huà)或云圖。在對(duì)重點(diǎn)知識(shí)進(jìn)行講解時(shí)，通過(guò)ANSYS進(jìn)行分析，并與計(jì)算所得的理論結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，鞏固學(xué)生對(duì)重點(diǎn)知識(shí)的掌握。
以軸向拉伸時(shí)的軸力圖為例。在工程結(jié)構(gòu)中，桿件發(fā)生軸向的拉伸是非常常見(jiàn)的。軸向拉壓的受力特點(diǎn)：作用于桿件上的外力合力的作用線與桿件軸線重合，桿件變形是沿軸線方向伸長(zhǎng)或縮短。以如圖4所示的軸為例，試用ANSYS軟件繪制其軸力圖。建立軸的有限元模型(如圖5所示);添加力繪制軸力圖(如圖6所示)。
從圖6中可知，AB段上軸力為紅色區(qū)域，軸力為6000N，為拉力;BC段上的軸力為藍(lán)色區(qū)域，軸力為-12000N，為壓力;CD段上的軸力為綠色區(qū)域，軸力為-4000N，為壓力。
理論計(jì)算：由平衡方程1234FFFF++=0知，3FkN=83FkN=8。
在AB段上取截面1-1，由左段列出平衡方程110FF=N知，116FFkNN==3FkN=8，即AB段橫截面上的軸力為66kNkN。
同理，212FkNN=，34FkNN=，可見(jiàn)通過(guò)ANSYS分析所得軸力與理論計(jì)算值一致。
利用ANSYS軟件把抽象的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為形象生動(dòng)的圖形，提高學(xué)生分析數(shù)據(jù)的能力，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)的感性認(rèn)識(shí)及工程概念。借助有限元軟件的教學(xué)方法也可以拓寬學(xué)生的眼界，讓學(xué)生初步了解現(xiàn)代的計(jì)算方法。
4作業(yè)批改
作業(yè)批改是教學(xué)工作中不可忽視的一項(xiàng)重要內(nèi)容，與整個(gè)教學(xué)活動(dòng)密不可分[10]。而真正的實(shí)踐過(guò)程中，許多教師只重視作業(yè)布置，而忽視作業(yè)的批改。在對(duì)教師作業(yè)批改情況的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，部分教師在批改作業(yè)時(shí)只是用紅筆在作業(yè)本上劃對(duì)錯(cuò)號(hào)，這樣做不僅不利于學(xué)生的學(xué)習(xí)，也不利于自身教學(xué)水平的提高。
作業(yè)的重要性不言而喻。教師可以通過(guò)學(xué)生的作業(yè)及時(shí)了解學(xué)生掌握知識(shí)的情況，在課堂的講解中，重點(diǎn)講解學(xué)生作業(yè)中易錯(cuò)和學(xué)生不會(huì)的知識(shí)點(diǎn)，讓學(xué)生更進(jìn)一步的掌握知識(shí)點(diǎn)。批改作業(yè)的過(guò)程中，還可以發(fā)現(xiàn)更多不同的解法和解釋，從而發(fā)散思維，并將這中思維帶到教學(xué)中，啟發(fā)學(xué)生，教學(xué)相長(zhǎng)。
筆者所在學(xué)校材料力學(xué)理論課程總學(xué)時(shí)為64學(xué)時(shí)，共32次課，每上一次理論課，都會(huì)留給學(xué)生1～2道作業(yè)題。設(shè)定某年級(jí)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化本科某班共32名學(xué)生，每2名學(xué)生一組。作業(yè)批改時(shí)，筆者隨機(jī)抽取10本作業(yè)由教師批改，剩余的22本筆者指定某組的2名學(xué)生(相當(dāng)于教師的小助手)負(fù)責(zé)批改，并對(duì)作業(yè)進(jìn)行記錄，并分別挑出2本較好和較差的作業(yè)，進(jìn)行拍照。學(xué)生在批改作業(yè)前，教師要把作業(yè)題對(duì)這兩名學(xué)生做詳細(xì)的講解。下次課時(shí)，筆者在課堂上會(huì)面向全班同學(xué)講解上次作業(yè)的批改情況，并用PPT展示較好和較差作業(yè)的照片。同時(shí)課后答疑由批改作業(yè)的兩名學(xué)生負(fù)責(zé)，若學(xué)生無(wú)法解答的問(wèn)題，由筆者進(jìn)行答疑。通過(guò)這幾年的實(shí)踐摸索，這種做法取得了不錯(cuò)的效果，及格率大幅提升，學(xué)生的積極性也得到了充分的調(diào)動(dòng)，教師和學(xué)生共同受益。
5及時(shí)歸納總結(jié)
材料力學(xué)課程的公式特別多，筆者在講課過(guò)程中要求學(xué)生要理解公式的推導(dǎo)過(guò)程，在理解推導(dǎo)過(guò)程的基礎(chǔ)上，掌握并記住公式。材料力學(xué)課程中的很多公式相差不多，特別容易混淆，所以筆者在講課的過(guò)程中及時(shí)歸納總結(jié)。如圓軸扭轉(zhuǎn)和彎曲變形時(shí)的極慣性矩、慣性矩和抗扭截面系數(shù)、抗彎截面系數(shù)。這幾個(gè)公式特別相似，只是在數(shù)字上稍有不同(見(jiàn)表1)。
6結(jié)束語(yǔ)
材料力學(xué)是工科專業(yè)開(kāi)設(shè)的一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課程，也是一門(mén)為設(shè)計(jì)工程實(shí)際構(gòu)件提供必要理論基礎(chǔ)的重要技術(shù)課程，因此研究材料力學(xué)教學(xué)方法改革有非常重要的意義。筆者從校園里的材料力學(xué)實(shí)例、古今中外與材料力學(xué)有關(guān)的趣事與實(shí)例、借助ANSYS軟件、作業(yè)批改、及時(shí)歸納總結(jié)五方面探討材料力學(xué)教學(xué)方法的改革。通過(guò)多年的實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)筆者提出的教學(xué)方法對(duì)提高學(xué)生學(xué)習(xí)材料力學(xué)興趣，提高教師自身教學(xué)水平有較大的作用。人類社會(huì)在不斷的發(fā)展中，材料力學(xué)的教學(xué)改革也需要在不斷的實(shí)踐中根據(jù)學(xué)生的發(fā)展不斷調(diào)整和摸索，因此材料力學(xué)教學(xué)改革是一項(xiàng)長(zhǎng)期的任務(wù)。
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