工程案例及其在材料力學課程中的綜合實踐教學應用

宋向榮　吳杰　姜文安

摘 要 材料力學課程教學改革的實踐越來越重視學生工程應用能力和創新能力的培養。在教學實踐中，結合工程案例，讓學生通過建立模型、簡化計算、工程測試、匯報答辯等環節，小組分工合作完成綜合實踐作業，培養學生的綜合能力。

關鍵詞 材料力學；工程案例；綜合實踐教學；卓越工程師

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）08-0141-03

1 引言

材料力學課程是工科院校機械類、土建類、交通運輸類等較多專業的專業基礎課，是學生接觸專業知識和工程領域的先導課程，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。國家開展卓越工程師教育培養計劃，也旨在培養適應經濟社會發展需要的創新能力強的高質量工程技術人才，對材料力學課程教學實踐提出新的要求。

以往力學課程教學以理論嚴密、邏輯性強為特點，強調學生的理論基礎和數理邏輯能力。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。但在教學中如何將工程實踐知識與學生動手能力和實際應用能力相結合，還需多做探索。部分教師在開展科研項目研究時讓學生參與，但發現學生的基礎還沒達到要求，并且學生在學完課堂內容后覺得作業習題大多偏重理論，與工程應用還有距離。

筆者在長期教學積累和科研合作中，提煉了部分與材料力學課程知識結合緊密的工程案例，使學生在完成工程實踐綜合作業的過程中，重點培養材料力學課程知識的應用能力、團結協作與動手能力，引導學生參與工程實踐及科研項目，提高學生的綜合能力和創新素質。

2 結合工程案例的綜合實踐作業設計

材料力學課程綜合實踐作業的教學目的可以概括為培養學生提煉力學模型的能力，提高學生解決實際工程問題的能力，提高學生自我學習的能力，培養和提高學生組織協作的能力，培養學生科學思維方法和研究能力，鍛煉學生分析總結和表達能力。

材料力學課程綜合實踐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；綜合實踐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；綜合實踐作業的設計一般采取開放式的結論，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。

材料力學課程綜合實踐作業的形式可以分為與課程內容相關的可以讓學生直接參與的課題、從工程實際中提煉的力學近似計算、結合工程問題的開放選修實驗、學生自主選題的大學生創新項目、群體性參與的趣味力學競賽等。限于篇幅，這里僅列舉幾個材料力學綜合實踐作業案例。

案例1：錨鏈環拉伸試驗與分析 某型號的錨鏈環如圖1所示，需進行拉伸試驗以檢驗錨鏈單環承受的最大載荷、最大應變以及錨鏈環的變形等。試驗載荷從520 kN分20個加載步到7460 kN然后卸載，采用電測法進行應變測試，實測時確定的應變片布置方案如圖1所示。

要求：1）根據錨鏈環的結構圖紙，確定錨鏈單環的力學模型，分析錨鏈環拉伸的應力分布；2）根據應變測試方案確定試驗步驟，分析應變測試方案的合理性；3）少部分學生參與現場測試；4）已知各載荷步下各測點的實測應變，分析試驗結果，得到簡要結論。

該案例考查的學生的知識和能力包括：1）對內超靜定結構的受力和應力分析的能力；2）電測理論，如何應用電橋理論得到錨鏈環拉伸時的拉伸應力和彎曲應力；3）通過參與現場測試鍛煉學生的動手能力，增長學生的工程見識；4）對測試數據的處理和分析能力，直接感受工程測試與理論分析的差別。

案例2：張弦桁架結構張拉應力測試與分析 某體育館張弦桁架結構見圖2，最大跨度115米，單榀最大重量約128噸，張拉過程是施工的關鍵項目。以某一榀桁架為例，需對張拉過程中桁架關鍵部位的應力進行監測。

要求：1）根據鋼結構施工圖紙，用力學知識建立單榀桁架的力學模型；2）對模型進行簡化，得到材料力學中的超靜定結構；3）簡要分析單榀桁架的應力監測關鍵部位；4）參觀工地，參觀張拉過程；5）對應力、結構變形等監測數據進行簡要分析，與施工前的分析進行對比，分析差別的原因；6）預測溫度對結構的影響，提出驗證方法。

這是一個實際工程問題，通過布置綜合實踐作業的方法讓學生在施工前就提前參與，使學生對課程的工程應用有了更加深刻的認識。再由于工程缺少工程經驗，學生分析后確定的監測點與項目方案存在偏差，但通過施工現場的分析講解，對結構施工直觀了解，培養了學習積極性。

案例3：某雙體客船螺旋槳軸系的強度計算 某長江短途客船已知主機額定功率為190 kW，額定轉速1000 r/min，

總減速比2.89，軸的轉速346 r/min，螺旋槳推力2350 kg，

螺旋槳重量200 kg，材料35#鋼，聯軸節重量42.8 kg，法蘭重量28.5 kg，屈服極限270 MPa，許用安全系數[k]=

2.5～5.5，圓齒輪箱裝有推力軸承，可承受2600 kg的推力，滿足本船實際推力2350 kg的要求。在強度計算時，為偏于安全，將前端視為自由端。船舶軸系一般是一個變截面連續梁，在聯軸節處作用集中載荷，將它簡化為分段等截面連續梁，如圖3所示。

要求：1）按分段等截面連續簡化法，完成基本數據表；

2）按力矩分配法，計算各節點的彎矩，計算分配系數、固定端外力矩，用列表的方式進行力矩分配法計算（分配13次）；3）求節點處的剪力和支座反力；4）用三彎矩方程計算節點處彎矩校核力矩分配法的結果；5）畫軸系受力簡圖、軸力圖、扭矩圖、剪力圖和彎矩圖；6）按第四強度理論，對危險截面用安全系數法進行強度校核。

通過該案例的計算，學生在復習和熟悉材料力學課程內容外，增強了綜合計算及綜合應用能力，提前接觸了專業知識、行業規范以及工程術語，掌握了力學模型的簡化及計算方法，進一步認識到材料力學課程在工程中的實際應用。

案例4：八角環式車削測力儀的測力計算 八角環式彈性元件見圖4，要求：1）將八環式彈性元件簡化為兩端固定的圓環式曲桿；2）用力法正則方程求解三個垂直方向力單獨作用下的超靜定問題，求解剛化桿中間截面上各自的內力（作為多余約束力），寫出曲桿的彎矩和軸力方程；3）以

大曲率曲桿計算各測點上的正應力，并計算理論讀數；4）分

析每組布片和接線圖，說明理由；5）分別計算理論讀數值與實驗讀數的誤差；6）進行誤差分析。

該案例是一個典型的力學方法應用案例，涉及曲桿超靜定計算、力與變形及應變之間的關系、電測法測試應力、橋路應用等知識，進一步促使學生綜合應用課程知識。

3 材料力學綜合實踐作業的教學實踐

由于課程教學時數不斷減少，在時間安排上，一般一次綜合實踐作業占用3學時的課內時間。其中1學時用于布置任務、講解基本要求，確定分組和組內分工，明確小組負責人和完成時間節點，最后占用2學時進行答辯。其余為課外時間完成，包括學生查閱資料、完成作業、輔導答疑等。這樣做到了課內教學與課外學習的有益結合。

一般一學期有2～3次綜合實踐作業，在教學過程中，結合每學期的實際情況及項目情況，每年的內容和要求會略有不同。由于綜合實踐作業難度較大、要求較高，每次作業按學生自愿的原則結合學生學習程度分組，一般4～6人一組，要求小組內明確分工與合作。小組分工包括查閱文獻、建立模型、計算、繪圖、完成報告、制作答辯PPT等。

考核是綜合實踐作業的另外一個重要環節，作為課程的一個重要組成部分，綜合實踐成績被記入課程考核內容。考核內容包括：小組分工情況，考察每個學生參與程度及完成工作量；完成一份作業總結報告，報告內容要求條理清楚，詳盡描述小組分工、完成過程、研究思路、研究方法和結論；項目答辯，要求每組派一個代表匯報答辯，其余學生接受問詢考核，對每位學生分別給分。

在綜合實踐作業的實施過程中，大部分學生能積極配合，學有余力的學生在圖書館和網上查閱大量文獻，并在與教師的交流過程中學習到大量課堂以外的知識；也有少量學生不很熱心，渾水摸魚。另外，綜合實踐作業占用學生大量的課外時間，需要進一步合理安排課堂教學與課外教學的時間關系。在考核內容和考核方式以及激勵措施方面，材料力學綜合實踐作業的教學實踐還需進一步完善。

4 結語

材料力學課程是工科類各專業學生由基礎課程向專業課程過渡的先導課程，對培養學生工程基礎和實踐能力起到重要影響。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必然趨勢，很多教師和同行都提出許多很好的方法。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不斷改進。筆者希望通過本文起到一個拋磚引玉的作用，得到同行的批評指正。