時間：2022-04-17 05:13:36
序論：在您撰寫材料力學(xué)論文時，參考他人的優(yōu)秀作品可以開闊視野，小編為您整理的1篇范文，希望這些建議能夠激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，引導(dǎo)您走向新的創(chuàng)作高度。
【摘 要】根據(jù)課程特點(diǎn)，結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，摸索出了一套行之有效的材料力學(xué)計算公式分類記憶方法，取得了良好的教學(xué)效果，學(xué)生的計算準(zhǔn)確性和學(xué)習(xí)積極性均得到提高。
【關(guān)鍵詞】材料力學(xué)；計算公式；分類記憶；教學(xué)效果
材料力學(xué)是針對我校機(jī)械類、材料類專業(yè)學(xué)生開設(shè)的一門理論性較強(qiáng)的技術(shù)基礎(chǔ)課。由于課程內(nèi)容復(fù)雜，計算公式繁多，多數(shù)學(xué)生在記憶上存在一定的難度，計算準(zhǔn)確性和學(xué)習(xí)積極性受到影響，進(jìn)而導(dǎo)致教學(xué)效果很不理想。因此，材料力學(xué)計算公式的記憶問題成為一個急需解決的主要問題。根據(jù)課程特點(diǎn)，結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，借鑒他校和他人教學(xué)改革思路[1-4]，摸索出了一套行之有效的材料力學(xué)計算公式分類記憶方法，取得了良好的教學(xué)效果。
經(jīng)過觀察不難發(fā)現(xiàn)，這幾組公式的結(jié)構(gòu)完全相同，都是分?jǐn)?shù)的形式。如果記憶的是軸向拉伸和壓縮的計算公式，那么后面的剪切、扭轉(zhuǎn)和彎曲的計算公式可以記憶為：分子中的截面內(nèi)力變換一下形式，分母中的截面參數(shù)和變形剛度也相應(yīng)變換一下形式。
類似地，還有主應(yīng)力、主應(yīng)變和主慣性矩公式也可以用這樣的替換方法來記憶。
通過分類記憶，就算再難的公式也會記住的。養(yǎng)成分類記憶的習(xí)慣，不僅有助于提高記憶力和觀察力，還有助于提高想象力和創(chuàng)造力。
2 教學(xué)效果
在分類記憶方法的影響下，學(xué)生就能主動地記憶看似復(fù)雜、繁亂的材料力學(xué)計算公式了，課堂練習(xí)和課后作業(yè)的計算準(zhǔn)確性就會相應(yīng)地得到提高。在教師的正確引導(dǎo)下，學(xué)生學(xué)好材料力學(xué)的信心就會逐漸增強(qiáng)，學(xué)習(xí)積極性不斷提高，從而體會到學(xué)習(xí)材料力學(xué)不再是一件很痛苦的事情，而是一件很快樂的事情。
2.1 提高了學(xué)生的計算準(zhǔn)確性
以往學(xué)生對學(xué)習(xí)材料力學(xué)缺乏興趣，原因之一就是計算公式?jīng)]有記住。在教學(xué)過程中，經(jīng)常有學(xué)生反映材料力學(xué)公式多，不好記，結(jié)果導(dǎo)致課堂練習(xí)和課后作業(yè)的計算準(zhǔn)確性低。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這種情況具有普遍性。這個問題如果解決不好，勢必會影響教與學(xué)的效果。引入分類記憶方法后，公式記住了，學(xué)生的計算準(zhǔn)確性自然就提高了。
2.2 提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性
以往學(xué)生對學(xué)好材料力學(xué)缺乏信心，原因之一就是辛勤付出沒有回報。經(jīng)常出現(xiàn)這種情況：雖然學(xué)生學(xué)習(xí)很努力，但是成績不理想。分析原因，公式?jīng)]記住，解題錯誤多，努力沒收獲，結(jié)果導(dǎo)致學(xué)生的自信心受到打擊，學(xué)習(xí)積極性上不來。引入分類記憶方法后，公式記住了，成績上去了，付出有回報，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性自然就提高了。
3 結(jié)束語
材料力學(xué)計算公式的分類記憶探索取得了一定的成效，現(xiàn)已獲得校方和學(xué)生的認(rèn)可。通過對材料力學(xué)計算公式的分析整理，進(jìn)行分類記憶探索，進(jìn)一步強(qiáng)化對知識的學(xué)習(xí)和掌握要求，不僅僅是能領(lǐng)會教材中的知識，而且能把獲得的知識在頭腦中記憶下來。只有這樣，才能在作業(yè)、考試及以后的工作中靈活運(yùn)用，也才算真正掌握了知識。因此，這種記憶方法值得進(jìn)一步推廣，以獲得更好的教學(xué)效果。
【關(guān)鍵詞】 材料力學(xué)；青年教師；思考
材料力學(xué)是工學(xué)學(xué)科中力學(xué)類、機(jī)械類、土木類、航空航天類等專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。在上述專業(yè)課程體系當(dāng)中，按照授課時間排序，材料力學(xué)是第一門系統(tǒng)性講解變形體（桿件）在外部載荷（以集中力、布力、集中力偶與溫度為主）作用下形變與內(nèi)部應(yīng)力相關(guān)計算的課程，內(nèi)容上完成了從質(zhì)點(diǎn)、剛體到變形體的過渡，上承高等數(shù)學(xué)、理論力學(xué)，下啟彈性力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、巖土力學(xué)、機(jī)械設(shè)計等專業(yè)課程，是連接基礎(chǔ)課與專業(yè)課的不可或缺的一環(huán)。目前，以建設(shè)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科為目標(biāo)，筆者所在的上海理工大學(xué)正實(shí)施“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，同時大力推進(jìn)多個專業(yè)的工程教育專業(yè)認(rèn)證。在這樣的背景下，如何將材料力學(xué)這門由于內(nèi)容相對經(jīng)典且邏輯性強(qiáng)，而在部分學(xué)生眼中顯得抽象枯燥的課程講好，使得學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)能夠掌握材料力學(xué)中的思想方法及重要結(jié)論，并具備將其應(yīng)用于解決實(shí)際工程問題的能力，是值得從事材料力學(xué)教學(xué)工作的青年教師思考的一個重大問題。下面，筆者結(jié)合工作實(shí)踐談幾點(diǎn)自己的看法。
一、講好緒論課
材料力學(xué)的緒論部分一般包括對本課程研究對象、研究內(nèi)容、研究方法、基本概念、實(shí)際應(yīng)用，以及歷史沿襲、最新進(jìn)展、未來趨勢等的介紹。由于緒論并不涉及具體的公式推導(dǎo)與問題求解，容易被相當(dāng)數(shù)量的習(xí)慣于應(yīng)試導(dǎo)向性學(xué)習(xí)的學(xué)生貼上“內(nèi)容空洞，學(xué)而無用”的標(biāo)簽，甚至一些授課教師也持有類似觀點(diǎn)，以幾句話將緒論匆匆?guī)н^，進(jìn)入相對“言之有物”的后續(xù)內(nèi)容。實(shí)際上，緒論的重要性并不亞于其他章節(jié)，一堂好的緒論課不但應(yīng)當(dāng)能夠使學(xué)生對課程內(nèi)容產(chǎn)生清晰的整體印象，還應(yīng)起到拓寬其視野，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣的目的。緒論課的作用就好比“藏寶圖”加“指南針”，使學(xué)生在后續(xù)的學(xué)習(xí)過程中可以主動地按圖索驥而不至迷失方向，最終獲得“寶藏”――即解決問題的思想方法與需要掌握的知識點(diǎn)。
材料力學(xué)教材緒論部分所包含的知識點(diǎn)之間聯(lián)系相對松散，不存在能夠串起全部知識點(diǎn)的較長邏輯鏈，因而在講課方面留給教師自由發(fā)揮的余地較大；但也正是由于無定式可循，講好緒論課的難度甚至還要高出講好具體理論課程的難度。為了使緒論課發(fā)揮其應(yīng)有的作用，組織課程內(nèi)容時不妨考慮以下幾點(diǎn)：
1. 以現(xiàn)實(shí)生活中常見實(shí)例作為開頭，以設(shè)問的形式引出材料力學(xué)的研究內(nèi)容，即強(qiáng)度、剛度與穩(wěn)定性的概念。如，由建筑地基不均勻沉降導(dǎo)致的墻體裂縫多與地面呈45°的現(xiàn)象，以及2012年8月24日發(fā)生的哈爾濱陽明灘大橋垮塌事故，引出強(qiáng)度的概念與重要性；由客機(jī)起飛時通過舷窗所觀察到的機(jī)翼彎曲現(xiàn)象，以及1998年6月17日發(fā)生的因Ka-50直升機(jī)上下兩副反向旋轉(zhuǎn)的旋翼槳葉碰撞而導(dǎo)致的墜機(jī)事故為例，引出剛度的概念及重要性。
2. 以材料力學(xué)的發(fā)展史為主線，重點(diǎn)介紹做出過突出貢獻(xiàn)的著名科學(xué)家及其工作，如伽利略、胡克、歐拉、拉格朗日、納維等人，使學(xué)生在深入學(xué)習(xí)具體理論之前即對課程內(nèi)容的背景及歷史沿革有所了解，對課程產(chǎn)生更加立體的第一印象。與此同時，還應(yīng)適當(dāng)增加與中國古代材料力學(xué)成就相關(guān)的部分內(nèi)容，如東漢末年經(jīng)學(xué)家鄭玄對于胡克定律的等價描述0，建于公元600年前后、世界現(xiàn)存第二古老的單孔敞肩圓弧石拱橋――趙州橋，以及建成于公元1056年、世界現(xiàn)存最高大的古代木構(gòu)建筑――山西應(yīng)縣佛宮寺釋迦塔等等。
3. 在講解材料力學(xué)基本假設(shè)時，不但需強(qiáng)調(diào)其在理論推導(dǎo)方面的意義，同時還應(yīng)從正反兩個方面舉例說明其適用范圍，使學(xué)生對真實(shí)世界的復(fù)雜性與理論的局限性產(chǎn)生一定的感性認(rèn)識，為將來進(jìn)一步學(xué)習(xí)更高層次的課程做一鋪墊。如，對于連續(xù)性假設(shè)，可指出只有物體所占據(jù)的空間內(nèi)均充滿物質(zhì)不存在空隙，且物體變形后不發(fā)生重疊或開裂現(xiàn)象時，物體的變形及內(nèi)力才能表示為物體內(nèi)部每一個物質(zhì)點(diǎn)的坐標(biāo)的連續(xù)函數(shù)，便于利用數(shù)學(xué)分析的方法進(jìn)行研究。盡管此假設(shè)在原子尺度上、甚至對于某些多孔材料在微米尺度上不再成立，但只要作為研究內(nèi)容的材料的力學(xué)行為所發(fā)生的尺度遠(yuǎn)大于上述范圍，則仍然可以應(yīng)用此假設(shè)。如果物體的確包含宏觀裂紋或類似缺陷，那么采用斷裂力學(xué)的分析方法則更為適合。對于均勻性假設(shè)，可指出此假設(shè)意味著物體內(nèi)部各物質(zhì)點(diǎn)處均有相同的力學(xué)性能，所以材料屬性可以是獨(dú)立于物質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)的常數(shù)。盡管此假設(shè)對于金屬材料在晶粒尺度上、對于某些包含顆?；蚶w維組分的復(fù)合材料甚至在10 μm的尺度上不再成立，但在宏觀尺度上仍可應(yīng)用均勻性假設(shè)。對于各向同性假設(shè)，可指出其適用于大多數(shù)金屬與高分子聚合物工程材料，但同時也存在大量不滿足此假設(shè)的常見材料，典型如竹子、木材、連續(xù)纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料單層板等。另外，還可舉例說明宏觀尺度上各向同性的材料在細(xì)觀或介觀尺度上并非各項同性。最后，應(yīng)特別強(qiáng)調(diào)各向同性只是針對材料的彈性行為而言，并不包括強(qiáng)度，避免學(xué)生混淆概念。
二、優(yōu)化課堂內(nèi)容
現(xiàn)階段我國高校中材料力學(xué)的教學(xué)進(jìn)程大多沿著“直桿軸向拉壓圓截面軸扭轉(zhuǎn)直梁對稱彎曲應(yīng)力狀態(tài)與強(qiáng)度理論組合變形”的主線展開，再附加壓桿穩(wěn)定與能量法有關(guān)內(nèi)容；對于桿件的三種基本變形（拉壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲），又多沿著“變形假設(shè)幾何關(guān)系本構(gòu)關(guān)系平衡條件應(yīng)力公式變形公式”的順序進(jìn)行演繹推導(dǎo)。國內(nèi)外多種教材的內(nèi)容也基本按照上述思路編排或略加調(diào)整0-0。這種整體進(jìn)程安排符合由淺入深、從易到難、循序漸進(jìn)的一般教育原則，同時通過講解桿件的三種基本變形問題，可加深學(xué)生對于材料力學(xué)中普遍采用的分析方法的理解與記憶。但是另一方面，這種傳統(tǒng)安排的不足之處表現(xiàn)為教學(xué)內(nèi)容重復(fù)性較大，且各部分之間的邏輯聯(lián)系不夠緊密，不利于學(xué)生在較短時間內(nèi)掌握材料力學(xué)的核心內(nèi)容0， 0，影響學(xué)習(xí)效率與積極性的提高。面對傳統(tǒng)的教學(xué)進(jìn)程安排、有限的課時（根據(jù)學(xué)生專業(yè)不同通常為64或48）與不斷增長的對實(shí)際傳授知識量的需求三者之間的矛盾，優(yōu)化課堂內(nèi)容顯得十分必要。
1. 由于生活在信息時代、習(xí)慣于在若干目標(biāo)間快速轉(zhuǎn)移注意力的學(xué)生難以被包含較長邏輯鏈的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程長時間吸引，所以需要將傳統(tǒng)的“連續(xù)式”教學(xué)過程變?yōu)椤懊}動式”教學(xué)過程，將每堂課所應(yīng)覆蓋的內(nèi)容歸納劃分為若干個知識點(diǎn)，每個知識點(diǎn)都包括設(shè)問形式的開頭、具體內(nèi)容講解、為下一個知識點(diǎn)鋪墊的結(jié)尾所構(gòu)成。考慮到學(xué)生一般可持續(xù)集中注意力的最長時間約為10 分鐘左右，每個知識點(diǎn)所需講授時間在10～15 分鐘左右為宜，這樣一節(jié)時長45分鐘的課程中即可安排3～4個知識點(diǎn)。
2. 對于桿件的基本變形，除按照現(xiàn)有教學(xué)順序進(jìn)行講授之外，還可在每一種基本變形相關(guān)內(nèi)容講授完畢之后，沿“外力內(nèi)力應(yīng)力應(yīng)變能量”的主線0重新演繹所學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生從不同角度觀察分析問題，拓寬思路。在所有基本變形講授完畢之后，應(yīng)充分比較直桿在軸向拉壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲時的分析方法與重要結(jié)論，并歸納提煉出共同特征，使學(xué)生從更高層次上整體理解與掌握課程內(nèi)容。另外在不改變基本教學(xué)順序的情況下，還可適量增加教材以外的內(nèi)容，目的在于加強(qiáng)學(xué)生對于解決材料力學(xué)問題的一般方法的理解，不求艱深。例如，可利用推導(dǎo)直梁橫力彎曲時平衡微分方程的微元法，推導(dǎo)直桿軸向拉壓與圓截面軸扭轉(zhuǎn)時的控制方程0，而后兩者在現(xiàn)行教材中一般較少出現(xiàn)。
3.形形色色的有限元分析軟件已經(jīng)在工業(yè)界得到了大規(guī)模應(yīng)用，而材料力學(xué)的知識又是掌握有限元軟件使用方法的必要前提。為了培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，同時加深對于材料力學(xué)所學(xué)內(nèi)容的理解，可以在課程中增加有限元軟件的簡單介紹與實(shí)際操作模塊，使學(xué)生具備利用ANSYS或者Abaqus解決簡單材料力學(xué)問題的能力。
三、合理運(yùn)用現(xiàn)代化教學(xué)手段
目前，以微軟公司的PowerPoint（簡稱PPT）為代表的電子演示文稿已經(jīng)成為各高校必不可少的多媒體教學(xué)手段。傳統(tǒng)的以板書為主的教學(xué)模式中，授課教師需花費(fèi)大量時間在黑板上寫字繪圖，期間背對學(xué)生，無法觀察學(xué)生的反應(yīng)，與學(xué)生的互動時間也會相應(yīng)減少。而且板書的表現(xiàn)力有限，難以用生動的形式解釋某些較難理解的概念。同時，以板書為主的教學(xué)模式要求授課教師對于在課堂上所要呈現(xiàn)的全部內(nèi)容都爛熟于心，否則一旦記憶不牢，就有可能在面對空白的黑板時無從下手，致使教學(xué)效果大打折扣，而這也正是許多初上講臺的青年教師所要面對的問題。板書的弱項卻是PPT的長項，若以PPT為主要教學(xué)手段，由于不用花費(fèi)時間在黑板上寫字繪圖，授課教師可一直面對學(xué)生，便于師生互動，提高教學(xué)效率。另外，因為大部分講授內(nèi)容均已預(yù)先記錄在PPT上，教師不用為偶爾忘記內(nèi)容擔(dān)心，實(shí)際上減輕了教師的負(fù)擔(dān)。不過另一方面，PPT在展示數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程方面也有自身的局限性，由于所有內(nèi)容均為事先制作，缺乏根據(jù)需求臨場改變的自由度，不便于教師根據(jù)學(xué)生的反饋而從多個角度解釋部分推導(dǎo)過程。此外，較快的顯示速度也不利于學(xué)生對于推導(dǎo)邏輯的理解消化，而高度集中的注意力也容易造成學(xué)生的疲勞。在這方面，板書的點(diǎn)顯而易見，理論推導(dǎo)過程明晰，節(jié)奏適中，便于學(xué)生理解。因此，青年教師應(yīng)合理結(jié)合傳統(tǒng)板書與以PPT為代表的現(xiàn)代教學(xué)手段，利用自身熟悉多媒體素材與手段的優(yōu)勢，用大量可視化的內(nèi)容解釋材料力學(xué)中理論性較強(qiáng)、相對晦澀的概念；而在進(jìn)行理論推導(dǎo)時，則依靠板書，詳細(xì)講解思路與每一步的依據(jù)，并結(jié)合學(xué)生的反饋，重復(fù)重點(diǎn)步驟，這樣才能取得更好的教學(xué)效果。
智能手機(jī)是另一個可以利用的教學(xué)手段。盡管目前智能手機(jī)的濫用已經(jīng)成為一個普遍存在的影響課堂教學(xué)效果的因素，但不可否認(rèn)的是智能手機(jī)與互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合的確大大加快了信息傳播的速度，也大大方便了人與人之間的交流。正如大禹治水，堵不如疏，與其禁止學(xué)生在課堂上使用手機(jī)，不如引導(dǎo)其適度“正面”地使用手機(jī)或其他移動通信終端，使手機(jī)為提高課堂教學(xué)效果服務(wù)。
材料力學(xué)作為工學(xué)學(xué)科多個專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，隨著“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的實(shí)施與工程教育專業(yè)認(rèn)證的推進(jìn)，對這門經(jīng)典力學(xué)課程的教學(xué)效果提出了更高的要求。作為從事材料力學(xué)教學(xué)工作的青年教師，在不改變現(xiàn)行教學(xué)體系的前提下，可充分發(fā)揮主觀能動性與熟悉新興教學(xué)方法與傳播手段的優(yōu)勢，從講好緒論課、優(yōu)化課堂內(nèi)容、合理運(yùn)用現(xiàn)代化教學(xué)手段三個方面著手，精心打磨材料力學(xué)，使其在新形勢下煥發(fā)生機(jī)，為培養(yǎng)適應(yīng)時展要求的創(chuàng)新型工程技術(shù)人才作出自身的貢獻(xiàn)。
摘要：本論文Y合我校實(shí)驗教學(xué)的實(shí)際情況，同時借助于材料力學(xué)理論知識，自主設(shè)計并開發(fā)了材料力學(xué)虛擬實(shí)驗系統(tǒng)。材料力學(xué)模擬實(shí)驗系統(tǒng)是一個基于web平臺開發(fā)，采用B/S模式三層架構(gòu)，通過J2EE、SQL等技術(shù)開發(fā)而來的一款網(wǎng)站系統(tǒng)，通過網(wǎng)頁接入服務(wù)器方式，在客戶端網(wǎng)頁進(jìn)行虛擬的材料力學(xué)模擬實(shí)驗，從而替代或補(bǔ)充在現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行的真實(shí)材料力學(xué)實(shí)驗教學(xué)活動。該論文將詳細(xì)分析材料力學(xué)虛擬系統(tǒng)的各種需求和特性，以及所需的各類技術(shù)支持，剖析材料力學(xué)模擬實(shí)驗系統(tǒng)內(nèi)部的邏輯實(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗系統(tǒng) web 材料力學(xué)
1 引言
隨著計算機(jī)的發(fā)展，計算機(jī)已經(jīng)在日常各類教學(xué)活動中扮演著無可替代的角色，計算機(jī)的高效和智能解決了教學(xué)生活中許多重大或者難以解決的問題。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)也繼承了這些特性，同時，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)比起計算機(jī)軟件又擁有著許多特有的優(yōu)點(diǎn)，比如計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可以做到實(shí)時更新與維護(hù)，而且比計算機(jī)軟件占用更少的資源，開發(fā)難度也大大降低。
虛擬實(shí)驗是以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的虛擬技術(shù)。早起僅在模擬電路中被提出。比如著名的電路模擬軟件Labview便是虛擬實(shí)驗系統(tǒng)的典型案例。在結(jié)構(gòu)和力學(xué)領(lǐng)域，國內(nèi)外采用有限元軟件、結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件、以及部分建造軟件進(jìn)行實(shí)驗，但是，這一類軟件主要是以分析和設(shè)計為主，但是在功能上，操作的流程和實(shí)驗的現(xiàn)象展示往往很難滿足實(shí)驗教學(xué)的需要。
力學(xué)實(shí)驗教學(xué)一直是力學(xué)教學(xué)中一個必不可少的組成部分，但是隨著力學(xué)科學(xué)的發(fā)展，以及力學(xué)學(xué)科內(nèi)部劃分的紛繁復(fù)雜，力學(xué)實(shí)驗器材種類特別繁多復(fù)雜，而且作為教學(xué)器材，數(shù)目巨大，且頻繁使用增加了器材的損耗，這無疑大量增加了教學(xué)費(fèi)用的開支。
本課題利用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)所具有的特性，通過計算機(jī)web的開發(fā)，利用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，制作了一款解決現(xiàn)實(shí)世界材料力學(xué)實(shí)驗教學(xué)所面臨的各類問題的虛擬實(shí)驗系統(tǒng)，通過網(wǎng)頁接入的方式，非常方便快捷高效的將現(xiàn)實(shí)世界材料力學(xué)實(shí)驗教學(xué)移植于網(wǎng)絡(luò)平臺。將所有教學(xué)活動網(wǎng)絡(luò)化，將使材料力學(xué)實(shí)驗教學(xué)變得非常低廉、高效和可持續(xù)。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述
材料力學(xué)虛擬實(shí)驗系統(tǒng)開發(fā)分為以下幾個階段完成。第一個階段由材料力學(xué)教研室完成典型的實(shí)驗項目和內(nèi)容，為進(jìn)一步開發(fā)提供理論保障；第二階段由學(xué)習(xí)材料力學(xué)的學(xué)生提實(shí)驗操作的實(shí)際要求，操作的簡易程度；第三階段由開發(fā)人員根據(jù)教師和學(xué)生提出的實(shí)驗要求進(jìn)行開發(fā)和推廣。材料力學(xué)虛擬實(shí)驗教學(xué)系統(tǒng)的總體設(shè)計目標(biāo)為：（1）對已有的教學(xué)實(shí)驗內(nèi)容和項目進(jìn)行有效分析、整理和完善。特別對影像照片、力學(xué)圖紙、力學(xué)使用說明和操作流程等技術(shù)資料進(jìn)行歸檔，為后期開發(fā)提供素材；（2）利用計算機(jī)虛擬技術(shù)，在線模擬實(shí)驗的全過程，再現(xiàn)不同測試方法和實(shí)驗現(xiàn)象，將該技術(shù)應(yīng)用于本科實(shí)驗教學(xué)的各個環(huán)節(jié)；（3）利用大型虛擬設(shè)備，并借助于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)再現(xiàn)實(shí)驗外的典型應(yīng)用和操作流程，用于本科生入學(xué)，其他專業(yè)學(xué)生和實(shí)驗人員開展相關(guān)活動。
本系統(tǒng)主體是web網(wǎng)站，采用了B/S模式下的三層架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)模式和 JavaEE及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行界面開發(fā)，采用SQL數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)對信息進(jìn)行高效安全管理。系統(tǒng)主要由三大功能模塊組成：學(xué)生界面模塊：主題是在線模擬實(shí)驗?zāi)K，同時包含在線交流答疑、公告廣播接收等輔助功能。教師界面模塊：主要提供模擬實(shí)驗的更新、公告廣播的、學(xué)生檔案管理等功能。數(shù)據(jù)庫模塊：主要是對各類信息數(shù)據(jù)的管理。
3 系統(tǒng)的需求分析
在力學(xué)虛擬實(shí)驗系統(tǒng)中，系統(tǒng)需求分析主要分為三塊，一塊是學(xué)生端實(shí)現(xiàn)，一塊是教師端實(shí)現(xiàn)，另一塊為數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)。
3.1 學(xué)生端
學(xué)生端主要為虛擬實(shí)驗的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的虛擬實(shí)驗?zāi)K，雖然包含多個物理實(shí)驗?zāi)Ｐ?，但其基本技術(shù)原理相同，受文章篇幅的限制，本文將以拉伸實(shí)驗為例介紹虛擬實(shí)驗?zāi)K的原理。
3.2 學(xué)生端登陸
學(xué)生若要使用本系統(tǒng)，必須擁有已注冊于服務(wù)器的賬號，如若沒有則需通過注冊向服務(wù)器錄入學(xué)生個人信息。注冊將會對注冊信息進(jìn)行必要的合法性檢查，其利用本地的JavaScript，通過后才會將個人信息錄入服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中。登陸完成后即可進(jìn)入學(xué)生端界面。
3.3 虛擬實(shí)驗
虛擬實(shí)驗界面中包含“實(shí)驗大綱”、“實(shí)驗指導(dǎo)”、“儀器試件”、“虛擬實(shí)驗”、“實(shí)驗報告”、“留言答疑”以及“我的信息”等板塊?！皩?shí)驗大綱”、“實(shí)驗指導(dǎo)”界面為收錄的本次實(shí)驗的原理教學(xué)和實(shí)驗流程，“儀器試件”則通過圖片形式展示本次實(shí)驗所用到的各類儀器。學(xué)生用戶可以通過瀏覽這些分類板塊了解本次實(shí)驗的原理、流程、目的以及實(shí)驗要求等信息，達(dá)到實(shí)驗前的教學(xué)目的。當(dāng)學(xué)生充分理解實(shí)驗后，就可以正式開始“虛擬實(shí)驗”環(huán)節(jié)，這也是本系統(tǒng)核心功能模塊。
“虛擬實(shí)驗”環(huán)節(jié)開始后，系統(tǒng)會通過前提JS，一些復(fù)雜的實(shí)驗則通過后臺servlet和 javaBean，依據(jù)具體實(shí)驗隨機(jī)生成一定合理范圍內(nèi)的實(shí)驗數(shù)據(jù)，并通過request或session對象傳遞給jsp頁面。當(dāng)完成以上實(shí)驗步驟后，學(xué)生用戶即可將虛擬實(shí)驗所得數(shù)據(jù)代入具體公式計算得出實(shí)驗結(jié)果，至此整個“虛擬實(shí)驗”環(huán)節(jié)結(jié)束。
3.4 報告提交
當(dāng)學(xué)生完成整體虛擬實(shí)驗后，即可將整個實(shí)驗流程和所得數(shù)據(jù)結(jié)果整理成報告，并通過網(wǎng)絡(luò)上傳提交與服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中，以備教師調(diào)閱或者學(xué)生自己查閱。同時系統(tǒng)也提供在線答疑功能，學(xué)生可將實(shí)驗步驟中難以理解的環(huán)節(jié)通過郵件形式發(fā)予任課教師進(jìn)行咨詢，回復(fù)也以郵件形式發(fā)回學(xué)生郵箱中。
3.5 教師端
教師使用此系統(tǒng)也需要進(jìn)行賬號注冊以及信息的驗證，驗證過程同學(xué)生模塊，注冊完成后將信息收錄數(shù)據(jù)庫中。教師模塊的權(quán)限要高于學(xué)生模塊，教師模塊擁有整個系統(tǒng)的控制權(quán)限，教師可以通過教師端界面管理整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫。
3.5.1 報告管理
當(dāng)學(xué)生將實(shí)驗報告提交于服務(wù)器數(shù)據(jù)庫之后，教師即可通過“報告管理”模塊查詢到所需要調(diào)閱的報告。查詢功能采用模糊搜索方式，可以根據(jù) “名稱”、“起始時間”、“結(jié)束時間”等條件對數(shù)據(jù)庫中的報告進(jìn)行檢索。教師擁有對報告數(shù)據(jù)庫表的更新管理權(quán)限，可以隨時刪減數(shù)據(jù)庫中的報告文件，并且教師可以上傳報告模版文件，供學(xué)生下載使用。
3.5.2 成績管理
通過“成績管理”模塊，教師可以在線打開學(xué)生提交于報告數(shù)據(jù)庫中的文件。在打開后的報告界面會出現(xiàn)“評分”選項，教師可以通過審閱學(xué)生提交的報告對學(xué)生虛擬實(shí)驗的完成情況進(jìn)行等級評定工作。當(dāng)評定完成之后，評定的結(jié)果信息會被儲存于服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中，對不及格的報告，教師可在“報告管理”模塊將其刪除。學(xué)生可在收到評定結(jié)果為“不合格”的消息后再次進(jìn)行模擬實(shí)驗并重新提交報告，直至評定結(jié)果為“合格”為止。教師也可在評定結(jié)果后再次進(jìn)行修改，更改評定的結(jié)果。
同時，教師也可在此模塊中進(jìn)行檢索，搜索出所有“合格”或“不合格”的學(xué)生信息及報告，并通過相應(yīng)模塊做后續(xù)的管理操作。
4 結(jié)語
本文通過詳細(xì)的介紹，描述了材料力學(xué)虛擬系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)及工作流程，闡述了材料力學(xué)虛擬系統(tǒng)的優(yōu)越性，以及對現(xiàn)實(shí)物理實(shí)驗所面臨的問題的解決策略，材料力學(xué)模擬系統(tǒng)極大減少了現(xiàn)實(shí)物理實(shí)驗的人力財力支出，是對現(xiàn)實(shí)物理實(shí)驗的強(qiáng)大補(bǔ)充和替代。
摘 要 材料力學(xué)是力學(xué)及機(jī)械、土木等相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)學(xué)科，其主要任務(wù)是研究桿狀材料的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。本文重點(diǎn)探討材料力學(xué)在其他力學(xué)學(xué)科，包括彈性力學(xué)、板殼力學(xué)及振動力學(xué)等學(xué)科中的應(yīng)用。此外，還介紹了材料力學(xué)在工程實(shí)際中的應(yīng)用。這不僅能深刻闡明學(xué)習(xí)材料力學(xué)課程的意義，還通過實(shí)例及工程背景來加深學(xué)生的印象，提高教學(xué)效率。
關(guān)鍵詞 材料力學(xué) 彈性力學(xué) 板殼力學(xué) 振動力學(xué) 工程應(yīng)用
0 引言
材料力學(xué)①是研究桿狀材料的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性的學(xué)科，也是力學(xué)、機(jī)械工程、土木工程等專業(yè)的必修課程。該學(xué)科的應(yīng)用范圍非常廣，不僅能解決一些強(qiáng)度校核、穩(wěn)定性驗證問題，還與其他力學(xué)學(xué)科，例如彈性力學(xué)、②板殼力學(xué)③和振動力學(xué)④等的交叉非常普遍。此外，材料力學(xué)在工程實(shí)際和生活中的應(yīng)用也非常多。本文就通過材料力學(xué)在力學(xué)學(xué)科及工程實(shí)際中的應(yīng)用這兩部分來進(jìn)行說明。
1 材料力學(xué)在力學(xué)學(xué)科中的應(yīng)用
1.1 材料力學(xué)在彈性力學(xué)中的應(yīng)用
彈性力學(xué)是研究彈性體在外力作用、溫度變化及支座沉陷等外部因素作用下產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變、位移的一門學(xué)科。其研究對象、基本假設(shè)及研究方法與材料力學(xué)不同，且它的基本研究思路是基于平衡方程、物理方程和幾何方程。其中，彈性力學(xué)中物理方程的推導(dǎo)與材料力學(xué)息息相關(guān)，如圖1所示，根據(jù)廣義胡克定律，容易得到
式（1）中，%l1，%l2和%l3分別是材料力學(xué)中的第一、第二及第三主應(yīng)力，E和%e分別為彈性模量和泊松比。材料力學(xué)在彈性力學(xué)中的應(yīng)用還有很多，例如平面應(yīng)力問題和平面應(yīng)變問題的區(qū)分、應(yīng)力集中現(xiàn)象在彈性力學(xué)中的推廣、圣維南原理、利用切應(yīng)力來求解彈性力學(xué)問題等等，此處不再一一贅述。
1.2 材料力學(xué)在板殼力學(xué)中的應(yīng)用
板殼力學(xué)是研究工程中的板殼結(jié)構(gòu)在外力作用下的應(yīng)力分布、變形規(guī)律和穩(wěn)定性的學(xué)科。其主要研究內(nèi)容為薄板彎曲理論以及經(jīng)典解法、薄板穩(wěn)定問題、薄殼一般理論。板殼問題的求解過程中，通常會用到材料力學(xué)撓曲線方程的微分關(guān)系，例如，1820 年，Navier 首先成功求解了均布荷載作用下的簡支矩形板的撓度問題，如圖2中，四邊簡支矩形板的邊界條件為
其中，撓曲線的曲率等于0，即是利用了材料力學(xué)中簡支端的彎矩M=0的概念。此外，該方法求解簡支矩形板的撓度，還利用了材料力學(xué)中的力法及位移法建立方程，且最終得到板的最大撓度發(fā)生在矩形的中心位置，即=a，=b處，這也與材料力學(xué)中簡支梁中心位置處撓度最大的概念相符。
1.3 材料力學(xué)在振動力學(xué)中的應(yīng)用
振動力學(xué)是研究機(jī)械振動的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的一門學(xué)科。固有頻率的計算，是振動研究重點(diǎn)關(guān)注的問題之一。而利用柔度法求解系統(tǒng)固有頻率時，材料力學(xué)的應(yīng)用可以讓問題大為簡化。如圖3所示為一帶有質(zhì)量塊的懸臂梁，為得到系統(tǒng)的固有頻率，可以將梁等效為彈簧，列振動方程進(jìn)行求解，然而該方法比較復(fù)雜。此處，可以根據(jù)材料力學(xué)中集中力作用下懸臂梁自由端的撓度公式得到梁的柔度，從而可以進(jìn)一步得到系統(tǒng)的剛度和固有頻率，讓計算和推導(dǎo)過程簡單化，基本計算過程如下：
類似地，還可以將材料力學(xué)中彎曲變形的概念應(yīng)用于振動測試當(dāng)中。如D4（a）、（b）表示用力錘法測試固支梁固有頻率和阻尼比的振動測試實(shí)驗及其原理圖。其中，實(shí)驗構(gòu)件由四根兩端固支梁和兩塊矩形鋼板組成，用力錘敲擊矩形板的側(cè)面，測試出的系統(tǒng)固有頻率即為四根固支梁的振動頻率。將系統(tǒng)看成四根并聯(lián)的彈簧，由材料力學(xué)知識，單根兩端固支梁的剛度為： 其中，E為彈性模量，I為慣性矩，L為固支梁的長度，系統(tǒng)總剛度即為 = 48EI/L3，再根據(jù) = ，即可求解出系統(tǒng)的理論固有頻率，并將其與振動測試設(shè)備得到的固有頻率相比較，便能驗證該實(shí)驗的精確性。
2 材料力學(xué)在工程實(shí)際中的應(yīng)用
除了在彈性力學(xué)、振動力學(xué)等力學(xué)學(xué)科和專業(yè)課程以外，材料力學(xué)在工程實(shí)際和現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用也非常廣泛。例如，如圖5利用有限元軟件分析結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，其中，材料的屬性：包括彈性模量、泊松比等都需要參考材料力學(xué)的內(nèi)容，且分析結(jié)果的正確性及其精度，也都可以通過材料力學(xué)的理論分析予以證明。在數(shù)控機(jī)床強(qiáng)度分析、大型自然通風(fēng)冷卻塔的優(yōu)化設(shè)計中，通常會涉及材料力學(xué)的基本概念。
此外，如圖6（a）所示，法國著名景點(diǎn)埃菲爾鐵塔的形狀，也可以利用材料力學(xué)中彎曲內(nèi)力的概念予以解釋。由于鐵塔水平風(fēng)向通常僅受到水平方向風(fēng)力的作用，因此從單個方向上可以將其等效為懸臂梁受水平風(fēng)載作用，其在均布載荷作用下的彎矩圖如圖6（b）所示。越靠近地面，彎矩越大，要保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，對建筑物的尺寸要求就越高。再考慮塔身自重以及不同高度和不同季節(jié)情況下風(fēng)速的差別等原因，才最終確定了埃菲爾鐵塔的形狀。巧妙利用了材料力學(xué)中彎矩的概念對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，這也是它與其他塔型建筑物的最顯著區(qū)別。
最后，在日常生活中接觸到的包裝袋會有鋸齒形狀或者小孔裂縫，方便與人們撕開，這就用到了材料力學(xué)中小孔或者縫隙處會發(fā)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象。此外，在汽車、船舶等交通運(yùn)輸工具中，通常會有材料拼接，拼接處由于材料不同，剛度出現(xiàn)急劇變化，此時也會發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此，一味增加此處材料厚度往往會適得其反。這些也都是材料力學(xué)在工程實(shí)際或現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用。
3 結(jié)束語
隨著工業(yè)4.0概念的普及，高校教育越來越偏重于信息化、智能化，對學(xué)生的要求是理論聯(lián)系實(shí)際、知識用于實(shí)踐。本文通過介紹材料力學(xué)在力學(xué)學(xué)科及工程實(shí)際中的應(yīng)用，既可以激發(fā)學(xué)生對材料力學(xué)的興趣、提高課程的教學(xué)效率，又能讓學(xué)生真正了解材料力學(xué)的工程背景和實(shí)用價值。
摘 要 材料力學(xué)是工科類專業(yè)的一門重要技術(shù)基礎(chǔ)課。本文從培養(yǎng)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段三方面出發(fā)對材料力學(xué)課程的教學(xué)改革進(jìn)行了初步的探討和思考，以期能夠在今后的教學(xué)實(shí)踐中培養(yǎng)出適合國家需要的多層次、多類別專業(yè)人才。
關(guān)鍵詞 材料力學(xué) 教學(xué)內(nèi)容 改革
材料力W是工科類專業(yè)的一門重要技術(shù)基礎(chǔ)課，對航空航天類、土建類、機(jī)械類各專業(yè)顯得尤其重要。材料力學(xué)課程的任務(wù)是為解決工程實(shí)際問題（強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性）提供必要的理論基礎(chǔ)。隨著材料制造工藝的飛速發(fā)展及計算機(jī)技術(shù)的日益普及，傳統(tǒng)的材料力學(xué)課程在教學(xué)方法和內(nèi)容上需要改革調(diào)整。本文以下結(jié)合筆者所在高校的教學(xué)實(shí)踐活動，對今后材料力學(xué)課程的改革進(jìn)行了初步的探討和思考，以期能夠在新的歷史時期下，培養(yǎng)出國家所需要的多層次、多類別的專業(yè)人才。
1 進(jìn)一步明確培養(yǎng)人才的目標(biāo)
目前，中國正處于快速發(fā)展階段，急需大量的各行業(yè)人才，而培養(yǎng)人才的重任便落在各種高校身上。中國有幾百所工科大學(xué)，但每所高校培養(yǎng)人才的方式不一樣，其中絕大多數(shù)高校是以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為主，少數(shù)高校是以培養(yǎng)研究性人才為主。以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為主要目標(biāo)的高校，學(xué)生畢業(yè)后絕大多數(shù)都流入了生產(chǎn)型企業(yè)，他們主要從事相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)和設(shè)計工作，是產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的中堅力量。而以培養(yǎng)研究型人才為主要目標(biāo)的高校，學(xué)生畢業(yè)后有相當(dāng)一部分會流入研究所和設(shè)計研究院，主要從事以技術(shù)創(chuàng)新為主的研究和深度研發(fā)工作，是產(chǎn)品研發(fā)階段的創(chuàng)新型人才。培養(yǎng)技術(shù)應(yīng)用型人才的高校，應(yīng)側(cè)重教會學(xué)生如何“用”的問題。而對于培養(yǎng)研究性人才的高校，更為重要的是告訴學(xué)生“為什么是這樣”的問題。所以，首先應(yīng)該根據(jù)學(xué)校自身的定位，明確學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)，從而合理組織教學(xué)內(nèi)容。其次，應(yīng)根據(jù)不同的專業(yè)設(shè)置來明確教學(xué)內(nèi)容。
材料力學(xué)是力學(xué)、航空、航天、機(jī)械、動力、土木、水利等專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)科，而且是一門理論性很強(qiáng)的學(xué)科，其包含的公式，定理，思維方式，建模思路等對于各行業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)，創(chuàng)新發(fā)展，優(yōu)化問題等方面起到很大幫助作用。不同專業(yè)對材料力學(xué)課程所要求的深度、廣度和側(cè)重點(diǎn)有所不同。所以，必須根據(jù)不同的專業(yè)設(shè)置，來安排和組織教學(xué)。在但無論培養(yǎng)什么樣的學(xué)生和什么專業(yè)的學(xué)生，都應(yīng)注重學(xué)生分析問題的能力和解決問題能力的培養(yǎng)，另外也應(yīng)注重學(xué)生的創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。
2 教材內(nèi)容與時俱進(jìn)
傳統(tǒng)的材料力學(xué)課程主要以宏觀尺度的一維桿件為研究對象，在教學(xué)內(nèi)容上先安排講授桿件的四種基本變形形式及對應(yīng)的強(qiáng)、剛度問題，在此之后講授組合變形并通過引入應(yīng)力狀態(tài)的概念引出組合變形模式下的強(qiáng)度問題，最后安排講授壓桿的穩(wěn)定性問題。以上講授內(nèi)容，自上世紀(jì)八十年代中后期就已經(jīng)成型，到30年后的今天仍然是材料力學(xué)的核心講授內(nèi)容。這樣的教學(xué)方式和考查形式著重培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)材料力學(xué)中的定理，理論和研究方法，然后解決一些傳統(tǒng)的問題，然而這并不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，與我國快速發(fā)展的現(xiàn)狀越來越不適應(yīng)。因此，使教材內(nèi)容適應(yīng)國家發(fā)展是很重要的。
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，材料制造工藝水平的不斷提高及新材料的不斷涌現(xiàn)，對材料力學(xué)這門“成熟”的課程提出了全新的力學(xué)問題。如何在傳統(tǒng)的材料力學(xué)課程中適度、適時地反映這些全新的課題和進(jìn)展是十分必要的。特別是近年來有限元思想的快速發(fā)展，這對材料力學(xué)的學(xué)習(xí)和教學(xué)有了很大影響，在研究工程變形和靜定結(jié)構(gòu)的基本變形中，有限元思想更是突出了它的便利之處。另外，隨著新的交叉學(xué)科的不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)材料力學(xué)中的一些結(jié)論和分析方法，也已在其他一些學(xué)科中得到了具體應(yīng)用。但是，這種全新的應(yīng)用并沒有在傳統(tǒng)的材料力學(xué)課程中得到體現(xiàn)。因此，在當(dāng)前學(xué)科交叉日益密集的趨勢下，如何對傳統(tǒng)的材料力學(xué)內(nèi)容進(jìn)行安排和重組，以反映這種學(xué)科間的交叉和滲透也是十分必要的。
傳統(tǒng)的材料力學(xué)內(nèi)容已不能滿足現(xiàn)代工程技術(shù)的發(fā)展，這并不是說要舍棄那些傳統(tǒng)內(nèi)容，而是要保留核心內(nèi)容，并加入一些新的思維方法，重組教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化課程體系，以達(dá)到完善教材，適應(yīng)時展的效果。這不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，還可以提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，提高學(xué)生解決問題的能力，并有利于高校培養(yǎng)專業(yè)的人才，滿足國家的需求。因此，教學(xué)內(nèi)容與時俱進(jìn)勢在必行。
3 完善教學(xué)手段
目前，隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，利用計算機(jī)的計算能力來解決實(shí)際工程問題以成為當(dāng)前的一種主流趨勢。計算機(jī)的普遍使用，也為材料力學(xué)課程教學(xué)方法提供了很大發(fā)展空間，老師應(yīng)該利用學(xué)生對計算機(jī)的興趣，合理使用計算機(jī)輔助教學(xué)，不僅可以提高信息的輸送和表達(dá)，而且還能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)造性。另外，利用多媒體教學(xué)，還能加深學(xué)生對材料力學(xué)基本概念的理解，相應(yīng)的提高了學(xué)生解決問題的能力，計算機(jī)教學(xué)方式是傳統(tǒng)教學(xué)手段的有力補(bǔ)充。還有一些大型的商業(yè)有限元軟件，尤其是ANSYS軟件早已被用來進(jìn)行結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計算。很多工科院校也已經(jīng)將ANSYS作為本科生或研究生的一門必修課程，通常都安排在材料力學(xué)課程之后學(xué)習(xí)。但是，在講授材料力學(xué)的過程中，也應(yīng)該充分利用ANSYS直觀形象的圖形顯示能力和強(qiáng)大的計算分析優(yōu)勢，來演示材料力學(xué)課程中的一些重要結(jié)論和驗證一些主要假設(shè)的合理性問題。舉例來說，在學(xué)習(xí)梁的彎曲變形時，采取了平截面假設(shè)，也就是說當(dāng)梁發(fā)生彎曲變形的時候，變形前原為平面的梁的橫截面變形后任保持為平面，且仍然垂直于變形后的梁的軸線。①這一假設(shè)的實(shí)質(zhì)是忽略了剪應(yīng)力對梁彎曲變形的影響，而且僅對長高比較大的梁（ >5）近似成立。
在教學(xué)過程中，一般僅是定性的告訴學(xué)生這一結(jié)論。利用ANSYS軟件，通過不同的單元選擇，比如可以利用Timoshenko梁單元，二維實(shí)體單元和三維實(shí)體單元，具體形象地展示不同單元的數(shù)值結(jié)果，從而定量的告訴學(xué)生這一假設(shè)合理性及適用性的問題。此外，另外一款數(shù)學(xué)軟件Matlab也因其強(qiáng)大的分析和仿真功能，被廣泛地應(yīng)用于研究及教學(xué)領(lǐng)域。事實(shí)上，Matlab也早已被列為本科生的一門選修課。國內(nèi)一些高校也開展了Matlab和材料力學(xué)課程相結(jié)合的一些有益探索和嘗試，比如利用Matlab計算超靜定機(jī)構(gòu)的支反力及繪制撓曲線的形狀等。②在材料力學(xué)課程中的把ANSYS，Matlab等仿真類軟件引入到材料力學(xué)課程教學(xué)中來，不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還可以加深學(xué)生對材料力學(xué)基本概念的理解，并有助于提高學(xué)生實(shí)際分析能力和解決問題能力的提高，為其將來更好更快地解決實(shí)際工程問題打下基礎(chǔ)。因此，在今后的材料力學(xué)教學(xué)中，應(yīng)該加大ANSYS，Matlab等軟件的介紹，在更深的層次上和教學(xué)過程相結(jié)合。
在利用計算機(jī)輔助教學(xué)的同時，也應(yīng)該注重加強(qiáng)學(xué)生進(jìn)行材料力學(xué)試驗，材料力學(xué)是一門理論性較強(qiáng)的學(xué)科。學(xué)生在學(xué)習(xí)基本概念和理論后，并不能完全理解，@就需要進(jìn)行材料力學(xué)試驗來加深學(xué)生對理論的理解，使理論與實(shí)踐相結(jié)合。從簡單的力學(xué)現(xiàn)象引出復(fù)雜的問題，通過理論的學(xué)習(xí)進(jìn)而解決力學(xué)問題揭示力學(xué)原理，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，通過看得見、摸得著的實(shí)驗可以加深學(xué)生對抽象概念的理解，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。
最后，要完善教學(xué)課堂，老師在完成規(guī)定的教學(xué)內(nèi)容后，應(yīng)該不斷鼓勵學(xué)生樂于提出問題，并在課堂上解決，這不僅能激發(fā)學(xué)生的思考和發(fā)散思維，還能起到現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用的作用，更能加深學(xué)生對基本概念的理解，提高學(xué)生解決問題的能力和創(chuàng)新能力。對于學(xué)有余力的學(xué)生，應(yīng)該給他們一些力學(xué)問題，讓他們合作解決，最后在課堂教學(xué)之余舉行一個小競賽，促使學(xué)生獨(dú)立思考和鉆研。這種教學(xué)方式不僅增強(qiáng)了學(xué)生自己查閱文獻(xiàn)和書籍的能力，還提高他們的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)他們接受新知識、新思想的能力，在使學(xué)生獨(dú)立思考的同時，也讓學(xué)生意識到團(tuán)隊合作的重要性，加強(qiáng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力?？傊?，材料力學(xué)這門課程雖然是理論性學(xué)科，但是從課程理論學(xué)習(xí)、教學(xué)方式、課堂實(shí)驗的創(chuàng)新等各個環(huán)節(jié)入手，并在各個過程中大膽創(chuàng)新，努力實(shí)踐，最終可以提高教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)，提高學(xué)生創(chuàng)新能力，使學(xué)校培養(yǎng)出高素質(zhì)，復(fù)合型人才，滿足國家對工程性技術(shù)人才的需求。
4 結(jié)語
材料力學(xué)是工科類專業(yè)一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程，筆者作為工科類材料力學(xué)課程的一線授課教師，對材料力學(xué)課程今后的教學(xué)改革方向提出了以上幾點(diǎn)思考和建議。為了培養(yǎng)出國家所需要的多層次、多類別的專業(yè)人才，在今后的教學(xué)工作中，只有明確了培養(yǎng)目標(biāo)，不斷改進(jìn)教學(xué)方法、與時俱進(jìn)地更新教學(xué)內(nèi)容，才能使學(xué)校培養(yǎng)出的學(xué)生肩負(fù)起時代所賦予的責(zé)任。
[摘 要]材料力學(xué)是工科高等院校十分重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，涉及機(jī)械工程、土木工程、石油工程等許多專業(yè)。針對工科高等院校材料力學(xué)實(shí)驗課程，提出以學(xué)生為主體的啟發(fā)式課程組織方法以及相應(yīng)的保障措施，打破傳統(tǒng)的材料力學(xué)實(shí)驗教學(xué)模式，能使學(xué)生真正形成從“被動”向“主動”，再由“主動”到“創(chuàng)新”的轉(zhuǎn)變。
[關(guān)鍵詞]材料力學(xué)；學(xué)生主體；啟發(fā)式；方法與措施
材料力學(xué)是工科高等院校十分重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，涉及機(jī)械工程、土木工程、石油工程等許多專業(yè)。該課程的本質(zhì)是探尋不同類型材料對于各種外力的承受能力以及內(nèi)部變化，從而進(jìn)一步分析各種材料的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。因此，在課堂理論教學(xué)的基礎(chǔ)上，它非常強(qiáng)調(diào)與之對應(yīng)的各種材料力學(xué)性能實(shí)驗。良好的實(shí)驗教學(xué)過程，不僅能夠提高學(xué)生對基本理論知識的掌握，而且能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)其分析和創(chuàng)新能力。
一、材料力學(xué)實(shí)驗課程現(xiàn)狀分析
當(dāng)前的材料力學(xué)實(shí)驗教學(xué)效果不盡如人意，總體而言存在以下幾個方面的問題。1.教學(xué)模式單一。目前，材料力學(xué)實(shí)驗教學(xué)均采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式，即教師講解實(shí)驗原理及實(shí)驗過程，之后學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗，最后填寫統(tǒng)一的實(shí)驗報告，獲取實(shí)驗成績。2.學(xué)生參與度和積極性不高。由于缺乏對材料力學(xué)實(shí)驗教學(xué)的認(rèn)識，學(xué)生普遍存在不重視實(shí)驗的問題。由于材料力學(xué)實(shí)驗均為分組實(shí)驗，每組成員2～8人不等，因此部分學(xué)生在實(shí)驗過程中完全依賴同組其他同學(xué)，有些對于實(shí)驗原理都不甚了解。3.缺乏質(zhì)疑能力和創(chuàng)新意識。當(dāng)前，高校學(xué)生的學(xué)習(xí)具有很強(qiáng)的惰性，一味地接受書本和教師傳授的知識。在實(shí)驗過程中，學(xué)生不會對實(shí)驗的原理或者方法展開自己獨(dú)立的思考或者提出疑問，更不會在現(xiàn)有實(shí)驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行更深層次的研究和創(chuàng)新。
二、材料力學(xué)實(shí)驗課程的改革方法
針對以上問題，本文就材料力學(xué)實(shí)驗課程提出以下改革思路。
（一）從被動“填鴨”式向?qū)W生主體式轉(zhuǎn)變
當(dāng)前，課程教學(xué)改革大力倡導(dǎo)以學(xué)生為中心，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、質(zhì)疑能力以及創(chuàng)新能力。同樣，對于材料實(shí)驗課程，也需要從傳統(tǒng)的以教師為主的教學(xué)模式，向以學(xué)生為主體的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變。具體實(shí)施辦法為：充分發(fā)揮學(xué)生在材料力學(xué)實(shí)驗課程中的主體作用，由學(xué)生自行分析材料力學(xué)實(shí)驗原理、參照大綱制定實(shí)驗方案、分配實(shí)驗任務(wù)、操作儀器設(shè)備、獲取試驗結(jié)果、撰寫實(shí)驗報告等。在這一系列過程中，教師的身份要由從前的“講師”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩?dǎo)師”，即在學(xué)生遇到問題時以參與者的身份負(fù)責(zé)答疑解惑。同時，為督促和提高每一位學(xué)生對實(shí)驗的參與度和積極性，在實(shí)驗完成后，教師針對每一小組各隨機(jī)選取一名成員作為匯報人，對實(shí)驗原理、方法和結(jié)果等以前完全由教師講授的內(nèi)容進(jìn)行講解，該名成員匯報的得分，將成為本小組最終的實(shí)驗成績。這樣不僅能夠有效地促進(jìn)小組成員之間的溝通和學(xué)習(xí)，而且能夠很好地避免部分學(xué)生的惰性和依賴性。
（二）從表格式的實(shí)驗報告向小論文的轉(zhuǎn)變
傳統(tǒng)的材料力學(xué)實(shí)驗報告形式單一，學(xué)生在完成實(shí)驗后，只需將實(shí)驗結(jié)果逐一填入設(shè)計好的表格中即可。這樣的實(shí)驗報告不僅會在很大程度上限制學(xué)生的分析思考能力，而且非常容易出現(xiàn)相互抄襲的現(xiàn)象。為此，若能將格式固定的表格式實(shí)驗報告轉(zhuǎn)變?yōu)樾≌撐牡男问?，將會從根本上解決這一問題。在材料力學(xué)實(shí)驗小論文中，學(xué)生需要簡述該實(shí)驗的實(shí)驗原理、制定實(shí)驗方案的依據(jù)、人員組織、具體實(shí)施情況、實(shí)驗結(jié)果以及本次實(shí)驗所存在問題等。教師對小論文的評分也應(yīng)從單純地重視實(shí)驗結(jié)果，變成對以上各方面內(nèi)容的綜合評判。對于實(shí)驗結(jié)果不理想的學(xué)生，若能在小論文中正確地分析其原因，并且找出切實(shí)可行的解決方法，同樣能夠獲得較好的實(shí)驗成績。
（三）基礎(chǔ)實(shí)驗與開放實(shí)驗相結(jié)合
在當(dāng)前高等院校大力倡導(dǎo)提高學(xué)生創(chuàng)新意識的大環(huán)境下，材料力學(xué)實(shí)驗教學(xué)應(yīng)進(jìn)一步向基礎(chǔ)實(shí)驗與開放實(shí)驗相結(jié)合的方向發(fā)展，為學(xué)生提供一個良好的實(shí)踐平臺，從而提高學(xué)生的思考、創(chuàng)新以及實(shí)際工程應(yīng)用能力。開放實(shí)驗的題目，可通過三種渠道獲取。1.學(xué)生自擬。通常由3～5名學(xué)生形成實(shí)驗小組，根據(jù)材料力學(xué)課堂理論教學(xué)和基礎(chǔ)實(shí)驗內(nèi)容，結(jié)合自己的學(xué)習(xí)興趣，擬定相應(yīng)的開放實(shí)驗題目。實(shí)驗教師為學(xué)生提供所需的實(shí)驗條件和相關(guān)理論指導(dǎo)，使其實(shí)驗內(nèi)容能夠順利實(shí)施。2.教師提供。以學(xué)生未來的職業(yè)和專業(yè)為導(dǎo)向，教師為學(xué)生提供2～3個開放實(shí)驗題目供學(xué)生進(jìn)行選擇。例如，材料力學(xué)中的直梁彎曲正應(yīng)力實(shí)驗，其原理是直梁彎曲時，其表面粘貼的應(yīng)變片產(chǎn)生電阻變化，由應(yīng)變儀將信號放大并顯示其應(yīng)變情況。雖然學(xué)生在實(shí)驗儀器準(zhǔn)備充分的情況下，大都能夠順利地完成實(shí)驗，但是很少有學(xué)生能夠親自動手粘貼應(yīng)變片或者搭接電橋線路。因此，教師可以在此實(shí)驗的基礎(chǔ)上，提供相應(yīng)的開放實(shí)驗題目，給學(xué)生提供深入學(xué)習(xí)和實(shí)踐的機(jī)會。3.研究生科研項目帶動。工科高校研究生在完成科研項目時，通常需要進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗。例如，研究生利用力學(xué)實(shí)驗室材料試驗機(jī)進(jìn)行PDC復(fù)合片壓縮實(shí)驗。在其實(shí)驗過程中，可帶領(lǐng)1～2名本科生開展相關(guān)實(shí)驗工作。這樣，不僅能夠提高本科生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)其應(yīng)用及創(chuàng)新的能力，而且能夠為他們今后的學(xué)習(xí)或者研究工作奠定基礎(chǔ)。
三、材料力學(xué)實(shí)驗課程改革的保障措施
為了保證以上材料力學(xué)實(shí)驗課程改革的順利實(shí)施，需要做好相應(yīng)的保障工作，具體而言包括以下方面。
（一）實(shí)驗教師能力的提升
新的材料力學(xué)實(shí)驗課程組織方法，突破了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，必然會為實(shí)驗教師帶來更多的挑戰(zhàn)。實(shí)驗教師自身的能力和素質(zhì)，很大程度上決定了材料力學(xué)課程改革的效果。傳統(tǒng)的材料力學(xué)實(shí)驗教師只需根實(shí)驗大綱和指導(dǎo)書按部就班地指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行相應(yīng)實(shí)驗。然而改革后，實(shí)驗教師更多的是扮演“導(dǎo)師”的角色，參與學(xué)生的實(shí)驗，為其提供指導(dǎo)和幫助。這樣，勢必要求實(shí)驗教師具有更深更廣的專業(yè)基礎(chǔ)知識，以及輔導(dǎo)各類型實(shí)驗的綜合能力。為此，對于現(xiàn)有材料力學(xué)實(shí)驗教師而言，應(yīng)當(dāng)不斷充實(shí)自己。對于學(xué)校來說，應(yīng)當(dāng)吸引更多有能力的優(yōu)秀人才從事材料力學(xué)實(shí)驗教學(xué)工作，并且提供有利的條件，加強(qiáng)其與其他開設(shè)相關(guān)課程的高校之間的交流和學(xué)習(xí)，讓實(shí)驗教師“走出去”，把好的思路和想法“引進(jìn)來”。
（二）實(shí)驗設(shè)備條件的保障
加強(qiáng)現(xiàn)有設(shè)備的維護(hù)和保養(yǎng)，并在此基礎(chǔ)上，增加新的儀器、設(shè)備的投入。目前一些學(xué)校的材料力學(xué)實(shí)驗設(shè)備，如靜態(tài)應(yīng)變儀、扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)的年代都相對比較久遠(yuǎn)，已無法完全滿足新的材料力學(xué)實(shí)驗課程的需要。因此，對于有條件的學(xué)校，可購置一批先進(jìn)的實(shí)驗設(shè)備，以保證課程改革的需求。同時，在新的材料力學(xué)課程組織模式下，應(yīng)把基礎(chǔ)實(shí)驗與開放實(shí)驗相結(jié)合，各類型實(shí)驗設(shè)備和實(shí)驗室之間需要進(jìn)一步加強(qiáng)協(xié)調(diào)與配合，制定相應(yīng)的管理制度，這樣才能保證材料力學(xué)實(shí)驗課程改革的順利開展。
（三）給予學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐學(xué)分激勵
在材料力學(xué)實(shí)驗課程改革中，學(xué)生的主體地位，學(xué)生的積極性、主動性和創(chuàng)造性直接影響著新的實(shí)驗課程的實(shí)施程度。只有充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性，才能從真正意義上打破傳統(tǒng)教學(xué)模式，提高材料力學(xué)的實(shí)驗教學(xué)水平。然而，當(dāng)前大學(xué)生學(xué)習(xí)具有很強(qiáng)的惰性，只要與學(xué)分無關(guān)的事情就不愿意去做。作為學(xué)校，恰好可以利用學(xué)生的這一特點(diǎn)，采用創(chuàng)新實(shí)踐學(xué)分激勵的辦法，對于材料力學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗后，成功完成相應(yīng)開放實(shí)驗的學(xué)生，給予額外的學(xué)分獎勵，由此推動材料力學(xué)實(shí)驗課程改革的順利進(jìn)行。
四、結(jié)語
打破常規(guī)實(shí)驗教學(xué)模式，充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，是以學(xué)生為主導(dǎo)的啟發(fā)式材料力學(xué)實(shí)驗課程改革的關(guān)鍵。同時，需要從實(shí)驗教師、實(shí)驗O備等方面為改革的實(shí)施提供保障。本文所提出的材料力學(xué)實(shí)驗課程改革方法，也能為其他相關(guān)實(shí)驗課程的改革提供參考和思路。
【摘 要】本文通過材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)兩門課程的對比，已完成教學(xué)上兩門課程的融會貫通。
【關(guān)鍵詞】材料力學(xué)；結(jié)構(gòu)力學(xué)；融會貫通
0 前言
材料力學(xué)是許多工科專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課，是一門為設(shè)計工程實(shí)際構(gòu)件提供必要理論基礎(chǔ)、理論與實(shí)驗相結(jié)合的課程，主要研究桿件在拉、壓、扭、彎等基本變形以及組合變形形式下構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性的計算，而且還為結(jié)構(gòu)力學(xué)、混凝土結(jié)構(gòu)等課程奠定良好的基礎(chǔ)。
結(jié)構(gòu)力學(xué)則是力學(xué)以及土木工程等專業(yè)的更為重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是一門為設(shè)計實(shí)際工程結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)和計算數(shù)據(jù)的課程。材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)這兩門課程在土木工程專業(yè)中占有非常重要的地位，同時又是該專業(yè)碩士研究生的考試課程之一，課程中許多地方有著幾乎相似的知識體系內(nèi)容，但又因研究的結(jié)構(gòu)體系的復(fù)雜程度不同而有差異，若能將兩門課程深入研究，在講解結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的同時將兩門課程知識內(nèi)容相互滲透與融合，完成課程間的銜接過渡、交叉與融合，完成在學(xué)習(xí)新的知識內(nèi)容的同時又能進(jìn)一步理解原有基礎(chǔ)知識的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)兩門課程的融會貫通，從而可以取得良好地教學(xué)效果。
1 材料力學(xué)與結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的不同與相似之處
材料力學(xué)主要研究簡單構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性的計算原理和方法而結(jié)構(gòu)力學(xué)則是研究復(fù)雜構(gòu)件體系相同方面的計算，所以結(jié)構(gòu)力學(xué)要研究結(jié)構(gòu)的幾何組成分析。
材料力學(xué)是基礎(chǔ)課程，它為更多的不同工科專業(yè)奠定基礎(chǔ)，如機(jī)械設(shè)計與制造、材料成型、機(jī)械電子工程、土木工程、化工機(jī)械、軌道交通等眾多專業(yè)都以此課程為基礎(chǔ)，因此該課程內(nèi)容涉及范圍廣泛，變形桿件的變形復(fù)雜，相應(yīng)的不同變形下的內(nèi)力以及位移計算復(fù)雜，甚至包括各種組合變形形式下的內(nèi)力和位移計算，雖然構(gòu)件體系簡單，但變形復(fù)雜多樣。因此不同變形形式下的內(nèi)力、應(yīng)力以及位移計算各有不同。
結(jié)構(gòu)力學(xué)是工科專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，只有少數(shù)專業(yè)開設(shè)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程，如：土木工程、橋梁隧道、水工工程等專業(yè)，由于它更注重于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系在彎曲、剪切、拉壓這三種變形形式下的強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性的計算，相對于材料力學(xué)，涉及到的變形簡單，基本不涉及組合變形的計算，相應(yīng)的計算彎曲、剪切、拉壓變形形勢下的內(nèi)力以及位移的方法則更加具體靈活，相應(yīng)的方法也更加簡單多樣，所以應(yīng)用結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法來解決材料力學(xué)的某些彎曲及拉壓問題則顯得非常簡單，特別是材料力學(xué)中由于彎曲或拉壓引起的位移計算尤為簡單。
2 材料力學(xué)課程與結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的相互融通
材料力學(xué)課程是結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的基礎(chǔ)，盡管材料力學(xué)所提供的各種計算方法與結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法相比顯得較為麻煩，但如果沒有這些最基礎(chǔ)的方法的奠定，后面的方法在學(xué)習(xí)的過程中理解起來會有一定的難度。如在材料力學(xué)中所提供的計算位移的方法雖然很多：（1）變形位移比較法；（2）實(shí)功方程法；（3）撓曲線微分方程法；（4）疊加法；（5）能量法的卡氏第二定理，雖然方法很多，但這些方法更具基礎(chǔ)性，分析和計算都較為繁瑣，有些還有一定的局限性。而在結(jié)構(gòu)力學(xué)課程中由變形體系虛功原理的虛功方程導(dǎo)出的計算位移的單位荷載法，則無論是任何因素引起的位移也無論變形體系的變形在什么變形范圍都可以解決。特別是應(yīng)用單位荷載法莫爾積分的圖乘法可以較為輕松的解決線彈性范圍內(nèi)荷載作用下的位移計算問題。不僅如此，各種廣義荷載因素如：溫度變化、基礎(chǔ)沉陷、材料收縮、制造誤差等眾多因素引起的位移計算都變得非常簡單。如果能夠掌握結(jié)構(gòu)力學(xué)中桿系結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計算，那么解決單個桿件的內(nèi)力那也將易如反掌。所以學(xué)習(xí)好結(jié)構(gòu)力W對更好的理解和掌握材料力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容起到很好的促進(jìn)作用。只要老師在講解結(jié)構(gòu)力學(xué)的同時，與材料力學(xué)的知識內(nèi)容相互結(jié)合并比較，就可以完成兩門課程知識內(nèi)容上的融會貫通，這樣不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還可以充分理解以往所學(xué)材料力學(xué)課程的知識內(nèi)容，使得兩門課程的知識內(nèi)容銜接自然流暢，完成材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)兩門課程的完美結(jié)合，知識內(nèi)容的融會貫通。
【摘 要】材料力學(xué)作為土木工程及機(jī)電工程系學(xué)生重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，其在基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)中有著非常重要的位置，這部分內(nèi)容學(xué)習(xí)的特點(diǎn)是需要記憶的知識點(diǎn)比較多比較散，學(xué)生記憶掌握起來比較困難，很多學(xué)生往往是課程開始興趣十足，學(xué)到一半?yún)s興趣盡失。那么如何在講課中避免這種現(xiàn)象發(fā)生呢？本文從對比法在材力研究的問題、方法、公式及有關(guān)規(guī)律等幾個方面的應(yīng)用舉例出發(fā)，闡述了對比法在材料力學(xué)教學(xué)中的重要性。
【關(guān)鍵詞】材料力學(xué)；教學(xué)方法；對比法；應(yīng)用舉例
材料力學(xué)作為土木工程及機(jī)電工程系學(xué)生重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，其在基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)中有著非常重要的位置，這部分內(nèi)容學(xué)習(xí)的特點(diǎn)是需要記憶的知識點(diǎn)比較多比較散，學(xué)生記憶掌握起來比較困難，因此，這部分內(nèi)容對學(xué)生而言學(xué)習(xí)起來感覺比較頭疼，往往是課程開始興趣十足，學(xué)到一半?yún)s興趣盡失。那么如何在講課中避免這種現(xiàn)象發(fā)生呢？講課中多采用對比法不失為一種行之有效的方法。
1 從材料力學(xué)中研究的問題上對比
材料力學(xué)主要研究地是件在各種基本變形及組合變形情況下的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性計算問題，而研究強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性問題都從外力入手，然后研究其構(gòu)件內(nèi)部受力及內(nèi)力圖，進(jìn)而進(jìn)一步研究應(yīng)力、變形及相應(yīng)的強(qiáng)度剛度和穩(wěn)定性條件，進(jìn)行必要的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性計算。從這些研究內(nèi)容上看，每種變形研究地問題都是相同的，但是因為多數(shù)教材體系分章是以變形形式為主線進(jìn)行的分章，從而使研究的問題相同這一特點(diǎn)變得不再明顯，也即人為造成學(xué)生第一知覺是材料力學(xué)的內(nèi)容比較多，知識點(diǎn)比較散。如果教師在講完緒論后，講授具體問題之前，能把研究的問題做個比較說明，那么學(xué)生就會對所要學(xué)習(xí)的能容有個比較清晰的認(rèn)識，就會在教學(xué)過程中始終讓學(xué)生感覺到材料力學(xué)的內(nèi)容是形散神不散，從而達(dá)到學(xué)起來事半功倍的比較好的教學(xué)效果。
2 從研究方法上對比
首先，從大的方面看，強(qiáng)度計算和剛度計算方法是類似的，即強(qiáng)度計算和剛度計算都是從外力、內(nèi)力計算、應(yīng)力和變形計算入手，然后用工作應(yīng)力和桿件變形量與各自許用值作比較建立一個不等式的強(qiáng)度和剛度條件，進(jìn)而解決三種類似的問題，即強(qiáng)度和剛度校核問題，設(shè)計截面問題和確定許可載荷問題，所不同的只是強(qiáng)度條件與剛度條件中描述應(yīng)力與描述變形的量所用的記號不同，計算公式不同，所以講課時如能對這兩部分的內(nèi)容做個簡單的比較說明則同樣也可達(dá)到事半功倍的效果。
其次，從具體內(nèi)力計算方法、正負(fù)規(guī)定、內(nèi)力圖作法和應(yīng)力公式推導(dǎo)方法上看，各種變形下的內(nèi)力計算基本方法都相同都是截面法，但截面法不是最好的方法，因此，在其基礎(chǔ)上又總結(jié)出規(guī)律法，如求指定截面上的軸力、剪力和彎矩的規(guī)律法，規(guī)律法的具體規(guī)律雖各不相同，但規(guī)律的基本骨架基本相同，而各種內(nèi)力的正負(fù)規(guī)定內(nèi)力圖的規(guī)定方法也都相同，即正負(fù)都是從微段變形情況出發(fā)規(guī)定各種內(nèi)力正負(fù)，內(nèi)力圖都是平行桿軸的坐標(biāo)表示界面位置，垂直桿軸的坐標(biāo)表示內(nèi)力，正的內(nèi)力在位置坐標(biāo)上負(fù)的在下（土木工程的彎矩正負(fù)規(guī)定除外）。除此以外，各種變形的應(yīng)力公式推導(dǎo)方法也是相同的，即都是從觀察試驗入手，然后提出假設(shè)，再綜合其變形幾何關(guān)系、物力關(guān)系和靜力學(xué)關(guān)系推導(dǎo)出具體公式，而且這種方法不僅僅是推導(dǎo)應(yīng)力的專屬，在求解超靜定問題時同樣是結(jié)合這三個方面進(jìn)行的推導(dǎo)計算，所以由此可見，在材力教學(xué)中采用對方法的重要性。
3 公式和規(guī)律方面的對比
材力中除了研究問題和研究方法有相同之外，各種基本變形的應(yīng)力公式、各種基本變形的變形公式及變形能公式及強(qiáng)度條件和剛度條件也都有著相似性，除此以外求各種內(nèi)力的規(guī)律也是相似的，如果在講課中能加以比較，使學(xué)生在比較中去記憶勢必使記憶變的容易，這不僅可以避免記混淆，而且還可以起到溫故知新、加深理解的目的從而也能達(dá)到事半功倍的教學(xué)效果。
綜上所述，在材料力學(xué)教學(xué)中應(yīng)用對比法不僅可以使研究問題和相關(guān)知識點(diǎn)變的清晰，讓學(xué)生感覺到其形散神不散，也能讓大量的公式和規(guī)律記憶起來不易混淆，使學(xué)習(xí)變的更容易，從而避免學(xué)生因內(nèi)容繁雜、枯燥、難記而喪失濃厚的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)熱情，進(jìn)而收到事半功倍的教學(xué)效果。
摘 要：伴隨著近些年大型水利工程建設(shè)各種失敗案例的發(fā)生，人們越來越清楚的認(rèn)識到材料力學(xué)和水利水電工程中的重要作用，無論是水平水電工程強(qiáng)度的合格與否，或者是怎樣選擇更合適的材料，材料力學(xué)都提供了有效解決措施。本文從材料力學(xué)的應(yīng)用原理入手，詳細(xì)探討了材料力學(xué)在水電工程中的實(shí)際應(yīng)用情況，通過本文的研究，更好的表明了材料力學(xué)在水利水電工程中發(fā)揮的重要作用。
關(guān)鍵詞：材料力學(xué)；水利水電工程；應(yīng)用
在科學(xué)技術(shù)日漸發(fā)展的時代背景下，人們越來越重視管理的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新，在水利水電工程中也是如此。材料力學(xué)主要探索的是材料在外力條件下發(fā)生應(yīng)變、應(yīng)力、強(qiáng)度的變化以及對材料造成的破壞極限等，其被廣泛的應(yīng)用于生活的方方面面。無論是機(jī)械中的結(jié)構(gòu)，還是生活中的食品包裝，所有的物件都必須要滿足其應(yīng)有的強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性，才能夠真正的做到安全，可見材料力學(xué)的重要作用。那么，現(xiàn)將材料力學(xué)應(yīng)用于水利水電工程中，能夠有效的將水工建筑安全性和穩(wěn)定性問題解決。
1 材料力學(xué)的應(yīng)用原理
從力學(xué)材料變形的原理看，其結(jié)構(gòu)為：R-S≥0，其中，S代表的是結(jié)構(gòu)作用的效應(yīng)量，R代表的是抗力。在具體應(yīng)用中，除了要對一系列在和工況以及不利載荷組合條件下的變形進(jìn)行計算之外，還需要構(gòu)建變形和強(qiáng)度以及穩(wěn)定性之間的函數(shù)式子。通過材料力學(xué)法，能夠把不同載荷情形下的各個截面的壓應(yīng)力以及截面中心點(diǎn)的變形等等計算出來[1]。值得注意的是，由于在水利水電工程中，抗力R是有特別規(guī)定的，所以，在計算效應(yīng)量S之后，便能夠知道設(shè)計的合理與否。
2 材料力學(xué)在水利水電工程中的應(yīng)用
2.1 材料力學(xué)在混凝土變形中得應(yīng)用
首先，混凝土在絕對濕度以及恒溫條件下，受到水化作用的影響而造成體積的變形，這種變形我們稱之為自身體積的變形。它實(shí)際上是和水泥的用量、水泥的類型以及摻用混合料等有著直接聯(lián)系的。膨脹性的自身體積變形，在混凝土結(jié)構(gòu)降溫時，對拉應(yīng)力會產(chǎn)生補(bǔ)償作用。從宏觀層面看，自身提及的變形應(yīng)該是比較均勻的，因而，它對由于室內(nèi)外存在夭疃造成的溫度應(yīng)力是沒有補(bǔ)償作用的。
其次，混凝土的干濕變形。混凝土如果沒有了水分的保證，便會產(chǎn)生收縮作用，而一旦吸入水分，則又會產(chǎn)生膨脹，而我們知道，在干濕度作用下造成的體積的變化便是我們所說的干濕變形，混凝土的內(nèi)部溫度狀態(tài)會對環(huán)境的溫度和導(dǎo)濕性等造成巨大的影響[2]。
再者，混凝土的溫度變形，如果沒有任何的約束，直接在溫度變化作用下產(chǎn)生變形，則為自由溫度變形，則懷中變形的公式是：。其中α所表示的是熱膨脹的系數(shù)，它會對溫度應(yīng)力的數(shù)值產(chǎn)生直接的影響，所以，它是一個關(guān)鍵性的參數(shù)，不容忽視。
最后，混凝土的彈性變形，如果處于單向受力條件之下，它的應(yīng)力以及應(yīng)變之間會遵循這樣的規(guī)律：，其中，E代表的是彈性模量。按照這樣的規(guī)律，可以知道，如果應(yīng)力不變，應(yīng)變也隨之不發(fā)生改變，但在現(xiàn)實(shí)情況中，卻并不是這樣。相關(guān)的研究也證明了應(yīng)力不變的情況下，混凝土的應(yīng)變會隨著時間的增加而不斷增加，這種現(xiàn)象我們稱之為混凝土的徐變。
2.2 材料力學(xué)在混凝土實(shí)際應(yīng)力計算中的應(yīng)用
假設(shè)θ規(guī)定從x軸到外法線n上的逆時針轉(zhuǎn)向的方位角θ是正向。那么，通過公示，我們可以得到：
從而，可以得出最大主應(yīng)力以及最小主應(yīng)力，其公式為：
那么，最大剪應(yīng)力的公式為：
2.3 材料力學(xué)在建筑材料選擇中的應(yīng)用
2.3.1 預(yù)應(yīng)力混凝土
預(yù)應(yīng)力混凝土的結(jié)構(gòu)主要指在結(jié)構(gòu)承受到負(fù)荷之前，事先對它加壓，使其在外荷作用的這一過程中，受到拉區(qū)混凝土內(nèi)，從而形成壓應(yīng)力，以壓應(yīng)力將外載荷出現(xiàn)的拉應(yīng)力抵消，當(dāng)然，這一過程，必須要保證結(jié)構(gòu)在使用的過程中，沒有裂縫產(chǎn)生。
2.3.2 水利水電工程的構(gòu)造設(shè)計
水利水電工程工件的構(gòu)造設(shè)計中，材料力學(xué)主要是把固體作為研究對象，研究的內(nèi)容則是構(gòu)建受到拉力、剪力以及彎曲力等作用時，材料力學(xué)的性能。當(dāng)然，對于不同的材料，其在這些外力作用下的材料力學(xué)性能也是各不相同的，所以，按照不同的力學(xué)性能，進(jìn)行構(gòu)件材料的選擇就顯得十分重要了。
首先，拉力，在受到拉力作用之下，構(gòu)件的材料選擇需要對構(gòu)件內(nèi)不由于拉壓存在而造成的反向應(yīng)力進(jìn)行充分的考慮。鋼材以其良好的抗拉壓能力而成為了比較好的建筑材料。實(shí)際上，很多單一的材料或多或少都會體現(xiàn)出抗拉壓的特點(diǎn)，如果將一系列具有不同性能的材料，通過復(fù)合作用混合在一起，從而使其變成力學(xué)性能好、物理化學(xué)性能優(yōu)的復(fù)合材料。
其次，剪力以及彎曲變形力。當(dāng)構(gòu)建在彎曲變形力之下，會產(chǎn)生拉壓應(yīng)力，在扭曲變形和剪切作用之下，構(gòu)件的橫截面會產(chǎn)生剪應(yīng)力，但是，兩者之間是存在著巨大不同的。在剪力作用之下，構(gòu)件的斷面是不會有相對錯動產(chǎn)生的，同時構(gòu)件的表現(xiàn)局部會有應(yīng)壓力，因而在工作狀態(tài)下，建筑的構(gòu)建會發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，這樣一來，無論是構(gòu)件的強(qiáng)度，還是剛度，都會被大大削弱，所以，在設(shè)計階段，就應(yīng)該盡量減少扭曲變形的出現(xiàn)，如果有可能，應(yīng)該完全避免扭曲變形的產(chǎn)生。
綜上所述，水利水電工程項目是一項重要的工程，它和我國的民生息息相關(guān)，是一項利國利民的特殊工程，所以，必須要對其引起足夠的重視。而在科技日益進(jìn)步的時代背景下，對材料力學(xué)的研究也將日漸深入，在今后的探索實(shí)踐中，必然會涉及出安全性、可靠性更好，性能更好的水利工程，帶動我國經(jīng)濟(jì)的更進(jìn)一步發(fā)展。
摘要：建筑專業(yè)材料力學(xué)是重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是解決工程實(shí)際問題的前提，可是傳統(tǒng)的教學(xué)模式及方法不能夠很好地調(diào)動學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性。針對這一突出問題，本文借助已有力學(xué)實(shí)驗設(shè)備，利用各類不同構(gòu)件讓學(xué)生自由組合成不同結(jié)構(gòu)案例來測定其在荷載組合作用下各桿件的力學(xué)性能，這樣不僅能夠讓學(xué)生掌握材料力學(xué)的特性及實(shí)驗方法，而且還能更好地培養(yǎng)學(xué)生的技能和創(chuàng)新意識與能力，以適應(yīng)新時期大學(xué)生培養(yǎng)的要求和目的。
關(guān)鍵詞：建筑力學(xué)；教學(xué)模式；結(jié)構(gòu)案例；力學(xué)特性
一、前言
目前，大多數(shù)高校在進(jìn)行材料力學(xué)課程教學(xué)環(huán)節(jié)中所采取的主要方式還是“教師在講臺講授、學(xué)生在下面聽課”的模式，有條件的高校還會以實(shí)驗教學(xué)環(huán)節(jié)作為必要的補(bǔ)充，二者是相輔相成互為補(bǔ)充的。但這種教學(xué)方式和方法缺乏科學(xué)性，難以調(diào)動學(xué)生求知的積極性和創(chuàng)造性。特別是有時在實(shí)驗過程中，有的實(shí)驗項目學(xué)生往往不能人人親自動手，甚至有的人只能演示實(shí)驗后記下實(shí)驗報告中所要求記錄的數(shù)據(jù)。這樣一來容易使得學(xué)生產(chǎn)生依賴性，對在實(shí)驗過程中出現(xiàn)的其他實(shí)驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)不記錄分析，更不會總結(jié)和提問。這樣就嚴(yán)重束縛了學(xué)生的自主性，阻礙了學(xué)生大膽探索和勇于創(chuàng)新的能力。
二、建筑力學(xué)結(jié)構(gòu)案例法
所謂案例（case）也被稱作實(shí)例，是來源于生產(chǎn)實(shí)踐的。案例教學(xué)法是將生產(chǎn)實(shí)踐中的實(shí)際工程實(shí)例為基礎(chǔ)，將之應(yīng)用在課堂教學(xué)中的一種教學(xué)方法。案例本質(zhì)上就是提出一種決策的兩難情境，沒有特定的解決之道。在教學(xué)中，教師扮演著設(shè)計者和激勵者的角色，鼓勵學(xué)生積極參與討論，而不是像傳統(tǒng)教學(xué)模式傳授教學(xué)法那樣，教師扮演著傳授知識者的角色，這樣才能使教學(xué)變得更加生動和有趣[1，2]。而所謂材料力學(xué)結(jié)構(gòu)案例法，其實(shí)質(zhì)就是通過學(xué)生自己動手、自由組裝來確定合理的結(jié)構(gòu)模型形式，并且要求該結(jié)構(gòu)模型必須要涵蓋所要實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗教學(xué)內(nèi)容和環(huán)節(jié)，從而使學(xué)生能夠應(yīng)用所學(xué)過的力學(xué)課程知識，達(dá)到自己設(shè)計結(jié)構(gòu)形式、實(shí)驗內(nèi)容，已改以往被動接受學(xué)習(xí)的模式為主動求學(xué)的模式，這是傳統(tǒng)力學(xué)教學(xué)模式改革的一種嘗試。
培養(yǎng)創(chuàng)造型人才，大學(xué)生的創(chuàng)新能力是當(dāng)下高等教育的首要任務(wù)，而創(chuàng)新型人才的健康成長則需要實(shí)實(shí)在在的創(chuàng)新實(shí)踐。特別是對于建筑專業(yè)的學(xué)生而言，學(xué)生的創(chuàng)新靈感和智慧不會從書本和教師那里直接學(xué)到，教師通過對有工程意義和背景的實(shí)際案例來積累和探索實(shí)踐過程，從點(diǎn)滴收獲中逐漸領(lǐng)悟和感悟出來[3]。通過甄選適合本專業(yè)學(xué)生特點(diǎn)和教育要求的案例，展現(xiàn)創(chuàng)新實(shí)踐的魅力，就能讓學(xué)生們在探索實(shí)踐中體驗到研究的快樂，激發(fā)出無限創(chuàng)新的欲望[4]。因此，將材料結(jié)構(gòu)案例教學(xué)法應(yīng)用于建筑專業(yè)的材料力學(xué)教學(xué)環(huán)境中，可以改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生的求知欲，提高材料力學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量，從而最大限度地發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造潛能，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和想象空間。通過自主學(xué)習(xí)、獨(dú)立思考、創(chuàng)新思維、營造崇尚真知、追求真理的氛圍，使學(xué)生能夠綜合應(yīng)用所學(xué)的力學(xué)理論和知識，提高分析問題和解決問題的能力。加強(qiáng)理論與實(shí)踐相結(jié)合，對提高學(xué)生的材料力學(xué)整體教學(xué)效果具有深遠(yuǎn)意義。材料力學(xué)結(jié)構(gòu)案例教學(xué)法則是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的一個有效途徑。
三、建筑結(jié)構(gòu)案例分析
建筑專業(yè)材料力學(xué)課程是重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程是解決工程實(shí)際問題的前提，還涉及到與實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)相互配合、相互補(bǔ)充。因其主干課程地位，實(shí)驗教學(xué)的任務(wù)就不只是鞏固理論知識，了解掌握力學(xué)檢測技術(shù)和手段的問題，還應(yīng)在力學(xué)理論的深化、運(yùn)用、工程問題的認(rèn)識等方面有所要求。而加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，提高創(chuàng)新能力，是高校人才培養(yǎng)模式改革的重點(diǎn)和難點(diǎn)。材料力學(xué)實(shí)驗教學(xué)是涉及面較大的理工科專業(yè)的重要基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，加強(qiáng)和改進(jìn)這一環(huán)節(jié)對鞏固力學(xué)概念、加深理論認(rèn)識、了解力學(xué)檢測方法與檢測技術(shù)、增強(qiáng)力學(xué)分析意識、提高力學(xué)分析能力具有重要意義。
1.傳統(tǒng)材料力學(xué)實(shí)驗教學(xué)。按照現(xiàn)行材料力學(xué)及其實(shí)驗教學(xué)大綱中的要求，其主要包括金屬材料的拉伸實(shí)驗、彈性模量實(shí)驗及電測試驗等。傳統(tǒng)的授課方式是在教師講述完實(shí)驗原理及方法后，讓學(xué)生以小組為單位按照所講述的實(shí)驗步驟重復(fù)模仿進(jìn)行實(shí)驗，所得的實(shí)驗結(jié)果基本相近，實(shí)驗所寫報告形式統(tǒng)一。這樣講授的好處在于學(xué)生只要按照固定的實(shí)驗步驟進(jìn)行操作就不會出現(xiàn)問題，結(jié)果不會有太大偏差；而不好之處在于學(xué)生無需認(rèn)真動腦去思考，只要按照教師的要求去做就可以，對結(jié)果不會去追究其“怎么得到的”、“為什么會得到”。學(xué)生完全是一種“填鴨式”的被動受學(xué)模式，從而磨滅了學(xué)生的求知欲、探索精神和主觀能動性，何談學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)造性，因此有必要對這種教學(xué)方法進(jìn)行改革。
2.材料力學(xué)案例分析。減少驗證性、演示性實(shí)驗，增加綜合性、設(shè)計性實(shí)驗是實(shí)驗教學(xué)改革的重要方向。同樣是上述的實(shí)驗項目，如果能夠選取一系列合理的建筑結(jié)構(gòu)模型案例形式，使其涵蓋所要求的實(shí)驗內(nèi)容。這樣，學(xué)生通過自己設(shè)計、思考來組合不同的結(jié)構(gòu)模型，而后通過不同的加載方式、不同的加載點(diǎn)和不同級別的載荷可以得到無窮的實(shí)驗結(jié)果，這樣極大地調(diào)動了學(xué)生的熱情和積極性、造性和求知欲，改變其被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)。這種模式的好處還在于即使是同一種結(jié)構(gòu)、同一種加載方法，其所得的結(jié)果也是不一樣的，從而可以避免和杜絕學(xué)生的抄襲現(xiàn)象，使理論和實(shí)踐得到統(tǒng)一。具體表現(xiàn)在：（1）能夠組合搭接出多種結(jié)構(gòu)構(gòu)型，具有真正的設(shè)計功能；（2）各種構(gòu)型具有實(shí)際的工程意義；（3）組合構(gòu)件盡可能簡單，組合搭接與拆解方便；（4）加載與測量方便，投入成本低。
本研究以秦皇島協(xié)力科技有限公司研制的新型XL3418T系列材料力學(xué)多功能實(shí)驗臺為基礎(chǔ)來進(jìn)行研究。上課時將之稍加變動，即可進(jìn)行教學(xué)大綱規(guī)定內(nèi)容的多項實(shí)驗，在保留了原有的基礎(chǔ)實(shí)驗上增加了由多根桿件搭接的桁架結(jié)構(gòu)，橫向壓桿和組合梁組合的框架結(jié)構(gòu)，桁架可任意組合拆卸。學(xué)生可以利用學(xué)過的理論力學(xué)和材料力學(xué)知識，根據(jù)自己的認(rèn)識實(shí)踐自行設(shè)計喜歡的結(jié)構(gòu)類型，并根據(jù)不同階段的實(shí)驗教學(xué)目的設(shè)置加載方式，以實(shí)現(xiàn)拉伸、彈性模量、應(yīng)變片的粘貼、彎曲正應(yīng)力的測定等一系列實(shí)驗。這樣可以充分調(diào)動學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性，實(shí)現(xiàn)變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)，“從學(xué)未知”到“求未知”的轉(zhuǎn)變。
學(xué)生根據(jù)事先設(shè)計好的桁架模型在實(shí)驗臺上進(jìn)行組合，同時配上靜態(tài)電阻應(yīng)變儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等實(shí)驗設(shè)備便可實(shí)現(xiàn)對加載的整個過程實(shí)時采集和處理。這種實(shí)驗裝置和教學(xué)模式不適用于進(jìn)行破壞性實(shí)驗項目的研究及教學(xué)工作。
四、結(jié)論
培養(yǎng)創(chuàng)新能力既是培養(yǎng)適應(yīng)社會需求的高質(zhì)量人才的必然要求，也是一種全新的教育思想和理念，應(yīng)該從那種單純書院式的課堂教學(xué)方式中走出來，更多地和實(shí)踐與工程相結(jié)合，讓學(xué)生在“干”中“學(xué)”、在“學(xué)”中“干”。理論課教師沒有必要講得很系統(tǒng)、很完備，可以留下一些空間讓學(xué)生自己去體驗，適當(dāng)?shù)啬贸霾糠謱W(xué)時給實(shí)驗課無損理論課教學(xué)。
案例教學(xué)為學(xué)生提供了一個近乎真實(shí)的場景，縮短了教學(xué)與實(shí)踐之間的距離。其成功之處在于教學(xué)內(nèi)容針對性強(qiáng)、接近實(shí)踐，縮小了學(xué)校培養(yǎng)目標(biāo)與社會職業(yè)素質(zhì)需求的距離，抓住了職業(yè)素質(zhì)中最本質(zhì)的因素。案例教學(xué)著眼于學(xué)生創(chuàng)造能力和分析問題、解決問題能力的發(fā)展。以教師為主導(dǎo)、以學(xué)生為主體的案例教學(xué)在不斷循環(huán)中完成知識的更新或創(chuàng)新。加強(qiáng)案例教學(xué)的研究，對于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)將具有重要的作用。
摘 要：ANSYS軟件是材料力學(xué)中常用的基礎(chǔ)性軟件，同時也是世界上應(yīng)用最為廣泛的應(yīng)用程序。在教學(xué)中應(yīng)用ANSYS軟件，可以憑借其自身強(qiáng)大的分析功能，將圖形形象的顯示出來，讓學(xué)生對相關(guān)知識原理及現(xiàn)象有直觀的了解，加深學(xué)生對知識的理解程度。本文就ANSYS軟件在材料力學(xué)中的應(yīng)用作簡要闡述。
關(guān)鍵詞：ANSYS軟件；材料力學(xué)；應(yīng)用研究
作為一款有源分析軟件，ANSYS將多學(xué)科知識融于一體，包含了結(jié)構(gòu)，電磁，流體，聲學(xué)以及熱等領(lǐng)域。在應(yīng)用方面則涉及到了造船、生物、輕工、水利、能源等科學(xué)研究領(lǐng)域。通過軟件應(yīng)用方面可以看出，在相關(guān)領(lǐng)域知識學(xué)習(xí)具有一定的難度，如果單純依靠教師用傳統(tǒng)方式進(jìn)行教授，在教學(xué)效果方面一定是差強(qiáng)人意。ANSYS軟件應(yīng)用其中，則可以起到一定的輔助作用，教學(xué)工作可以達(dá)到事半功倍的效果，學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量也有了一定的保證。
1 材料力學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀及內(nèi)容
（一）教學(xué)現(xiàn)狀
材料力學(xué)科目自身的特點(diǎn)在于具有一定的抽象性，導(dǎo)致理論知識理解方面存在一定難度。教學(xué)工作安排不合理，教學(xué)時間沒有從學(xué)生的理解能力以及應(yīng)用能力方面考慮，學(xué)生沒有充足的學(xué)習(xí)時間，教師在教學(xué)過程中為了在有效時間內(nèi)完成相應(yīng)的教學(xué)任務(wù)，在教學(xué)的方法上存在一定的不合理性，沒有有效的調(diào)動學(xué)生參與學(xué)習(xí)的興趣與熱情。
（二）教學(xué)內(nèi)容
材料力學(xué)中有幾部分關(guān)鍵的知識難度較大，學(xué)生在理解的時候存在一定的問題。比如應(yīng)力集中。所謂應(yīng)力集中是指構(gòu)件在受力的情況下，形狀及外形發(fā)生了突變從而導(dǎo)致的局部范圍內(nèi)的應(yīng)力顯著增大。教材通常只給出了應(yīng)力集中的影響因素，但對于在相關(guān)因素的影響下具體的系數(shù)卻沒有給出確定值，學(xué)生對于這一點(diǎn)知識未能深入理解。
2 ANSYS軟件及有限元
ANSYS軟件是由美國一名博士在1971年推出的，最早的版本僅僅提供了熱分析及線性結(jié)構(gòu)分析，其不足之處是只能在大型計算機(jī)運(yùn)行，并且只是批處理程序。在上世紀(jì)70年代初期及后期有一定的發(fā)展，隨著技術(shù)不斷的進(jìn)步，ANSYS軟件的功能也越來越強(qiáng)大，為用戶對某些問題進(jìn)行深入的研究提供了幫助。有限元的發(fā)展有三個階段，探索時期，獨(dú)立發(fā)展時期，專家應(yīng)用與其它軟件相互補(bǔ)充，共同發(fā)展時期，并且呈現(xiàn)出了相應(yīng)的趨勢特征。
3 ANSYS軟件特點(diǎn)
（一）處理能力強(qiáng)大
處理能力強(qiáng)大主要體現(xiàn)在四個方面，其一是建模，其二是網(wǎng)格劃分，其三是參數(shù)設(shè)置，其四是與CAD無縫集成。網(wǎng)格劃分主要有兩種方式，自由與映射網(wǎng)格劃分，對于不同的幾何體而言，則有拖拉網(wǎng)格，層網(wǎng)格，局部細(xì)化。無縫集成方面，能夠與多款件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
（二）加載求解
在ANSYS軟件中，位移，溫度，力等任何載荷可在任意幾何體或有限元實(shí)體上，可以是數(shù)值，也可以是相關(guān)的函數(shù)。
（三）后期處理
對于利用ANSYS軟件獲得的數(shù)據(jù)，可以采用不同的方式進(jìn)行輸出，比如，圖表，動畫，此外還可以進(jìn)行載荷疊加分析。
（四）開放性
開放性主要體現(xiàn)在與其它軟件的有效對接，用戶在開放的環(huán)境下可以根據(jù)自己的需要對軟件進(jìn)行相應(yīng)擴(kuò)充，對于邊界條件，材料結(jié)構(gòu)等可以由用戶自定義。在不同類型的需求方面還可以進(jìn)行二次開發(fā)。
ANSYS軟件將自身技術(shù)與相關(guān)軟件有效的結(jié)合在一起，自帶的語言可以進(jìn)行二次開發(fā)。比如用戶可以在CAD中建模，然后通過接口將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到ANSYS軟件中進(jìn)行相關(guān)計算。也可以用程序自帶語言建模，計算，此時采用的是命令流的方式。
4 分析步驟
ANSYS軟件分析步驟主要有三個方面。首先是模型創(chuàng)建，包含讀入或創(chuàng)建模型，定義屬性，以及網(wǎng)格劃分。其次是施加載荷及選項，條件設(shè)定并求解。最后一步是結(jié)果的分析及驗證。
5 ANSYS軟件在材料力學(xué)教學(xué)工作中的優(yōu)勢
（一）教學(xué)效果提升
材料力學(xué)首先是一門專業(yè)基礎(chǔ)課，其次是將多專業(yè)知識集中于一體，主要研究內(nèi)容是構(gòu)件在力的作用下產(chǎn)生的變形，損壞，以及失效等存在的規(guī)律。教學(xué)內(nèi)容涉及到公式多，邏輯性強(qiáng)，計算過程難度大，計算量大，如涉及到微積分等知識，學(xué)生對于知識的掌握及理解存在問題，對于教師而言，如何進(jìn)行有效的教學(xué)是不得不思考的問題。
ANSYS軟件針對問題進(jìn)行建模，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖象，從對人體大腦的刺激來看，視覺上的刺激更為有效，大腦對于信息的理解量更大，層次也更深。將抽象的知識變?yōu)榫唧w，有效降低了學(xué)習(xí)難度。并且ANSYS軟件教學(xué)是動畫過程，學(xué)生對于知識以及相關(guān)原理的變化有清楚的認(rèn)識，表現(xiàn)形式更加生動有趣，能夠在一定程度上調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和積極性，實(shí)現(xiàn)教學(xué)質(zhì)量的提升。
（二）應(yīng)用能力培養(yǎng)
材料力學(xué)理論知識的學(xué)習(xí)是為了更好的在實(shí)際工作中應(yīng)用，單純的理論教學(xué)不足以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力。學(xué)生對于學(xué)習(xí)存在畏難情緒。ANSYS軟件應(yīng)用通過建模對實(shí)際情景進(jìn)行模擬，學(xué)生在一種高度真實(shí)的環(huán)境下學(xué)習(xí)，無論是理解能力方面還是在實(shí)踐能力的培養(yǎng)方面都有很大好處。
（三）增強(qiáng)探究性學(xué)習(xí)能力
ANSYS軟件在生活中的應(yīng)用非常廣泛，學(xué)生有必要了解熟悉并掌握。學(xué)生動手的過程是為今后積累一定的經(jīng)驗，培養(yǎng)并提升其解決問題的能力，同時也為走向社會奠定基礎(chǔ)。
6 實(shí)例探究
在對ANSYS軟件有了基本的了解之后，可以結(jié)合具體的例子加深認(rèn)識。比如ANSYS軟件研究不同載荷下的懸臂梁。現(xiàn)假設(shè)有一懸臂梁，長、高、厚度分別是500，60，20。彈性模量為200GPa，泊松比為0.3。分別在載荷1500N及集中力偶230N?m發(fā)生橫力與純彎曲。
由左圖可看出正應(yīng)力在自由端附近為零，隨截面位置左移，應(yīng)力相應(yīng)增大，最大值出現(xiàn)在固定端。在固定端處最上與最下分別存在最大拉應(yīng)力，最大壓應(yīng)力，二者相等。
圖3為載荷下的米塞斯應(yīng)力圖，左為集中載荷，右為集中力偶。結(jié)果與實(shí)際情況完全相符合。
7 結(jié)束語
本文對ANSYS軟件相關(guān)方面進(jìn)行了說明，立足于教學(xué)實(shí)際，從軟件在教學(xué)工作中的優(yōu)勢以及目前材料力學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀作闡述。教師在教學(xué)工作中將軟件教學(xué)作為教學(xué)工作的一個重點(diǎn)來抓，讓學(xué)生通過自身動手實(shí)踐，對書中知識及原理有自身的領(lǐng)悟，同時培養(yǎng)學(xué)生的專項技能。無論是從教師教學(xué)還是學(xué)生學(xué)習(xí)的角度來看，ANSYS軟件應(yīng)用都具有無可比擬的優(yōu)勢，是針對教學(xué)存在問題的有效解決途徑。教師要重視，學(xué)生也要重視，學(xué)校更應(yīng)該重視，從多方面為教學(xué)工作提供相應(yīng)的保障。
摘 要：材料力學(xué)課程概念較多，知識比較抽象，學(xué)習(xí)起來難于理解，而ANSYS軟件模擬分析能力很強(qiáng)，能夠使相關(guān)知識變得更直觀、形象，因此，可以實(shí)現(xiàn)兩者的有效融合。文中運(yùn)用ANSYS重點(diǎn)分析了拉伸實(shí)驗中拉伸應(yīng)力、應(yīng)變及彎曲實(shí)驗中梁的彎曲應(yīng)力應(yīng)變情況，展示了ANSYS與材料力學(xué)相關(guān)實(shí)驗相結(jié)合的可操作性。
關(guān)鍵詞：ANSYS 材料力學(xué) 拉伸 彎曲
1 材料力W課程實(shí)驗特點(diǎn)
材料力學(xué)[1]對于機(jī)械專業(yè)而言是一門必修課，目前，“材料力學(xué)”課程中一些重要的內(nèi)容，如拉壓、扭轉(zhuǎn)和彎曲變形，除課堂上多媒體教學(xué)外，通常依靠現(xiàn)有的實(shí)驗條件進(jìn)行驗證性實(shí)驗教學(xué)，而有時存在實(shí)驗條件不具備的情況，這樣就無法對相關(guān)知識進(jìn)行實(shí)驗驗證，此時如果在實(shí)驗教學(xué)中采用直觀的圖形顯示，也可以將抽象的概念形象化，同時增強(qiáng)學(xué)生對結(jié)構(gòu)的感性認(rèn)識，培養(yǎng)較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)分析能力，因此，可以嘗試引入ANSYS軟件進(jìn)行簡單的建模計算，并將計算結(jié)果形象地展示給學(xué)生。
2 ANSYS軟件應(yīng)用特點(diǎn)
ANSYS軟件[2]中分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析，可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析，能形象、直觀地顯示結(jié)構(gòu)的變形、位移及應(yīng)力分布情況，同時還能以動畫的形式展示結(jié)構(gòu)從最初加載到最終變形的整個過程。
3 ANSYS在材料力學(xué)實(shí)驗中應(yīng)用實(shí)例
（1）拉伸實(shí)驗。材料力學(xué)中的低碳鋼拉伸試驗[3]通常在實(shí)際中通過拉力機(jī)拉伸，宏觀上可以觀察到試樣縮頸現(xiàn)象，在此，可采用ANSYS模擬，選用拉伸試樣彈性模量為0.175e6，泊松比為0.3，密度為7.85 kg/m2。圖1為材料拉伸變形的整體過程，其中a圖為變形初始，b圖為變形后期。
通過加載求解后，得出試樣拉伸變形應(yīng)力變化和應(yīng)變變化如圖2和圖3所示。
（2）彎曲實(shí)驗。材料力學(xué)中的彎曲實(shí)驗[4]通常采用簡支梁、懸臂梁等結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗分析，該文采用簡支梁進(jìn)行分析，給梁沿長度方向施加均勻載荷10 kN，梁的橫截面積1.5 mm2，轉(zhuǎn)動慣量IZZ=0.28125，IYY=0.125。力的加載如圖4所示。
通過ANSYS模擬，繪制出的剪力圖、彎矩圖分別如圖5、圖6所示，這樣得出的結(jié)論和實(shí)際計算結(jié)果相一致。
4 結(jié)語
通過ANSYS對拉伸實(shí)驗和彎曲實(shí)驗的模擬，將其與材料力學(xué)課程教學(xué)有機(jī)結(jié)合起來，既發(fā)揮了計算機(jī)的數(shù)值計算功能，又與直觀的圖形顯示功能相結(jié)合，使得學(xué)生更易于理解和掌握所授課程的抽象力學(xué)概念，培養(yǎng)了學(xué)生的興趣，提升了學(xué)生的形象思維能力，拓寬了學(xué)生的視野，提高了教學(xué)質(zhì)量和效率，同時也培養(yǎng)了學(xué)生的計算機(jī)應(yīng)用能力，有助于學(xué)生運(yùn)用軟件進(jìn)行實(shí)際工程實(shí)例分析，在一定程度上可以使學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，為以后的工作打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。
摘 要：采用萬能材料試驗機(jī)，對典型車用的6005鋁合金材料進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗。輸出載荷-變形量關(guān)系，獲得應(yīng)力-應(yīng)變曲線，進(jìn)而分析材料的彈性模量、極限強(qiáng)度、極限應(yīng)變、屈服強(qiáng)度和延展率等力學(xué)性能。
關(guān)鍵詞：6005鋁材；準(zhǔn)靜態(tài)拉伸；應(yīng)力-應(yīng)變曲線；力學(xué)性能
1 概述
車輛用6005鋁合金屬于Al-Mg-Si系中等強(qiáng)度鋁合金。由于其優(yōu)良的擠壓成形性、耐腐蝕性和良好的焊接性，在國外被廣泛用于高速列車、地鐵列車、雙層列車和客貨汽車車體所需的薄壁、中空的大型鋁合金壁板型材以及其它工業(yè)用結(jié)構(gòu)型材。在我國，鋁合金大型材已研制成功并投入生產(chǎn)，隨著我國交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，6005鋁合金在高速、輕型鋁合金列車和地鐵列車以及輕型客貨汽車上的應(yīng)用必將越來越多[1-3]。
6005具有較高的工藝性能。萬普華等人對6005鋁合金試樣進(jìn)行了水淬和水淬并深冷處理，來觀察金相組織、抗拉強(qiáng)度等對6005鋁合金力學(xué)性能的影響[4]。張健等人利用熱塑性試驗研究了6005A鋁合金的熱裂紋敏感性[5]，張大新等人將6005鋁合金鑄態(tài)試樣和擠壓制品試樣在不同溫度固溶加熱后淬火處理，制備金相組織，用混合酸溶液侵蝕后在金相顯微鏡下觀察金相組織[6]。
文章主要就6005鋁合金材料的力學(xué)性能性能通過萬能材料試驗機(jī)開展了系統(tǒng)的實(shí)驗研究。測定試件在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸時，材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線；提取加載曲線中的屈服點(diǎn)、強(qiáng)度極限；同時，測量實(shí)驗前后試件實(shí)驗段（即試件的標(biāo)距段）的長度變化，算斷裂伸長率和斷面收縮率。
2 準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗
2.1 試件及儀器
運(yùn)用Instron 5969標(biāo)準(zhǔn)電子萬能拉伸試驗機(jī)對6005鋁材進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗。試件參照GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第一部分：室溫試驗方法》[7]制作。板狀試件的尺寸示意圖如圖1所示。本試驗采用比例試件，形狀為板狀，其厚度為4mm，平行長度為55mm，總長度128 mm。
2.2 試驗結(jié)果
將試驗試件在室溫（10～35℃）環(huán)境下，試驗試件及試驗用夾頭安裝在試驗機(jī)上，試件軸線應(yīng)與力的作用線重合，將引伸計連接在試件上。試驗機(jī)勻速進(jìn)行拉伸，加載速率為10mm/min，測試試件在拉伸過程中的載荷-變形量的關(guān)系。針對橫向切取和縱向切取材料，分別進(jìn)行五次試驗。試驗過程如圖2所示。
將試驗結(jié)果繪制曲線，得到如圖3所示的位移-載荷曲線。
名義應(yīng)力可定義為？滓=F/A0，即載荷F除以原始截面積A0，而對應(yīng)的名義應(yīng)變可由？著=？駐L/L0計算得到，即伸長量？駐L除以原始標(biāo)距L0。將結(jié)果繪制曲線，得到如圖4所示的名義應(yīng)力-名義應(yīng)變曲線。
名義應(yīng)力應(yīng)變曲線并未真實(shí)地反映出材料隨應(yīng)變變化的關(guān)系，因而實(shí)際過程中的應(yīng)力應(yīng)變要進(jìn)行相應(yīng)的修正，需將實(shí)驗所沒測的名義應(yīng)力與應(yīng)變曲線轉(zhuǎn)化為真應(yīng)力真應(yīng)變曲線。試驗中采用引伸計，可直接測得拉伸過程中的應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)，繪制得到如圖5所示的真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變曲線。
各次試驗的結(jié)果如表1所示。
3 結(jié)束語
由準(zhǔn)靜態(tài)拉伸的位移-載荷曲線、名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線、真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：（1）相同應(yīng)變情況下，真實(shí)應(yīng)力略大于名義應(yīng)力。分析可知，此現(xiàn)象符合實(shí)際。因為拉伸試驗過程中，橫截面發(fā)生收縮，小于初始橫截面積，導(dǎo)致真實(shí)應(yīng)力大于名義應(yīng)力。（2）6005鋁合金樣件所能承受的最大拉伸力在2500-2750N范圍內(nèi)。（3）6005-T5的抗拉強(qiáng)度可達(dá)到260MPa，屈服強(qiáng)度約為230MPa，五次重復(fù)試驗測得試件的延展率均為12.08%。
摘要： 提出了目前材料力學(xué)實(shí)驗教學(xué)中存在的幾個問題，結(jié)合實(shí)際情況提出了幾點(diǎn)創(chuàng)新，提出要更新傳統(tǒng)材料力學(xué)實(shí)驗教學(xué)模式，重視基礎(chǔ)實(shí)驗的延伸，按專業(yè)類單獨(dú)設(shè)課，實(shí)行開放性實(shí)驗和網(wǎng)上選課等創(chuàng)新方法。
關(guān)鍵詞： 材料力學(xué)實(shí)驗 創(chuàng)新
0引言
在《材料力學(xué)》科學(xué)發(fā)展史中，實(shí)驗促進(jìn)了材料力學(xué)理論的發(fā)展，同時由于材料力學(xué)的理論是建立在將真實(shí)材料理想化、實(shí)際構(gòu)件典型化、公式推導(dǎo)假設(shè)化基礎(chǔ)上的，他的結(jié)論是否正確以及能否在工程中應(yīng)用，都只有通過實(shí)驗驗證才能確定。
1材料力學(xué)實(shí)驗教學(xué)現(xiàn)狀
1.1 材料力學(xué)實(shí)驗教學(xué)水平落后實(shí)驗教學(xué)一直處于理論教學(xué)的從屬地位，試驗方法單一，只注重拉伸、壓縮、電測等幾個基礎(chǔ)實(shí)驗教學(xué)。教學(xué)設(shè)備、內(nèi)容方法陳舊，測試技術(shù)和手段落后，學(xué)生所學(xué)材料力學(xué)知識與工程實(shí)際不能同步，學(xué)習(xí)興趣不大。材料力學(xué)實(shí)驗大部分為基礎(chǔ)實(shí)驗。以材料拉伸壓縮試驗為例，課上只是對典型的塑性材料低碳鋼和脆性材料鑄鐵做測試，一般只提供標(biāo)準(zhǔn)試件，能夠測試出低碳鋼彈性模量E、屈服強(qiáng)度?滓s、抗拉強(qiáng)度?滓b、延伸率?啄和斷后伸縮率?鬃以及鑄鐵的抗拉壓強(qiáng)度即可，測試要求比較簡單，學(xué)生只是被動接受，很難有興趣。
1.2 現(xiàn)有的材料力學(xué)實(shí)驗教學(xué)指導(dǎo)書不能與新進(jìn)的實(shí)驗設(shè)備同步材料力學(xué)實(shí)驗設(shè)備――特別是電測設(shè)備更新是比較快的，這樣就要求實(shí)驗教材必須與設(shè)備的更新同步。
1.3 學(xué)生對實(shí)驗課的認(rèn)識存在誤區(qū)由于材料力學(xué)實(shí)驗是非獨(dú)立實(shí)驗，實(shí)驗成績所占該門課程的總成績比例較小，對期末成績影響不大，形成了重理論、輕實(shí)驗的思想。
材料力學(xué)實(shí)驗大部分為分組驗證試驗，許多同學(xué)認(rèn)為只要會做實(shí)驗就可以了，甚至有些學(xué)生認(rèn)為實(shí)驗課上不上無所謂，實(shí)驗報告的處理也是拿別人的數(shù)據(jù)照抄應(yīng)付。
1.4 各學(xué)校的實(shí)驗教學(xué)水平參差不齊一些學(xué)校由于投入等原因，可能連基本實(shí)驗還難以保證。一些學(xué)校則開發(fā)了設(shè)計性、綜合性、開放性的實(shí)驗，以及相應(yīng)的實(shí)驗裝置等。有些學(xué)校還開發(fā)了新的實(shí)驗設(shè)備，并獲得了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的實(shí)驗設(shè)備專利。這些都是近年來我國高等學(xué)校教育教學(xué)改革所取得的成果。
2實(shí)驗教學(xué)的幾點(diǎn)創(chuàng)新
2.1 授課中穿插力學(xué)史，激發(fā)學(xué)生興趣比如在講述電測實(shí)驗時，可介紹電阻應(yīng)變計測試技術(shù)起源于19世紀(jì)。1856年，W?湯姆遜（W?Thomson）對金屬絲進(jìn)行了拉伸試驗，發(fā)現(xiàn)金屬絲的應(yīng)變與電阻的變化有一定的函數(shù)關(guān)系；惠斯登電橋可用來精確地測量這些電阻的變化。1938年，E?西門斯（E?Simmons）和A?魯奇（A?Ruge）制出了第一批實(shí)用的紙基絲繞式電阻應(yīng)變計。
2.2 重視基礎(chǔ)實(shí)驗的延伸以材料力學(xué)性能測試為例，可以使測試材料多樣化，除碳鋼、鑄鐵兩種材料以外再提供塑料、鋁合金、木材、玻璃等多種材料，有條件話，還可以使用各種新型材料。要求學(xué)生分別測試不同材料的性能指標(biāo)，通過比較，自己得出結(jié)論。同種材料不同截面（圓截面、矩形截面等）、不同尺寸，讓學(xué)生結(jié)合理論課知識自己測算標(biāo)距，求出所有參數(shù)。通過這種脫離只提供標(biāo)準(zhǔn)試件的模式，使簡單、枯燥的材料性能試驗多樣化，活潑化，可以讓更多的學(xué)生動起手來，從而提高學(xué)生的實(shí)驗興趣。
彈性模量E和泊松比?滋分別在材料的拉伸試驗和電測實(shí)驗中測得。這兩個參數(shù)的測試方法很簡單，學(xué)生一般在老師講授完后很容易就能測定出來，由于操作簡單，學(xué)生做完實(shí)驗后很容易忘記他們是如何測得的，也很少有學(xué)生去研究實(shí)驗原理。在學(xué)完了電測實(shí)驗后，可鼓勵學(xué)生自己動手粘貼應(yīng)變計，研究如何接橋，利用電阻應(yīng)變儀把彈性模量E和泊松比?滋在拉伸試驗機(jī)上測試出來。
2.3 更新傳統(tǒng)材料力學(xué)實(shí)驗教學(xué)模式，探索新的高效直觀的教育方法實(shí)行傳統(tǒng)教學(xué)與多媒體教學(xué)相結(jié)合的教育模式。該校工程力學(xué)實(shí)驗中心從2007年開始在幾位老師的精心努力下，開發(fā)了一套直觀、形象的材料力學(xué)實(shí)驗多媒體教學(xué)課件，在實(shí)驗課板書教學(xué)中通過穿插多媒體課件，大大激發(fā)了學(xué)生對材料力學(xué)實(shí)驗的興趣。為了改變以往材料力學(xué)實(shí)驗設(shè)備陳舊和測試手段落后的現(xiàn)狀，從2002年開始在原有液壓萬能試驗機(jī)的基礎(chǔ)上，陸續(xù)引進(jìn)了新型的電子萬能試驗機(jī)若干臺；陸續(xù)淘汰了舊的、低效的電阻應(yīng)變儀和配套組合裝置，開始使用操作簡單、自動化程度高、數(shù)據(jù)處理方便的電測儀器。
2.4 實(shí)行開放性實(shí)驗和網(wǎng)上選課系統(tǒng)給學(xué)生充足的時間和空間，突破材料力學(xué)實(shí)驗教學(xué)的傳統(tǒng)方式，實(shí)現(xiàn)全面開放實(shí)驗室，建立相對獨(dú)立的實(shí)驗教學(xué)體系，打破班級授課制，開發(fā)網(wǎng)上選課系統(tǒng)，讓學(xué)生自己在網(wǎng)上選課，按分散式教學(xué)模式組織實(shí)驗教學(xué)。全面開放實(shí)驗室，調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，使每個學(xué)生都有動手操作機(jī)器的機(jī)會，提高儀器設(shè)備的使用率。同時實(shí)驗室開放能最大限度地利用實(shí)驗室資源，實(shí)驗室開放后，學(xué)生自己選擇實(shí)驗項目，實(shí)驗的頻率和實(shí)驗循環(huán)的節(jié)奏由學(xué)生自己調(diào)節(jié)，這使得實(shí)驗室的容量大幅度提高，實(shí)驗用房得到充分的利用。
2.5 加強(qiáng)實(shí)驗室建設(shè)要更新觀念、提高效率，拋棄固有、陳舊的管理模式，選拔一批愛崗敬業(yè)，有高度責(zé)任心和事業(yè)心的優(yōu)秀青年來充實(shí)實(shí)驗室隊伍。重視實(shí)驗教師的培訓(xùn)，多與國內(nèi)外知名高校交流，提高實(shí)驗教師的業(yè)務(wù)素質(zhì)。
3總結(jié)
材料力學(xué)實(shí)驗實(shí)驗課是一門技術(shù)基礎(chǔ)課，在工科院校中占有相當(dāng)重要的位置。但是，受多種因素的影響，力學(xué)實(shí)驗教學(xué)設(shè)備陳舊，內(nèi)容枯燥乏味，學(xué)生難有興趣。傳統(tǒng)的材料力學(xué)實(shí)驗內(nèi)容遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗技能的目的，也跟不上科技發(fā)展的步伐。因此，對實(shí)驗內(nèi)容必須進(jìn)行大膽的改革和創(chuàng)新。
【摘要】本科階段《材料力學(xué)》課程主要培養(yǎng)學(xué)生對簡單桿件結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性進(jìn)行分析的能力，是土木工程和道路橋梁與渡河工程等專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課。針對實(shí)際課程教學(xué)中存在的問題，提出了一些改進(jìn)措施。如適當(dāng)引入前沿知識，激發(fā)學(xué)生求知欲和學(xué)習(xí)興趣；恰當(dāng)使用傳統(tǒng)板書和多媒體授課方式；有效利用虛擬仿真技術(shù)；引入科技競賽活動，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力等。實(shí)踐證明上述措施有助于學(xué)生掌握相關(guān)知識。
【關(guān)鍵詞】教學(xué)方法 教學(xué)手段 實(shí)踐能力 創(chuàng)新能力
一、概述
《材料力學(xué)》是許多工科專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，我校的土木工程、道路橋梁與渡河工程、機(jī)械設(shè)計與制造、材料成型等專業(yè)均開設(shè)這門課程。它主要培養(yǎng)學(xué)生具備對簡單桿件在外載荷下的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性問題進(jìn)行分析和設(shè)計的能力。對于土木工程專業(yè)而言，它還是一門承上啟下的課程：《高等數(shù)學(xué)》和《理論力學(xué)》是它的先修課，而它又是《結(jié)構(gòu)力學(xué)》、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計》、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計》、《彈性力學(xué)》和《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》等課程的先修課。因此掌握好該門課程的基本概念和知識十分重要。但是該課程內(nèi)容多、概念多并且相對抽象，同時還缺少足夠的實(shí)踐動手機(jī)會，因此一些學(xué)生反映該課程理論抽象、內(nèi)容乏味，甚至少部分學(xué)生產(chǎn)生畏學(xué)現(xiàn)象[1]。所以，需要進(jìn)行多方面的教學(xué)改革，以期達(dá)到預(yù)定的學(xué)習(xí)效果。近年來，在實(shí)際教學(xué)中進(jìn)行了一些教學(xué)方法的改革和實(shí)踐，取得了一定效果。
二、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣
好奇心和興趣對于學(xué)生學(xué)習(xí)效果有決定性的作用，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力需要培養(yǎng)學(xué)生對科學(xué)的興趣[2]。因此在實(shí)際教學(xué)過程中需要不斷激發(fā)學(xué)生的好奇心和興趣。主要采取的措施是適當(dāng)引入前沿知識和身邊的力學(xué)知識和案例。如在緒論課中介紹近年來我國和其他國家的典型的建筑物和道路橋梁等。同時從其他專業(yè)相關(guān)的國際權(quán)威期刊上檢索相關(guān)文獻(xiàn)，通過多媒體介紹其他相關(guān)專業(yè)中材料力學(xué)知識的一些應(yīng)用，如展示Journal of Biomechanics雜志上檢索到的膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中需要解決的生物材料力學(xué)性能測試的問題；展示Journal of Biomechanics和Journal of Mechanical Science and Technology中檢索到的關(guān)于鞋子設(shè)計中的材料選擇和鞋底外形設(shè)計的問題；展示International Journal of Mechanical Engineering檢索到的齒輪齒形設(shè)計和優(yōu)化的材料強(qiáng)度問題；展示Ocean Engineering中關(guān)于海洋石油鉆井平臺的強(qiáng)度和剛度設(shè)計問題；展示Engineering Failure Analysis中關(guān)于大型礦用自卸車車軸斷裂的分析。同時，結(jié)合時事介紹材料力學(xué)所研究的一些問題，如天宮二號發(fā)射時，介紹衛(wèi)星發(fā)射塔及周邊建筑物在面臨強(qiáng)動載和高溫時所面臨的強(qiáng)度和剛度問題，介紹空間站在太空中所面臨的惡劣環(huán)境及遭受空間碎片超高速撞擊時的強(qiáng)度問題。這些內(nèi)容的適當(dāng)增加一方面可極大激發(fā)同學(xué)的好奇心和學(xué)習(xí)興趣；另一方面也能拓展同學(xué)的眼界，這些知識也將告訴學(xué)生將來讀研究生時也可選擇其他相關(guān)專業(yè)。
三、合理使用傳統(tǒng)板書和多媒體授課
過去的課堂教學(xué)手段主要是板書，這種授課方式對《材料力學(xué)》這種概念多和理論公式推導(dǎo)多的課程比較有效。其優(yōu)點(diǎn)是學(xué)生和教師共同思考同一個問題，學(xué)生能緊緊跟隨教師的思路和節(jié)奏[3]，教師邊板書、邊講解、邊推導(dǎo)、邊啟發(fā)和邊提問，而學(xué)生則眼、耳、口和腦并用，這樣可形成多維印象和刺激，就有利于學(xué)生掌握相關(guān)知識。但傳統(tǒng)的板書也面臨一些挑戰(zhàn)：（1）展示復(fù)雜的變形形式時耗時較多，如實(shí)心圓柱在扭轉(zhuǎn)載荷作用下的變形以及任意位置切應(yīng)變的計算和推導(dǎo)需要畫出較復(fù)雜的圖形。（2）該課程的工程實(shí)踐性較強(qiáng)，板書時無法有效傳遞實(shí)際工程的相關(guān)信息。而這兩個缺點(diǎn)恰恰可以通過多媒體教學(xué)進(jìn)行彌補(bǔ)。這種教學(xué)方式的展現(xiàn)能力強(qiáng)，信息傳遞量大，可以創(chuàng)造生動和逼真的教學(xué)氛圍，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。因此，涉及復(fù)雜圖形特別是變形圖的繪制以及變形過程的展示時可以借助多媒體技術(shù)進(jìn)行授課，同時需要結(jié)合工程背景時也可通過多媒體展示。
四、有效利用虛擬仿真技術(shù)
《材料力學(xué)》是一門與工程實(shí)踐密切聯(lián)系的學(xué)科，因此安排有試驗課程。但為使學(xué)生達(dá)到預(yù)期的學(xué)習(xí)效果，試驗課通常安排在理論課講授相關(guān)內(nèi)容之后進(jìn)行。但這樣帶來的一個問題是理論課堂上部分學(xué)生對相關(guān)知識理解不到位。比如講授低碳鋼在單向拉伸載荷下的力學(xué)性能時需要講解徑縮并計算應(yīng)變值，應(yīng)變值通過引伸計測得的伸長量除以原始標(biāo)距段長度得到。但這種單向拉伸試驗應(yīng)變值的計算是建立在均勻變形的基礎(chǔ)上的，而徑縮后材料的變形在標(biāo)距段內(nèi)已不再均勻，因此徑縮后按原公式計算得到的值理論上已不能再叫作應(yīng)變。僅憑講課和圖片展示有時不足以讓學(xué)生理解透徹，這時可以利用有限元計算提前完成單向拉伸試驗的仿真，并展示其變形過程及變形過程中應(yīng)變的分布，這樣就能直觀地講解徑縮，并清晰地展示徑縮前后應(yīng)變的分布情況。
另外，部分變形形式較復(fù)雜和抽象，部分學(xué)生無法深刻理解和掌握。如扭轉(zhuǎn)載荷作用下實(shí)心圓柱的切應(yīng)變分布，部分同學(xué)不能理解切應(yīng)變隨半徑的線性變化。這時可以建立實(shí)習(xí)圓柱扭轉(zhuǎn)的三維有限元模型，施加扭角，然后在后處理時顯示標(biāo)距段內(nèi)3/4橫截面的應(yīng)變分布，這樣便可以清楚展示應(yīng)變的分布情況，易于學(xué)生深刻理解和掌握該知識點(diǎn)。
五、引入科技競賽活動
《材料力學(xué)》是一門理論課程，但它來源于工程又服務(wù)于工程，在培養(yǎng)學(xué)生逐步建立工程概念和逐漸形成解決實(shí)際工程問題能力方面有著十分重要的作用。但對于一般和新建本科院校而言，通常缺少充足的實(shí)踐鍛煉機(jī)會和試驗設(shè)備。近年來，科技競賽活動漸多，如省級結(jié)構(gòu)建模大賽、中南地區(qū)結(jié)構(gòu)建模大賽等。在這些競賽活動中需要設(shè)計和制作出屋蓋、塔式建筑、橋梁、輸電塔、廣告牌支撐結(jié)構(gòu)等。通過這些競賽，學(xué)生需要確定具體的分析對象，通過檢索文獻(xiàn)資料和力學(xué)分析確定初步結(jié)構(gòu)形式，完成制作，進(jìn)行加載和多輪優(yōu)化等，這對于鞏固理論知識，培養(yǎng)實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識具有重要意義。為讓更多同學(xué)參與這種活動，在學(xué)校層面設(shè)計了“挑戰(zhàn)杯”競賽活動，并將這種競賽活動納入《材料力學(xué)》課堂教學(xué)，在成績評定中計入該項成績。
六、結(jié)語
《材料力學(xué)》是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，又能直接服務(wù)工程實(shí)際，但內(nèi)容相對多且枯燥。因此在教學(xué)過程中，要注重激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；合理使用傳統(tǒng)板書和多媒體技術(shù)進(jìn)行授課；在相關(guān)知識的講授時可以采用虛擬仿真技術(shù)增加直觀性，以便于學(xué)生理解和掌握；同時，還要重視科技競賽活動對于鞏固理論知識、培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識方面的作用。
