結合工程的材料力學課程大作業教學實踐

宋向榮++萬超++沈超明

摘要：為培養學生工程素質和應用能力，在材料力學課程教學中設計大作業，引導學生進行模型簡化、分析計算、設計測試方案、測試數據處理等，與課程理論緊密聯系，鍛煉學生綜合素質。以張弦桁架張拉分析為例，從大作業要求、簡要分析和案例小結三個方面，細述大作業實施過程。最后對教學實踐中的一些細節及大作業教學實踐價值進行了總結。

關鍵詞：材料力學；大作業；教學方法；工程應用

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）16-0166-02

材料力學課程是工科院校機械工程等較多專業的專業基礎課，該課程的特點是理論嚴密、邏輯性強并且與工程實際緊密聯系，如何將材料力學課程教學與培養學生的工程應用能力和創新能力相結合具有重要意義。近年來，隨著高校教育教學改革的不斷深入與廣大教師的不斷實踐，越來越重視學生的工程應用能力和創新能力的培養[1-6]。筆者在教學實踐中將工程實踐知識與學生動手能力和實際應用能力相結合，開發緊密聯系工程的課程大作業，培養學生對材料力學課程知識的綜合應用能力和工程素養。

一、材料力學大作業的教學設計

大作業的設計一般要求結合一定工程背景，提供相應圖紙、參數、工作原理等，鍛煉學生讀懂圖紙、提煉力學模型的能力；大作業的內容結合專業知識、工程實例或相關后續課程，列出一定的參考書及參考文獻，需要學生學會閱讀，自主學習；大作業的設計最好采取開放式的結論，給定設計參數讓學生分析研究方案，或給定必要功能進行相關參數的設計。限于篇幅這里僅列舉某張弦桁架張拉過程分析得工程案例案例。

1.某桁架結構張拉應力測試與分析案例。某體育館張弦桁架屋蓋結構，最大跨度115米，單榀最大重量約128噸。以某一榀桁架為例，可簡化為由屋蓋主桁架、撐桿和張弦等三部分組成的平面桁架，如圖1b所示。屋蓋組裝完成后，通過張拉機構收緊張弦AB，使屋蓋主桁架DABE起拱至設計高度，屋蓋成形。

2.作業要求。①某一榀桁架簡化為平面桁架，由設計圖紙給定各節點坐標。在施工過程中，張弦AB兩端同時張拉，撐桿上端與主桁架鉸接，下端與張弦間可自由滑動，并能保證撐桿始終保持豎直。試分析該平面桁架的超靜定次數。②求解該超靜定結構。假設已知主桁架的抗彎剛度EI，軸力和剪力引起的變形忽略，重力均勻分布。③已知主桁架總重105噸，索重67.4kG/m，忽略撐桿重。各節點應力及跨中撓度由實測給定。試計算主桁架的近似抗彎剛度。

3.簡要分析。由材料力學知識分析，該結構可簡化為一次超靜定結構，去除張弦得到其靜定基如圖2。

撐桿的內力F■（i=1，2，…，9）可由分析節點D■的平衡方程求得。由于對稱性，取左側一半節點分析，其受力圖如圖3。

角度θ■由原始尺寸計算，平衡方程為：

F■cosθ■=F■cosθ■

（i=1，2，3，4） （1）

F■sinθ■-F■sinθ■-F■=0

（i=1，2，3，4） （2）

F■=2F■sinθ■ （3）

由于對稱性，有F■=F■，F■=F■，由此，所有撐桿的內力都用F■表示。

變形協調條件為重力和張力共同作用下U■點的撓度為零，即可求得張弦的張力與重力之間的關系。

4.案例小結。這是一個實際工程問題，考查了學生以下方面的知識和能力：（1）考查了學生對超靜定結構的分析能力，和解決超靜定問題的能力。（2）該案例是工程實際問題的簡化模型，但實測數據來自工程，在理論分析與工程測試之間的關系上，考查學生綜合分析解決問題的能力。（3）由于結構復雜，對于張弦結構、張弦施工、胎架等工程問題，學生沒有接觸過，考查了學生的學習能力和理解能力。

二、材料力學大作業的實踐價值

材料力學大作業的教學實踐引入了大量工程問題，引導學生在模型簡化、設計圖紙解讀、試驗方案等方面學習工程知識的同時，進一步加深理解了材料力學課程與工程應用的聯系。材料力學大作業的實施讓學生充分認識到材料力學作為基本理論分析手段在工程應用中的重要性。由于條件限制，不可能讓很多同學參與工程項目研究；并且學生還沒有有限元基礎，分析手段略有欠缺，但通過對實測數據的分析與處理，同樣起到鍛煉學生分析解決問題的能力。在材料力學課程教學過程中，結合實踐性教學環節鍛煉和培養學生的綜合素質是當代大學教育改革的一個顯然趨勢，很多教師和同行都提出了許多很好的方法。本文僅是教學過程中的一個小的實踐，在結合工程實際合理選題、優化課堂教學內容與課外學習之間的關系、培養和調動學生參與積極性等方面還需要不斷改進，作者希望通過本文起到一個拋磚引玉的作用，希望得到同行的批評指正。

參考文獻：

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