材料力学课程教学改革与实践探讨

孔祥清, 曲艳东, 李 韧, 贾艳东, 章文姣

(辽宁工业大学 土木建筑工程学院力学教研室, 锦州 辽宁 121001)

材料力学课程教学改革与实践探讨

孔祥清, 曲艳东, 李 韧, 贾艳东, 章文姣

(辽宁工业大学 土木建筑工程学院力学教研室, 锦州 辽宁 121001)

本科教育相较于研究生教育,一般注重于专业基础理论知识的学习,而容易忽视对学生创新能力的培养及创新实践的指导。结合工科类专业“材料力学”课程的教学实践,围绕课程教学内容、方法及手段进行了与时俱进的教学内容、与科研项目相结合的研究型教学模式、基于虚拟仿真实验教学平台的教学手段等多方面的教学改革与实践探讨,在加强理论学习的同时,着重培养学生的创新思维能力和工程实践能力,努力培养高素质创新型力学人才。

材料力学； 研究型教学； 虚拟仿真实验

作为工科专业的重要技术基础课程之一,材料力学的主要任务是研究构件在外载荷作用下的强度、刚度、稳定性等问题,在培养学生的基础理论知识、工程认知和结构设计等方面有非常重要的作用[1-3]。该课程内容较多,课时相对较少,逻辑性、系统性及实践性较强。尤其是近几年来,随着现代科学技术的飞速发展,材料力学与计算机及先进测试分析技术相结合,不断涌现出新的课题和研究领域,从而使其研究方法、内容及实验手段发生了很大变化[4-5]。本文从与时俱进的课程内容、以任务导入式为代表的研究型教学方法,以及与先进虚拟仿真技术相融合的实验教学手段这3个方面，对工科类材料力学教学体系进行改革和实践。

1 与时俱进的教学内容改革

首先,我们在课程体系上对教学内容进行了多方面的整合,在保留原有经典教学内容的基础上,尽可能提高该课程的起点,避免重复、精炼内容、调整课程结构体系,并根据专业特色在知识的深度与广度方面加以拓展与延伸,在讲述经典内容基础上穿插引入新的教学内容,包括反应近代力学发展的新概念、新理论及新方法,突出力学问题的工程运用、现代设计方法、结构建模与分析方法、结构优化设计与可靠性分析、钢结构中压杆极值点失稳及其稳定校核方法等。在传授知识的同时注重培养提高学生综合能力,激发学生学习兴趣和创新意识,使材料力学教学更加符合学生的认知规律,提高教学效率。并注重将课程基础知识与先进科技成果相结合,及时将目前具有代表性的科研成果引入到课堂教学中,注重培养学生的创新意识。

其次,利用先进计算机技术,积极引进Anysys、Abaqus等数值分析软件,突出学生建模和数值分析能力的培养。材料力学由于公式多、概念多、知识抽象,对有些知识点,学生普遍反映很难理解和掌握。而数值分析软件由于具有良好的人机交互界面及功能强大的前后处理功能,可以把杆件在不同外力和变形条件下的应力及应变等分析结果,以图片或动画的形式显示,故将其引入材料力学可以很好地帮助学生对基础理论进行理解和把握。为此,我们基于这些常用有限元分析软件,在课堂教学中引入了简单的数值分析理论和4个学时的Anysys上机实验,指导学生模拟分析了拉压、扭转、弯曲、压杆稳定、圣维南原理以及应力集中等一些典型基本变形和复杂力学现象,不仅开阔了学生视野、丰富了课堂内容、增强了学生对材料力学知识的理解,又使学生了解熟悉了工程常用的结构计算分析软件,为将来解决工程实际问题打下坚实的基础。图1为学生利用有限元分析软件Anysys模拟分析的泡沫铝夹心梁受力弯曲时的变形图和跨中界面的有效应力云图,通过该图可以一目了然地看出梁不同位置处的变形程度及应力值的分布和大小。

图1 泡沫铝夹芯梁的弯曲变形分析

2 与科研项目相结合的研究型教学模式

随着科技的飞速发展,现代社会对于创新人才的需要提出了更高的要求。培养具有创新精神和工程实践能力的综合型人才已成为目前大学,尤其是工科类大学的重要使命[6]。实践证明,由传统的知识传授型教学模式转变为研究型教学模式已成为能显著提高学生综合素质的有效途径[7-9]。该模式转变传统“重教轻学”的模式,使学生从知识接受者变为知识的探究者,能有效激发学生的学习兴趣和热情。研究型教学模式包括很多方面的内容,我们在教学中主要是结合工程实例和教师科研项目,探索了包括实施任务导入式教学法、举办基于实际工程项目的专题讲座及将课内与课外进行有机结合等在内的多种方式。

2.1 提倡基于科研项目的任务导入式教学法

在课堂教学过程中,教师基于实际工程实例和教师科研项目,结合课程内容将其分解成“任务”导入到课堂教学。通过教师引导,启发学生开拓思路,对任务进行主动思考,从而使他们在解决实际工程问题的过程中能主动分析、发现并能利用所学理论和知识解决问题,以此来培养学生的创新精神和实践能力。需要注意的是,在教学实施过程中教师首先需要对导入的项目做充分的研究,必须做好课前准备和任务分解工作,并在课前布置学生做好任务相关背景知识的储备，在课堂上让学生讨论设计方案并完成计算分析。课堂教学过程中要突出实际操作和团队交流。

任务示例:依托沈阳地铁二号线工程项目,从工程实际出发,以封闭屏蔽门为研究对象(见图2),对结构的强度和刚度进行校核。从建立模型开始,对任务进行分解,分别对不同约束、不同荷载情况下的屏蔽门结构进行简化建模,建立屏蔽门钢架及主要承载部件横梁和立柱的力学模型,画出各组成构件及整体结构的受力图,分别利用材料力学理论分析和有限元方法,计算分析屏蔽门钢架、横梁和立柱的强度和刚度以及主要连接件强度,并将理论分析结果和有限元模拟结果进行对比分析。通过将一个复杂任务进行细致分解,使各个子任务的教学目标清晰明确,任务过渡平稳,学生在一种有序而轻松的环境下主动学习,以取得更好的学习效果。

图2 屏蔽门结构简图

以此任务中屏蔽门主要承载部件横梁的强度和刚度分析为例。首先课前通知学生查询有关封闭式屏蔽门的工程背景知识,并根据工程实际按照给定假设条件对模型进行简化。对横梁所受荷载和约束情况进行分析,得横梁的力学模型如图3(a)所示。然后教师讲解钢梁弯曲、组合变形及强度理论的相关理论知识,并介绍本次任务的内容,明确操作内容和基本步骤,使学生对任务有一个整体认识并对相关知识点进一步理解把握。学生按照任务要求(每组给定不同的横梁截面形状及载荷大小)进行计算,利用材料力学理论知识求出横梁弯矩及挠度,根据计算结果进一步分析横梁的强度和刚度条件,并采用有限元分析软件Anysys对横梁受力变形进行数值模拟分析,将理论分析结果和数值分析结果进行对比。图3(b)和(c)所示为横梁弯矩和变形计算结果图。最后,教师对任务完成情况进行评价,指出存在问题,并与学生进行讨论,加深学生对知识的理解,开拓学生的创新思维,培养学生解决实际工程问题的实践能力,达到教学目的。

图3 屏蔽门横梁受力计算分析

2.2 举办面向工程实际问题的专题讲座

研究型教学模式力求构建一种“寓教于乐、寓学于研”的教学氛围,从封闭型课堂向开放型课堂转变,以提升整体教学效果[7]。为此,我们除了在课堂教学中运用任务导入式研究性教学,将工程实践环节与教师的科研项目贯穿教学的始终之外,还在课程学习过程中,针对不同专业特点,特意举办一些面向工程实际问题的1～2学时的专题讲座。主要是邀请校内外一些工程经验丰富的专家对其科研项目的工程背景、分析方法及相关成果等进行专题介绍,激发学生的学习兴趣,促进其善于思考、勇于创新。例如,在对汽车工程专业14级学生讲解“材料疲劳”章节时,特意邀请了汽车工程省重点实验室李刚副教授对其科研团队进行的“汽车关键部件疲劳耐久性研究” 的科研项目进行了专题报告,让学生对工程中的疲劳问题有了更深入的理解和认识,既帮助学生很好地掌握了课程中的相关知识和理论,又将理论知识与工程实际问题进行了结合,培养了学生的创新思维和实践能力,使其对学科产生浓厚兴趣。

2.3 将课内和课外有机结合

研究型教学鼓励学生“在学习中研究,在研究中学习”,不满足于书本知识,还要研究书本上没有的东西[7-8]。为此鼓励学生课外积极查阅学习与课程内容相关的科研和教学资料,将课内和课外进行有机结合,培养学生研究问题的能力。主要采取2种方式。

其一是改变传统课后作业形式,设计专题作业。传统课后作业多为模仿式试题,学生完成这类作业时,可直接模仿教材中例题套用公式,因此缺乏积极性,不利于学生创新思维的培养。所以,在课后作业题基础上,对于某些特定知识点又设计了一些带有研究性质的专题作业,鼓励学生积极探索。例如,课堂上推导了直梁横截面任一点应力,这里的梁材料是单一均质的,即单层梁,故课外鼓励学生研究工程中常见的复合梁(例如钢—泡沫铝—钢复合夹芯梁)横截面上的正应力分布,不仅引导学生完成了理论推导,还指导他们用有限元分析软件Anysys进行了数值论证。

其二是布置课程论文。一般由教师启发、学生自主选题,以教学大纲为基础,自由地进行知识拓展,并按科技论文的模式来完成。课程论文选题范围较广,可以是课程某个知识点的延伸和扩展,或者是一些与课程理论相关的工程实际问题,也可以是一些小的科研问题的研究和讨论,甚至可以是学生对某个知识点的理解和体会。例如,2014级机械设计专业的几位学生针对目前微纳米力学的研究热点问题展开研究,设计开发了一套能测量微小表面力的测量装置,完成了一篇科技论文,目前已被综合型核心期刊《科技通报》录用,并申请了一项国家发明专利。

从实践效果来看,学生参与课外学习的积极性很高,基本都能自主完成,通过此过程很好地锻炼了学生的自主学习能力,培养了学生的创新思维。

任务导入式教学法、面向工程实际的专题讲座以及将课内课外有机结合的研究型教学模式的应用,不仅可以让学生获得新知识,而且可获得亲身参与科学研究探索的体验,进而有助于培养学生发现问题、解决问题的能力。同时,学生通过这种亲身参与,一方面使其从知识的接受者变成科学的探究者,激发学生浓厚的兴趣；另一方面,也让学生懂得科学研究需要严谨的科学态度和积极的团队合作精神,为进一步的研究生学习打下基础。

3 虚拟仿真实验教学平台

材料力学实验是材料力学课程的重要组成部分,对培养学生的动手能力、分析解决问题的能力及创新能力有着重要作用[10]。尽管目前很多高校在材料力学实验教学中已经增添了一些综合性和开发性实验项目,但是由于实验条件和场地限制,这类新增添的实验数量较少,大部分高校仍然是以传统验证性实验为主。该类实验仅仅是对课程理论知识的验证,缺乏可设计性和创新性,学生对此类实验缺乏兴趣；另外,实验教学环节过于单一,实验过程中学生按照实验指导书、教师演示,按部就班,依照步骤完成实验,缺乏独立思考的机会；再者,由于实验课时有限,做实验时学生仅仅是匆忙取得一些实验数据,甚至对实验现象都来不及仔细观察,更谈不上在实验过程中对有可能发生的某些特殊实验现象和原理进行思考和尝试。

传统实验教学的不足,影响了学生的学习主动性,不利于学生创新意识和实践能力的培养。基于先进计算机仿真和虚拟现实技术设计材料力学虚拟仿真实验系统,将虚、实实验相结合已成为目前有效提高材料力学实验教学质量的有效途径之一[11-12]。为此,我们利用先进虚拟现实语言VRML、三维模型操控Pro E和3D Studio Max及有限元分析软件Anysys等,设计开发了材料力学虚拟仿真实验系统。该系统中实验仪器和设备根据实验室真实条件建立,能实现对实验仪器的真实再现和操控,提供一种“身临其境”感,让学生通过在线网络对相应实验使用的仪器装置、实验操作、实验结果和数据处理实现全方位模拟操作,同时教师也能同时在线对学生提交的实验结果给出评价。

低碳钢拉伸为材料力学实验中较为典型的实验之一。低碳钢拉伸时随着试件加载共分为4个阶段:弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段，且在不同阶段杆件有不同的变形形式和实验现象,例如屈服阶段试件表面可以看到明显的滑移线、颈缩阶段试件会出现某个横截面积的急剧缩小等。但是由于滑移线产生以及颈缩的时间都很短,导致实验室做真实实验时,学生很难观察到详细的变化过程，而虚拟仿真实验却能很好地克服这一问题。图4所示为虚拟实验的部分操作界面。整个虚拟实验系统包括“实验介绍”“仿真实验”“结果分析”“实验报告”“技能测评”共5个部分。

图4 虚拟实验系统操作界面

学生进入虚拟实验系统后,首先会进入“实验介绍”部分,此部分有实验仪器、实验目的、实验原理和实验操作步骤等介绍,并且实验仪器是在与实验室真实环境一致的三维实验场景中展示的,学生可以通过移动鼠标任意放大、缩小及旋转实验仪器,以便从各个角度观察实验仪器的组成部分。当鼠标放置在实验仪器的不同部位时,还会显示各部位的名称及操作方法,从而帮助学生更好地了解和掌握实验设备及原理。接着,学生可点击进入“仿真实验”部分,此部分学生可对整个实验过程完成虚拟操作,并且所有实验仪器的操作与真实实验完全类似,实验步骤和方法也与在真实实验一样。如图4所示:试样库选定试样→工具库选出游标卡尺测量试样尺寸→将试样从试样架上装载到拉伸机的夹头中,拧紧夹头→试样装载完毕,设定拉伸速度后点击上升按钮,开始拉伸过程→进入拉伸破坏演示动画画面,并且加载过程中操作界面会同步显示出试样的变形过程及对应的应力-应变曲线→实验结束,卸载试样,测量相关尺寸。然后学生可进入“结果分析”部分对所取得的实验数据进行处理分析,并完成实验报告。最后可进入“技能测评”界面完成实验相关知识点考核。

通过该虚拟仿真实验系统,不仅可以使学生熟悉实验原理和实验仪器,而且在虚拟实验过程中,学生还可以根据个人需要放慢实验速度,局部放大试件变化明显的部位,以便可以清晰地观察到实验现象,可以激发学生自主学习的兴趣,能使其在轻松的环境中通过与计算机的交互完成对整个实验的学习,对于提高教学质量和学生的实践能力大有裨益。

本虚拟仿真实验系统除了能完成材料力学大纲要求中的经典验证性实验外,也针对不同专业开发了一些相关学科最新、最前沿的创新性实验,例如针对土木工程专业开发的绿色低碳混凝土及超高性能混凝土材料拉伸压缩实验、混凝土连续梁弯曲实验等,学生甚至可通过虚拟实验系统自主设计选择实验参数和方案,这不仅丰富了实验教学内容,还有利于启发学生的创造力和想象力,培养他们的综合能力和创新意识。除了让学生独立地完成系统中的虚拟仿真实验,不仅鼓励学生参与虚拟仿真实验的设计和开发,让他们学习一些虚拟仿真软件(例如Vrml,Matlab /Simulink) 的基本知识,通过对实验原理的深入理解,抽象出力学模型、建立相应的虚拟仿真实验模型,并进行调试,从而得出实验结果,还鼓励学生利用有限元数值分析软件完成某些实验(例如拉压、扭转、压杆稳定等)的数值分析验证,并与所取得的虚拟实验结果进行对比分析。通过这些虚拟实验教学方法的实施,既能更好地帮助学生完成对实验目的、实验原理、实验过程及实验结果等实验全过程的掌握,同时也有利于对学生实验成绩客观评价,形成个体差异,提高学生学习力学实验的兴趣和成就感,从而提高力学实验课的教学质量。

实践证明,通过在材料力学实验教学中补充虚拟仿真实验内容,不仅能丰富实验内容，还有助于转变单一的教学方式,另外学生学习力学实验、参与力学实验研究的兴趣也有了明显的提高,更有助于对学生实验能力的客观评价。

4 结语

针对我校工科类专业“材料力学”课程教学体系进行改革和实践探讨,以掌握力学理论知识为创新基本点,充分利用计算机的高效、高速、智能化、先进化等优势,达到教学手段和教学方法的最优化。通过调整传承经典知识、更新现代应用知识的方式,使教学内容与时俱进，紧跟时代步伐；开展了基于工程实际及科研课题的任务导入式教学法、面向工程实际问题的专题讲座、探索课内与课外的有机结合、激励创新等为主要内容的研究型教学模式改革，并引入虚拟仿真实验系统,改变传统实验手段，从而激发学生的学习积极性和学习兴趣,充分发挥学生的主观能动性和探索精神,培养学生的创新思维能力和实践能力,努力使其成为适应于社会和科研需求的具有创新思维和创造能力的高素质创新型力学人才。

References)

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Exploration on teaching reform and practice of Material Mechanics course

Kong Xiangqing, Qu Yandong, Li Ren, Jia Yandong, Zhang Wenjiao

(College of Civil & Architectural Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China)

Undergraduate education is the foundation of colleges and universities, which mainly focuses on the learning of professional basic theoretical knowledge, and easily neglects the cultivation of students’ innovative ability and the guidance of innovation practice compared to the postgraduate education. Combining the teaching practice of Material Mechanics course in engineering majors in our university, this paper carries a series of teaching reforms including the teaching content reform with the times, research teaching mode combined with scientific research projects, teaching method based on virtual simulation experiment teaching platform on the teaching contents, methods and means of the Material Mechanics course. The aim is to not only strengthen the theoretical study, but also focus on cultivating students’ innovative thinking ability and engineering practice ability, and strive to cultivate high-quality innovative talents.

Materials Mechanics; research teaching; virtual simulation experiment

10.16791/j.cnki.sjg.2017.02.045

2016-08-15 修改日期：2016-10-17

国家自然科学基金项目(11302093)；辽宁省大学生实践教育基地(工程实践教育中心)(11);建设项目和辽宁工业大学—锦州市市政工程总公司工程实践教育中心项目 (辽教发[2013]126号)

孔祥清 (1982—),女,山东菏泽,博士,副教授,主要从事应用与实验力学方面的研究.

E-mail：xiangqingkong@126.com

O32,G642.423

A

1002-4956(2017)2-0174-05