基于应用实例分析的材料力学性能课程教学改革与探索

张鹏飞　徐盼盼　杨斌

【摘 要】针对材料力学性能课程理论性、实践性、应用性较强的特点，将日常生活、工业生产、科研工作中的应用实例引入到课堂教学环节中，采取有效措施对教学方法、教学内容、考核评价方法等进行改革和探索，取得了良好的教学效果。不仅使学生充分认识到材料力学性能课程内容在生产生活中的重要性，也加强了学生对课程内容的理解和掌握。

【关键词】材料力学性能；实例分析；教学改革；教学效果

中图分类号： TB33 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）36-0127-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.36.054

材料力学性能是高校金属材料工程专业本科生必修的基础教育课程，也是一门理论性、实践性、应用性较强的课程。该课程教学内容较多，涉及材料在拉伸、弯曲、扭转、压缩、冲击、疲劳、腐蚀、磨损、高温等各种工况条件下的力学行为特征和力学性能评价方法，以及各力学性能指标的测试、计算和应用[1-3]。该课程专业术语和力学性能指标种类较多，理论较为抽象。各章节内容相对较为独立，关联性不强。导致课程系统性较差，学习掌握难度大，学生在学习时往往感到枯燥乏味，学习兴趣和积极性不高。因此，有必要对材料力学性能课程进行教学改革，探索新的教学方法，激发学生的学习兴趣，引导学生充分认识该课程内容在生产生活中的重要性，对于培养学生的理论素养，提高课程教学质量等具有重要意义。借鉴其他教师的教学改革思路[4-9]，从教学内容的优化、应用实例的引入、学习成绩评定等方面入手，采取有效措施，对材料力学性能课程进行教学改革和探索，取得了良好的教学效果。

1 教学内容优化

材料力学性能课程内容较多，包括力学性能绪论、材料在静拉伸等各种工况下的力学行为与力学性能评价、众多力学性能指标的测试与应用等。由于课时安排较少，很难对每一种工况下材料的力学行为及相关指标进行详细的讲解和学习。因此，有必要对教学内容进行优化，重点讲解典型工况下材料的力学行为，突出学习方法和技巧，举一反三。在学时分配上，重点讲解金属材料在静拉伸、冲击、腐蚀等工况下的力学行为，重点学习材料的屈服强度、弹性模量、延伸率、应力状态软性系数、硬度、冲击韧性、韧脆转变、平面应变断裂韧度等力学性能指标。简要阐述弯曲、扭转、压缩、高温等工况下的力学行为，简单介绍缺口效应、弹塑性断裂力学、疲劳、氢脆、磨損的概念和基本原理。以便使学生快速抓住该课程学习的重点，培养基本的材料力学性能分析理论素养。在课程实验安排上，重点安排单向静拉伸、硬度、冲击等三种典型工况试验。结合试验结果、样品回收状况、相关科研图像视频等资料，重点讲解典型工况下材料的力学行为，讲解重要材料力学性能指标的物理化学含义、评价测试计算方法、应用领域等。在较短时间内增强学生对材料力学性能指标含义的感性认识，使学生迅速掌握测试应用材料力学性能指标的动手实践能力。

2 引入材料力学性能应用实例

2.1 在绪论中引入应用实例

材料力学性能课程内容中涉及到的力学性能指标有几十种之多，对于初次接触到该领域知识的学生来说，很难对每一种力学性能及相应评价指标的含义、概念和应用领域都有清晰的理解和认识。即便是对最重要和最常用的屈服强度、弹性模量、塑性、硬度等概念或力学性能指标的含义，学生都很难一下子理解透析。为了使学生对材料力学行为和相应力学性能指标有一个宏观感性的认识，在绪论中引入与日常生活、工业生产等密切相关的案例，借此说明材料力学性能的重要含义、意义和用途。例如，通过展示钻石、银锭的图像资料，说明硬度的概念、含义、评价方法和用途；通过展示弹性体变形回复的数字模拟图像，以及橡皮泥、橡皮筋、瓷盘破裂的图像资料，说明弹性、塑性和脆性的概念与含义；通过展示静拉伸变形、弯曲变形、冲击断裂等力学过程的动画资料，说明材料力学性能指标的测试计算评价方法；通过展示飞机坠毁、桥梁断裂、汽车断轴等图像视频资料，说明对材料力学性能学习和研究的重要意义。通过日常生活中常见的案例或容易理解的图像视频资料，使学生对材料力学性能及其指标有一个初步的感性认识，增强学生对后续课程内容学习的兴趣和积极性。

2.2 在各章节教学内容中引入应用实例

材料力学性能及相关评价指标的含义和测试方法，相对比较抽象，初学者难以透彻理解和掌握。为帮助学生尽快理解基本概念和方法的含义，在课堂教学环节中，引入相关图像视频、模拟演示动画等资料。生动形象地给同学们讲解某一个力学行为及相关性能指标的含义、测试方法和用途意义。比如，当学习金属材料在静拉伸载荷下的力学行为时，展示圆柱状、平板状试验样品在拉伸变形前后宏观形貌的变化、断口特征等图像资料，借此帮助学生理解金属材料在静拉伸载荷作用下表现出来的力学行为，以及评价材料抗拉伸性能的力学指标；在学习拉伸变形曲线时，展示脆性、低塑性、高塑性三类材料拉伸变形模拟动画，以及对应的载荷位移曲线动态模拟示意动画，借此帮助学生理解抗拉强度、屈服强度、弹性模量、断裂强度、延伸率等力学性能指标的具体含义、测试计算方法、实际应用价值等。通过展示日常生活中用钳子拧铁丝来捆扎物体的实际操作视频资料，帮助学生理解包申格效应和形变强化的概念和物理意义。通过收集整理日常生活中与材料力学行为相关的图像视频模拟演示动画等资料，生动形象地帮助同学们学习理解材料在外载荷作用下表现出来的行为及相关评价指标。这样既可以避免枯燥乏味的单纯语言讲解，提高同学们的学习兴趣和积极性，帮助同学们更好更快地理解课程知识，也可以活跃课堂气氛，缓和教师（学生）的备课（学习）压力。在轻松愉快的环境中，师生通过相互讨论、辩论、提问、自由发表观点等方式学习课程知识。同时也可以使课堂知识与生产生活更好地结合起来，有效改善理论学习与生产实践脱离的情况。

2.3 引入科研图像视频资料

材料力学性能是专业基础课，对学生后续的学习、工作、生活、深造、研究等都有重要影响。但该课程内容较多，课时安排较少。为了让同学们在有限的课时内尽量多地理解材料力学性能知识，需要教师有针对性地展示讲解材料在特定工况下的力学行为。针对学生后续开展毕业设计实践、深造、工作等需要，在课堂教学环节中，结合科学研究工作，有计划地展示讲解科研、工业生产等工作中与该课程内容紧密相关的实际案例。在帮助同学们更好地学习理解课程知识的同时，增加学生接触实际科研生产资料的机会。理论结合实际，激发学生对该课程内容的学习兴趣和积极性。例如，展示在高分辨电镜下观察到的夹杂阻碍位错运动的视频图像资料，帮助同学们认识位错等缺陷运动受阻情况，更好地理解材料的强度、屈服、形变强化、位错钉扎、弥散强化等概念和知识。结合科研工作，与同学们分享新型钼合金、钛合金、铝合金、复合材料等新材料的力学性能行为、评价步骤、评价指标的选择与测试等。

3 考试内容改革

对于学生学习本课程的成绩评定，现行的办法是由平时成绩和考试成绩分别加权构成。平时成绩由课堂出勤率、课堂表现、作业完成情况、实验报告等综合评定，考试成绩由卷面成绩决定。对于考试试题形式，改变以往客观题占比过重的情况，大幅减少填空、判断对错等客观题数量，增加主观题的比重。主观题以简答、分析为主，考查学生对材料力学性能基本概念的理解，以及应用该课程基本原理和知识分析问题、解决问题的能力。结合科研或工业生产工作，增加综合分析题。例如，以新型钼合金、钛合金、铝基复合材料等新材料的研制为例，科研工作中，每當研制开发一种新型结构材料时，通常要测试材料的强度、硬度、韧性、弹性模量等力学性能指标，以评价其力学性能如何。此项工作的内容是对材料力学性能课程知识的综合应用，可考查对课程基本概念和知识理解与掌握，评价对力学性能指标测试分析的实践能力。在考试试题中增加此类综合分析题，有助于考查学生与本课程相关的基本科学素养和能力，考查其利用所学知识、方法和原理解决问题的应用能力。

4 结语

通过对材料力学性能课程教学进行探索和改革，已经取得了良好的教学效果。学生对该课程的学习兴趣、积极性、主动性，以及从力学性能角度入手对材料进行分析判断的实践能力等都有了一定程度的提高。但是对该课程教学模式的改革还应继续探索和坚持，积极主动与学生互动，倾听学生的意见，探究知识学习的科学规律，增加学生接触实际工作资料的机会和动手实践的机会。不断探索、尝试、总结、改进，才能使教学质量不断提高。

【参考文献】

[1]束德林.工程材料力学性能[M].合肥：合肥工业大学出版社，2011.

[2]郑修麟.材料的力学性能[M].西安，西北工业大学出版社，2000.

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