材料力學課程教學改革與實踐探討

孔祥清, 曲艷東, 李 韌, 賈艷東, 章文姣

(遼寧工業大學 土木建筑工程學院力學教研室, 錦州 遼寧 121001)

材料力學課程教學改革與實踐探討

孔祥清, 曲艷東, 李 韌, 賈艷東, 章文姣

(遼寧工業大學 土木建筑工程學院力學教研室, 錦州 遼寧 121001)

本科教育相較于研究生教育,一般注重于專業基礎理論知識的學習,而容易忽視對學生創新能力的培養及創新實踐的指導。結合工科類專業“材料力學”課程的教學實踐,圍繞課程教學內容、方法及手段進行了與時俱進的教學內容、與科研項目相結合的研究型教學模式、基于虛擬仿真實驗教學平臺的教學手段等多方面的教學改革與實踐探討,在加強理論學習的同時,著重培養學生的創新思維能力和工程實踐能力,努力培養高素質創新型力學人才。

材料力學； 研究型教學； 虛擬仿真實驗

作為工科專業的重要技術基礎課程之一,材料力學的主要任務是研究構件在外載荷作用下的強度、剛度、穩定性等問題,在培養學生的基礎理論知識、工程認知和結構設計等方面有非常重要的作用[1-3]。該課程內容較多,課時相對較少,邏輯性、系統性及實踐性較強。尤其是近幾年來,隨著現代科學技術的飛速發展,材料力學與計算機及先進測試分析技術相結合,不斷涌現出新的課題和研究領域,從而使其研究方法、內容及實驗手段發生了很大變化[4-5]。本文從與時俱進的課程內容、以任務導入式為代表的研究型教學方法,以及與先進虛擬仿真技術相融合的實驗教學手段這3個方面，對工科類材料力學教學體系進行改革和實踐。

1 與時俱進的教學內容改革

首先,我們在課程體系上對教學內容進行了多方面的整合,在保留原有經典教學內容的基礎上,盡可能提高該課程的起點,避免重復、精煉內容、調整課程結構體系,并根據專業特色在知識的深度與廣度方面加以拓展與延伸,在講述經典內容基礎上穿插引入新的教學內容,包括反應近代力學發展的新概念、新理論及新方法,突出力學問題的工程運用、現代設計方法、結構建模與分析方法、結構優化設計與可靠性分析、鋼結構中壓桿極值點失穩及其穩定校核方法等。在傳授知識的同時注重培養提高學生綜合能力,激發學生學習興趣和創新意識,使材料力學教學更加符合學生的認知規律,提高教學效率。并注重將課程基礎知識與先進科技成果相結合,及時將目前具有代表性的科研成果引入到課堂教學中,注重培養學生的創新意識。

其次,利用先進計算機技術,積極引進Anysys、Abaqus等數值分析軟件,突出學生建模和數值分析能力的培養。材料力學由于公式多、概念多、知識抽象,對有些知識點,學生普遍反映很難理解和掌握。而數值分析軟件由于具有良好的人機交互界面及功能強大的前后處理功能,可以把桿件在不同外力和變形條件下的應力及應變等分析結果,以圖片或動畫的形式顯示,故將其引入材料力學可以很好地幫助學生對基礎理論進行理解和把握。為此,我們基于這些常用有限元分析軟件,在課堂教學中引入了簡單的數值分析理論和4個學時的Anysys上機實驗,指導學生模擬分析了拉壓、扭轉、彎曲、壓桿穩定、圣維南原理以及應力集中等一些典型基本變形和復雜力學現象,不僅開闊了學生視野、豐富了課堂內容、增強了學生對材料力學知識的理解,又使學生了解熟悉了工程常用的結構計算分析軟件,為將來解決工程實際問題打下堅實的基礎。圖1為學生利用有限元分析軟件Anysys模擬分析的泡沫鋁夾心梁受力彎曲時的變形圖和跨中界面的有效應力云圖,通過該圖可以一目了然地看出梁不同位置處的變形程度及應力值的分布和大小。

圖1 泡沫鋁夾芯梁的彎曲變形分析

2 與科研項目相結合的研究型教學模式

隨著科技的飛速發展,現代社會對于創新人才的需要提出了更高的要求。培養具有創新精神和工程實踐能力的綜合型人才已成為目前大學,尤其是工科類大學的重要使命[6]。實踐證明,由傳統的知識傳授型教學模式轉變為研究型教學模式已成為能顯著提高學生綜合素質的有效途徑[7-9]。該模式轉變傳統“重教輕學”的模式,使學生從知識接受者變為知識的探究者,能有效激發學生的學習興趣和熱情。研究型教學模式包括很多方面的內容,我們在教學中主要是結合工程實例和教師科研項目,探索了包括實施任務導入式教學法、舉辦基于實際工程項目的專題講座及將課內與課外進行有機結合等在內的多種方式。

2.1 提倡基于科研項目的任務導入式教學法

在課堂教學過程中,教師基于實際工程實例和教師科研項目,結合課程內容將其分解成“任務”導入到課堂教學。通過教師引導,啟發學生開拓思路,對任務進行主動思考,從而使他們在解決實際工程問題的過程中能主動分析、發現并能利用所學理論和知識解決問題,以此來培養學生的創新精神和實踐能力。需要注意的是,在教學實施過程中教師首先需要對導入的項目做充分的研究,必須做好課前準備和任務分解工作,并在課前布置學生做好任務相關背景知識的儲備，在課堂上讓學生討論設計方案并完成計算分析。課堂教學過程中要突出實際操作和團隊交流。

任務示例:依托沈陽地鐵二號線工程項目,從工程實際出發,以封閉屏蔽門為研究對象(見圖2),對結構的強度和剛度進行校核。從建立模型開始,對任務進行分解,分別對不同約束、不同荷載情況下的屏蔽門結構進行簡化建模,建立屏蔽門鋼架及主要承載部件橫梁和立柱的力學模型,畫出各組成構件及整體結構的受力圖,分別利用材料力學理論分析和有限元方法,計算分析屏蔽門鋼架、橫梁和立柱的強度和剛度以及主要連接件強度,并將理論分析結果和有限元模擬結果進行對比分析。通過將一個復雜任務進行細致分解,使各個子任務的教學目標清晰明確,任務過渡平穩,學生在一種有序而輕松的環境下主動學習,以取得更好的學習效果。

圖2 屏蔽門結構簡圖

以此任務中屏蔽門主要承載部件橫梁的強度和剛度分析為例。首先課前通知學生查詢有關封閉式屏蔽門的工程背景知識,并根據工程實際按照給定假設條件對模型進行簡化。對橫梁所受荷載和約束情況進行分析,得橫梁的力學模型如圖3(a)所示。然后教師講解鋼梁彎曲、組合變形及強度理論的相關理論知識,并介紹本次任務的內容,明確操作內容和基本步驟,使學生對任務有一個整體認識并對相關知識點進一步理解把握。學生按照任務要求(每組給定不同的橫梁截面形狀及載荷大小)進行計算,利用材料力學理論知識求出橫梁彎矩及撓度,根據計算結果進一步分析橫梁的強度和剛度條件,并采用有限元分析軟件Anysys對橫梁受力變形進行數值模擬分析,將理論分析結果和數值分析結果進行對比。圖3(b)和(c)所示為橫梁彎矩和變形計算結果圖。最后,教師對任務完成情況進行評價,指出存在問題,并與學生進行討論,加深學生對知識的理解,開拓學生的創新思維,培養學生解決實際工程問題的實踐能力,達到教學目的。

圖3 屏蔽門橫梁受力計算分析

2.2 舉辦面向工程實際問題的專題講座

研究型教學模式力求構建一種“寓教于樂、寓學于研”的教學氛圍,從封閉型課堂向開放型課堂轉變,以提升整體教學效果[7]。為此,我們除了在課堂教學中運用任務導入式研究性教學,將工程實踐環節與教師的科研項目貫穿教學的始終之外,還在課程學習過程中,針對不同專業特點,特意舉辦一些面向工程實際問題的1～2學時的專題講座。主要是邀請校內外一些工程經驗豐富的專家對其科研項目的工程背景、分析方法及相關成果等進行專題介紹,激發學生的學習興趣,促進其善于思考、勇于創新。例如,在對汽車工程專業14級學生講解“材料疲勞”章節時,特意邀請了汽車工程省重點實驗室李剛副教授對其科研團隊進行的“汽車關鍵部件疲勞耐久性研究” 的科研項目進行了專題報告,讓學生對工程中的疲勞問題有了更深入的理解和認識,既幫助學生很好地掌握了課程中的相關知識和理論,又將理論知識與工程實際問題進行了結合,培養了學生的創新思維和實踐能力,使其對學科產生濃厚興趣。

2.3 將課內和課外有機結合

研究型教學鼓勵學生“在學習中研究,在研究中學習”,不滿足于書本知識,還要研究書本上沒有的東西[7-8]。為此鼓勵學生課外積極查閱學習與課程內容相關的科研和教學資料,將課內和課外進行有機結合,培養學生研究問題的能力。主要采取2種方式。

其一是改變傳統課后作業形式,設計專題作業。傳統課后作業多為模仿式試題,學生完成這類作業時,可直接模仿教材中例題套用公式,因此缺乏積極性,不利于學生創新思維的培養。所以,在課后作業題基礎上,對于某些特定知識點又設計了一些帶有研究性質的專題作業,鼓勵學生積極探索。例如,課堂上推導了直梁橫截面任一點應力,這里的梁材料是單一均質的,即單層梁,故課外鼓勵學生研究工程中常見的復合梁(例如鋼—泡沫鋁—鋼復合夾芯梁)橫截面上的正應力分布,不僅引導學生完成了理論推導,還指導他們用有限元分析軟件Anysys進行了數值論證。

其二是布置課程論文。一般由教師啟發、學生自主選題,以教學大綱為基礎,自由地進行知識拓展,并按科技論文的模式來完成。課程論文選題范圍較廣,可以是課程某個知識點的延伸和擴展,或者是一些與課程理論相關的工程實際問題,也可以是一些小的科研問題的研究和討論,甚至可以是學生對某個知識點的理解和體會。例如,2014級機械設計專業的幾位學生針對目前微納米力學的研究熱點問題展開研究,設計開發了一套能測量微小表面力的測量裝置,完成了一篇科技論文,目前已被綜合型核心期刊《科技通報》錄用,并申請了一項國家發明專利。

從實踐效果來看,學生參與課外學習的積極性很高,基本都能自主完成,通過此過程很好地鍛煉了學生的自主學習能力,培養了學生的創新思維。

任務導入式教學法、面向工程實際的專題講座以及將課內課外有機結合的研究型教學模式的應用,不僅可以讓學生獲得新知識,而且可獲得親身參與科學研究探索的體驗,進而有助于培養學生發現問題、解決問題的能力。同時,學生通過這種親身參與,一方面使其從知識的接受者變成科學的探究者,激發學生濃厚的興趣；另一方面,也讓學生懂得科學研究需要嚴謹的科學態度和積極的團隊合作精神,為進一步的研究生學習打下基礎。

3 虛擬仿真實驗教學平臺

材料力學實驗是材料力學課程的重要組成部分,對培養學生的動手能力、分析解決問題的能力及創新能力有著重要作用[10]。盡管目前很多高校在材料力學實驗教學中已經增添了一些綜合性和開發性實驗項目,但是由于實驗條件和場地限制,這類新增添的實驗數量較少,大部分高校仍然是以傳統驗證性實驗為主。該類實驗僅僅是對課程理論知識的驗證,缺乏可設計性和創新性,學生對此類實驗缺乏興趣；另外,實驗教學環節過于單一,實驗過程中學生按照實驗指導書、教師演示,按部就班,依照步驟完成實驗,缺乏獨立思考的機會；再者,由于實驗課時有限,做實驗時學生僅僅是匆忙取得一些實驗數據,甚至對實驗現象都來不及仔細觀察,更談不上在實驗過程中對有可能發生的某些特殊實驗現象和原理進行思考和嘗試。

傳統實驗教學的不足,影響了學生的學習主動性,不利于學生創新意識和實踐能力的培養?；谙冗M計算機仿真和虛擬現實技術設計材料力學虛擬仿真實驗系統,將虛、實實驗相結合已成為目前有效提高材料力學實驗教學質量的有效途徑之一[11-12]。為此,我們利用先進虛擬現實語言VRML、三維模型操控Pro E和3D Studio Max及有限元分析軟件Anysys等,設計開發了材料力學虛擬仿真實驗系統。該系統中實驗儀器和設備根據實驗室真實條件建立,能實現對實驗儀器的真實再現和操控,提供一種“身臨其境”感,讓學生通過在線網絡對相應實驗使用的儀器裝置、實驗操作、實驗結果和數據處理實現全方位模擬操作,同時教師也能同時在線對學生提交的實驗結果給出評價。

低碳鋼拉伸為材料力學實驗中較為典型的實驗之一。低碳鋼拉伸時隨著試件加載共分為4個階段:彈性階段、屈服階段、強化階段和頸縮階段，且在不同階段桿件有不同的變形形式和實驗現象,例如屈服階段試件表面可以看到明顯的滑移線、頸縮階段試件會出現某個橫截面積的急劇縮小等。但是由于滑移線產生以及頸縮的時間都很短,導致實驗室做真實實驗時,學生很難觀察到詳細的變化過程，而虛擬仿真實驗卻能很好地克服這一問題。圖4所示為虛擬實驗的部分操作界面。整個虛擬實驗系統包括“實驗介紹”“仿真實驗”“結果分析”“實驗報告”“技能測評”共5個部分。

圖4 虛擬實驗系統操作界面

學生進入虛擬實驗系統后,首先會進入“實驗介紹”部分,此部分有實驗儀器、實驗目的、實驗原理和實驗操作步驟等介紹,并且實驗儀器是在與實驗室真實環境一致的三維實驗場景中展示的,學生可以通過移動鼠標任意放大、縮小及旋轉實驗儀器,以便從各個角度觀察實驗儀器的組成部分。當鼠標放置在實驗儀器的不同部位時,還會顯示各部位的名稱及操作方法,從而幫助學生更好地了解和掌握實驗設備及原理。接著,學生可點擊進入“仿真實驗”部分,此部分學生可對整個實驗過程完成虛擬操作,并且所有實驗儀器的操作與真實實驗完全類似,實驗步驟和方法也與在真實實驗一樣。如圖4所示:試樣庫選定試樣→工具庫選出游標卡尺測量試樣尺寸→將試樣從試樣架上裝載到拉伸機的夾頭中,擰緊夾頭→試樣裝載完畢,設定拉伸速度后點擊上升按鈕,開始拉伸過程→進入拉伸破壞演示動畫畫面,并且加載過程中操作界面會同步顯示出試樣的變形過程及對應的應力-應變曲線→實驗結束,卸載試樣,測量相關尺寸。然后學生可進入“結果分析”部分對所取得的實驗數據進行處理分析,并完成實驗報告。最后可進入“技能測評”界面完成實驗相關知識點考核。

通過該虛擬仿真實驗系統,不僅可以使學生熟悉實驗原理和實驗儀器,而且在虛擬實驗過程中,學生還可以根據個人需要放慢實驗速度,局部放大試件變化明顯的部位,以便可以清晰地觀察到實驗現象,可以激發學生自主學習的興趣,能使其在輕松的環境中通過與計算機的交互完成對整個實驗的學習,對于提高教學質量和學生的實踐能力大有裨益。

本虛擬仿真實驗系統除了能完成材料力學大綱要求中的經典驗證性實驗外,也針對不同專業開發了一些相關學科最新、最前沿的創新性實驗,例如針對土木工程專業開發的綠色低碳混凝土及超高性能混凝土材料拉伸壓縮實驗、混凝土連續梁彎曲實驗等,學生甚至可通過虛擬實驗系統自主設計選擇實驗參數和方案,這不僅豐富了實驗教學內容,還有利于啟發學生的創造力和想象力,培養他們的綜合能力和創新意識。除了讓學生獨立地完成系統中的虛擬仿真實驗,不僅鼓勵學生參與虛擬仿真實驗的設計和開發,讓他們學習一些虛擬仿真軟件(例如Vrml,Matlab /Simulink) 的基本知識,通過對實驗原理的深入理解,抽象出力學模型、建立相應的虛擬仿真實驗模型,并進行調試,從而得出實驗結果,還鼓勵學生利用有限元數值分析軟件完成某些實驗(例如拉壓、扭轉、壓桿穩定等)的數值分析驗證,并與所取得的虛擬實驗結果進行對比分析。通過這些虛擬實驗教學方法的實施,既能更好地幫助學生完成對實驗目的、實驗原理、實驗過程及實驗結果等實驗全過程的掌握,同時也有利于對學生實驗成績客觀評價,形成個體差異,提高學生學習力學實驗的興趣和成就感,從而提高力學實驗課的教學質量。

實踐證明,通過在材料力學實驗教學中補充虛擬仿真實驗內容,不僅能豐富實驗內容，還有助于轉變單一的教學方式,另外學生學習力學實驗、參與力學實驗研究的興趣也有了明顯的提高,更有助于對學生實驗能力的客觀評價。

4 結語

針對我校工科類專業“材料力學”課程教學體系進行改革和實踐探討,以掌握力學理論知識為創新基本點,充分利用計算機的高效、高速、智能化、先進化等優勢,達到教學手段和教學方法的最優化。通過調整傳承經典知識、更新現代應用知識的方式,使教學內容與時俱進，緊跟時代步伐；開展了基于工程實際及科研課題的任務導入式教學法、面向工程實際問題的專題講座、探索課內與課外的有機結合、激勵創新等為主要內容的研究型教學模式改革，并引入虛擬仿真實驗系統,改變傳統實驗手段，從而激發學生的學習積極性和學習興趣,充分發揮學生的主觀能動性和探索精神,培養學生的創新思維能力和實踐能力,努力使其成為適應于社會和科研需求的具有創新思維和創造能力的高素質創新型力學人才。

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

國家自然科學基金項目(11302093)；遼寧省大學生實踐教育基地(工程實踐教育中心)(11);建設項目和遼寧工業大學—錦州市市政工程總公司工程實踐教育中心項目 (遼教發[2013]126號)

孔祥清 (1982—),女,山東菏澤,博士,副教授,主要從事應用與實驗力學方面的研究.

E-mail：xiangqingkong@126.com

O32,G642.423

A

1002-4956(2017)2-0174-05