《材料力学》课程教学改革与实践

陈云信

（江汉大学机电与建筑工程学院，湖北武汉430056）

《材料力学》课程教学改革与实践

陈云信

（江汉大学机电与建筑工程学院，湖北武汉430056）

根据学生实际和《材料力学》课程的特点，对《材料力学》课程教学方法改革进行了探索和实践。通过类比教学法、教学中注意理论联系实际、在材料力学教学中运用数值分析软件ANSYS、分层次教学等途径进行教学，提高了学生的学习积极性，改变了学生理解难、记不住、不会用的状态，对于培养学生的学习能力、实践能力和利用力学知识解决实际工程问题的能力有积极意义。

材料力学；类比教学法；数值分析软件；分层次教学

《材料力学》课程是江汉大学机电与建筑工程学院材料成型及控制工程、机械设计制造及其自动化、汽车服务工程等专业重要的专业基础课之一，是学习《机械原理》、《机械设计》等后续课程的重要基础，是解决工程实际问题的重要方法和手段。该课程具有理论概念性强，方法技巧性要求高的特点，学生普遍反映该课程概念公式多、理解难、记不住、不会用。笔者针对《材料力学》课程的特点和学生的实际情况，对《材料力学》课程教学方法改革进行了探索和实践。

1 类比教学法

类比教学法是将学生未知的知识点与已知的知识点进行对比，找出两者之间相同和相似的地方，使学生既能加深对已有知识点的记忆和理解，又能使复杂未知的新知识点变得容易理解和掌握，达到事半功倍的效果［1］。类比思维是寻求解决新问题与发现新结论的一种有效的思维方法，在教学中通过精心设计，因势利导，将问题进行横向拓宽和纵向深入，对发展学生的创新思维无疑是十分有益的。例如，《材料力学》中各种变形的应力公式：轴向拉伸与压缩，正应力：；扭转变形，切应力：

2 教学中注意理论联系实际

《材料力学》不仅是《机械原理》、《机械设计》等后续课程的重要基础，也是解决工程实际问题的重要方法和手段，所以在教学中注意理论联系实际，对于培养学生的工程实践能力尤为重要。

2.1 工程中的力学问题

泰坦尼克号沉船事件是学生很熟悉的一个灾难性事件，在学习第二种基本变形剪切时，引导学生去分析泰坦尼克号沉入大西洋的原因。泰坦尼克号在与冰山接触时是冰山的尖端与船壳钢板相擦，钢板受到很强的剪切与挤压应力。在船壳受到冰山挤压时，壳体钢板间的连接件铆钉承受了非常大的剪切应力，即便船体钢质量再好，当铆钉材料不具备抵抗高剪切应力时也会造成断裂。实际上，铆钉在实验室是做过材料力学性能试验的，只是连接件铆钉的材料力学性能试验是在常温下进行的，其抗破坏的应力的数据是常温下得到的，铆钉由于自身内在质量的原因，其在零度以下的破坏应力值要远远低于室温下的破坏应力，所以铆钉这种连接件发生了剪切破坏，铆钉承受的很高的剪切应力造成船体裂缝，并且长达6个船舱之多，当6个船舱全部进满水后，船体的头尾就失去了平衡，头重尾轻，船体尾部翘起导致船从中间弯曲断裂（见图1），最后沉入大西洋底[2]。

图1 断裂的泰坦尼克号Fig.1 The Titanic fracture

在讲授提高梁强度的措施时，让学生自己设计，通过改进设备装置，让工厂车间里起吊质量只有5 t的吊车（见图2）吊起10 t的重物（见图3），将新学的知识用在解决工厂的实际问题中，使学生更深层次地认识到力学学习的重要性和材料力学的实践意义［3］。

图2 起吊质量有5 t的吊车Fig.2 Crane of lifting 5 t

图3 起吊质量有10 t的吊车Fig.3 Crane of lifting 10 t

2.2 身边的力学问题

在《材料力学》课程教学过程中，还要善于利用材料力学的知识分析身边的诸多结构，并与课堂教学相互融合。例如，在讲解提高弯曲梁强度时，让学生观察教室屋顶横梁的截面放置情况，讨论其合理性，并用材料力学知识来说明理由；在学习应力状态分析部分，通过让学生观察粉笔的拉断和扭断的横截面情况，分析脆性材料受到破坏的原因；在学习强度理论时，提出这样的问题：水管在冬天常有冻裂现象，根据作用与反作用原理，水管壁与管内所结冰之间的相互作用力应该相等，为什么结果不是冰被压碎而是往往水管冻裂？让学生通过讨论弄清楚是因为冰与水管的应力状态不同，管内冰处于三向受压应力状态，不易破坏，水管处于二向受拉，铁的抗拉强度低，故易脆断。这些例子既简单易行，又趣味横生，使学生感觉到力学无处不在，有利于提高学生的学习积极性，更好地掌握知识，提高能力。

3 教学中善于运用数值分析软件ANSYS

ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法的计算机程序，是一个数值分析软件，这个软件可以用来解决结构、流体、电力、电磁领域以及碰撞等问题。将数值分析软件ANSYS引入《材料力学》课程的教学环节中，利用其强大的建模和分析功能，演示材料力学过程以及问题分析过程。更重要的是可以充分利用ANSYS中的后处理模块功能，来动态显示结构从加载到变形直至破坏的整个过程，这可以理解成把力学实验室随时搬到课堂，很方便地进行现场演示。并且ANSYS软件模拟材料力学实验过程，还不需要易耗品。学生可以在反复观察实验的过程中对一些力学现象进行深入的探索、研究。通过ANSYS软件对构件各种力学行为的模拟仿真，既能提高学生的学习兴趣，又能增强学生对工程实际的感性认识［4］。

以车用发动机曲轴的有限元分析为例，说明ANSYS的功能。运用ANSYS软件，很容易得到发动机曲轴的三维模型（见图4）；将曲轴的三维模型进行网格划分，得到发动机曲轴的网格划分图（见图5）；通过加载运算后，得到发动机曲轴的变形形状图（见图6），同时也可以得到发动机曲轴的位移分布等值线图、发动机曲轴的应力分布等值线图（见图7、图8）。在通过应力计算后ANSYS提供的云图中很容易看出，应力集中部位发生在曲柄臂与主轴颈、曲柄臂与连杆轴颈的过渡圆角的位置，这与实际情况相吻合，这些地方连接处的过渡圆角，以及轴颈油孔边缘是应力集中最为严重的部位，是曲轴产生疲劳断裂最危险的地方。因此可以看出ANSYS软件强大的后处理功能可以让比较抽象的应力等形象化，对促进学生对材料力学实质内涵的理解起到了很大的作用。

图4 发动机曲轴的三维模型Fig.4 Three-dimensional model of engine crankshaft

图5 发动机曲轴的网格划分图Fig.5 Mesh map of engine crankshaft

图6 发动机曲轴的变形形状图Fig.6 Engine crankshaft deformation shape graph

图7 发动机曲轴的位移分布等值线图Fig.7 Contour map of displacement distribution of engine crankshaft

图8 发动机曲轴的应力分布等值线图Fig.8 Contoue map of stress distribution of engine crankshaft

4 分层次教学

江汉大学是一所应用性大学，培养出来的大多数学生需要有比较强的分析解决具体工程问题的能力，也有些同学会进一步深造，做一些研究性的工作。在平时的教学中，要特别注意兼顾这两类同学的需求，在做好基于解决实际问题的基础教育的前提下，对力学有兴趣并且学有余力的同学，从深度和广度两方面进行加强，让这部分学生在力学竞赛或者考研的力学课程中能得心应手；另外，也可以引导对力学感兴趣的同学在毕业设计中做一些机械零部件的有限元分析。通过这样的分层次教学，做到因材施教，取得了较好的教学效果，学生除了常规期末考试成绩优秀，解决工程问题的能力也得到提高。

5 结语

在《材料力学》课程教学中将类比教学法、理论联系实际、引入数值分析软件ANSYS、分层次教学等运用于教学实践，取得了良好的教学效果。有学生在参加第九届全国周培源大学生力学竞赛中获得三等奖，有多名学生考取了985、211重点高校力学专业的研究生。通过教学改革实践，改变了学生对《材料力学》课程概念理解难、记不住、不会用的状况，极大地激发了学生学习《材料力学》课程的积极性，提高了学生分析问题和解决问题的能力。

（References）

［1］张豫，胡枕戈.材料力学教学中的类比教学法［J］.华东交通大学学报，2007（B12）：88-90.

［2］孙洪军.以力学课程为载体培养学生认知实践和开拓创新的能力［J］.辽宁工业大学学报：社会科学版，2009，11（4）：124-128.

［3］陈云信，夏燕.工程力学［M］.武汉：武汉大学出版社，2013.

［4］林红，胡玉林，薛世峰.ANSYS在工科材料力学教学中的应用［J］.电脑学习，2011（1）：15-17.

（责任编辑：强士端）

Teaching Reform and Practice on Course of Mechanics of Materials

CHEN Yunxin
（School of Electromechanical and Architectural Engineering，Jianghan University，Wuhan 430056，Hubei，China）

According to the reality of students and the feature of mechanics of materials course,to ex⁃plore and practice the teaching reform of mechanics of material course.Through analogical teaching method,combination of theory and practice in teaching,using numerical analysis software ANSYS, different levels teaching,and so on,improves the learning enthusiasm of students,changes the states of hard to understand,remember and use,this study has positive significance for training the study capability,practice capability and the capability to solve real engineering problem of the students.

mechanics of materials；analogical teaching method；numerical analysis software；dif⁃ferent levels teaching

O341

A

1673-0143（2014）04-0040-05

2013-09-11

陈云信（1972—），女，副教授，硕士，研究方向：理论力学、材料力学。