Matlab软件在应用型本科院校工程力学教学中的应用

张晓虎 孙延华 孙国民 曾素均

摘  要：工程力学课程要求学生有较好的数学基础和抽象思维能力。结合Matlab与工程力学教学的结合，把工程力学教学的弱点用Matlab直观可视化的语言表现出来，使学生不仅能够更深地了解工程力学的基本知识，还能促进学生用编程语言把计算过程科学地描述出来，强化学生利用科学计算工具解决力学问题的能力。本文介绍了工程力学教学中存在的问题，并以悬臂梁和桁架内力计算为例，对Matlab科学计算软件与工程力学课程结合教学进行了阐述和分析，并提出了Matlab对工程力学课程的有益作用。

中图分类号：G642         文献标识码：B

引言

工程力学作为土木工程专业的专业必修课，对学生的数学有着较高的要求。传统的工程力系课程教学方法，很难适应贵州省情，目前存在着社会需求和目前的培养状况之间的突出矛盾。土建类毕业生在工程力学应用上面存在着很大的问题。因此，结合应用型本科院校以及毕节试验区的特殊情况进行学生创新能力培养是目前工程力学课程教学急需解决的问题。

1  工程力学结合有限元教学的探索

工程力学是进行工程设计和应用研究必备的课程。它把力学和数学结合起来解决日常生活中的各种力学问题。龙连春[1]将ANSYS有限元分析软件引入到材料力学教学中，激发了学生学习的热情和积极性，有利于更好的掌握基本概念和知识。邓小林[2]通过将Abaqus有限元技术于材料力学课程相结合，有助于学生对材料力学课程知识点的掌握，激发学生的学习兴趣。钱秀清[3]等利用有限元方法形象地分析拉伸弯曲等不同公式的应用范围，提高了学生对难理解概念的认知。徐兵[4]等在材料力学中引入有限元软件作为辅助教学手段，可以提高学生的学习兴趣，使得学生初步掌握解决问题的能力。杨立斌[5]等从教材建设、教学方式转变、计算力学等方面的分析来寻找提升力学教学效果的方法。王艳春[6]等将有限元软件ANSYS于传统的工程力学课程相融合，提高了学生的力学素养和工程意识。郑玉国[7，8]等提出力学课程中培养学生工程直觉的方法，为力学课程教学的改革提供了新思路。

2  Matlab在力学课程中的应用

2.1 Matlab简介

Matlab是类似于Fortran和C的一种可以应用于科学计算、数据处理、交互式设计的高阶程序语言。它已经成为教育科研机构首选的科学计算软件。Matlab的最大优势在于程序的运行调试速度很快，可以使用户能更多的关注程序的运行原理。

进而将边界条件带入即可求出未知变量。具体的计算过程如图一所示，模型的网格划分如图3所示，图4显示了悬臂梁在y方向的应力的变化云图，可以看出悬臂梁下边缘为受压区（应力值为负值），而上边缘为受拉区（应力值为正值），形象地说明了受端部集中力作用下悬臂梁的受力特征，直观形象地显示了中轴线从直线变为曲线，中性层即是应力为零的点连接形成的曲面。

3.Matlab 对工程力学课程的有益作用

力学课程是土木工程专业的必修课，也是对数学要求较高比较难学的学科，形成较好的力学素养绝不是一朝一夕能够完成的。不仅要求学生知道拉压扭弯的力学

公式是怎么来的，而且要求学生对概念有较深的把握，同时要知道公式是怎么用的。Matlab软件强大的计算能力提供了直观地解决数学问题的方法。因为所有的力学问题最终的落脚点都是数学模型和数学公式，因此不仅可以借助matlab理解力学公式的变量关系，还可以用Matlab图形化窗口深入的理解拉压扭弯中的各种力学概念，使得学时深入地理解工程力学各个章节。Matlab还可以制作动画，把力学公式融入到程序之中，不仅解决了力学的计算问题，而且可以加深学时对计算机编程的理解。同时还可以提高学生利用工具解决数学问题的能力，为更高一级的学习提供技术储备。

4.结论

力学的抽象性与理论性，不仅要求学生有较好的数学基础和抽象思维能力，而且使得学生对力学学科的兴趣减弱。结合科学计算软件Matlab与工程力学教学的结合，把工程力学教学的弱点用Matlab直观可视化的语言表现出来。学生不仅能够更深地了解工程力学假设、力法、位移法等知识，还能促进学生用汇编语言把物理方程和调和方程描述出来，可以强化学生利用科学计算工具解决力学问题的能力。本文介绍了工程力学教学中存在的问题，并以悬臂梁和桁架内力计算为例，对Matlab科学计算软件与工程力学课程进行了阐述和分析，最后，提出了Matlab对工程力学课程的有益作用。

参考文献

[1]  龙连春，刘海宏，杨庆生. 材料力学概念数值模拟分析系统[J]. 实验技术与管理，2013（8）：86-89.

[2]  邓小林. Abaqus有限元软件在材料力学课程教学中的应用[J]. 装备制造技术，2017（9）：181-184.

[3]  钱秀清，闫松华，宋红芳，et al. 有限元方法在少学时材料力学教学中的应用[J]. 科技创新导报，2012（2）：175-176.

[4]  徐兵，尹冠生，佘斌，et al. 基于有限元方法的材料力学教学方法改革研究[J]. 大学物理实验，2016，29（5）：133-136.

[5]  杨立斌. 三本院校力学教学改革思考[J]. 学周刊，2013（15）：16-17.

[6]  王艳春. 有限元分析与《工程力学》课程教学融合的探索[J]. 青岛科技大学学报（自然科学版），2017，38（z1）：211-212.

[7]  郑玉国. 结构力学课程教学应重视工程直觉的培养[J]. 高等建筑教育，2016，25（1）：100-104.

[8]  刘朝英. 浅谈力学教学中学生工程意识的培养[J]. 職业教育研究，2006（9）：103-104.

作者简介：张晓虎（1982-），男，河南南阳人，主要研究方向为岩土工程有限元分析。

基金项目：贵州工程应用技术学院2018年本科教学质量提升工程项目（2018JG157，2018JG155，2018JG149）;贵州工程应用技术学院一流课程培育项目（2018JG153）;