材料力学范文
时间：2023-03-22 10:36:20
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篇1
关键词 材料力学 教学内容 改革
中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/ki.kjdks.2017.02.051
Abstract Material mechanics is an important technical basic course for engineering majors. This paper from the training objectives， teaching contents and teaching methods in three aspects of material mechanics course teaching reform is discussed and thinking， with a view to teaching practice in the future development for the country needs multi-level， multi class professionals.
Keywords materials mechanics； teaching content； reform
材料力W是工科类专业的一门重要技术基础课，对航空航天类、土建类、机械类各专业显得尤其重要。材料力学课程的任务是为解决工程实际问题（强度、刚度、稳定性）提供必要的理论基础。随着材料制造工艺的飞速发展及计算机技术的日益普及，传统的材料力学课程在教学方法和内容上需要改革调整。本文以下结合笔者所在高校的教学实践活动，对今后材料力学课程的改革进行了初步的探讨和思考，以期能够在新的历史时期下，培养出国家所需要的多层次、多类别的专业人才。
1 进一步明确培养人才的目标
目前，中国正处于快速发展阶段，急需大量的各行业人才，而培养人才的重任便落在各种高校身上。中国有几百所工科大学，但每所高校培养人才的方式不一样，其中绝大多数高校是以培养应用型人才为主，少数高校是以培养研究性人才为主。以培养应用型人才为主要目标的高校，学生毕业后绝大多数都流入了生产型企业，他们主要从事相关产品的研发和设计工作，是产品生产过程中的中坚力量。而以培养研究型人才为主要目标的高校，学生毕业后有相当一部分会流入研究所和设计研究院，主要从事以技术创新为主的研究和深度研发工作，是产品研发阶段的创新型人才。培养技术应用型人才的高校，应侧重教会学生如何“用”的问题。而对于培养研究性人才的高校，更为重要的是告诉学生“为什么是这样”的问题。所以，首先应该根据学校自身的定位，明确学生的培养目标，从而合理组织教学内容。其次，应根据不同的专业设置来明确教学内容。
材料力学是力学、航空、航天、机械、动力、土木、水利等专业的一门重要专业基础科，而且是一门理论性很强的学科，其包含的公式，定理，思维方式，建模思路等对于各行业的产品研发，创新发展，优化问题等方面起到很大帮助作用。不同专业对材料力学课程所要求的深度、广度和侧重点有所不同。所以，必须根据不同的专业设置，来安排和组织教学。在但无论培养什么样的学生和什么专业的学生，都应注重学生分析问题的能力和解决问题能力的培养，另外也应注重学生的创新能力的培养。
2 教材内容与时俱进
传统的材料力学课程主要以宏观尺度的一维杆件为研究对象，在教学内容上先安排讲授杆件的四种基本变形形式及对应的强、刚度问题，在此之后讲授组合变形并通过引入应力状态的概念引出组合变形模式下的强度问题，最后安排讲授压杆的稳定性问题。以上讲授内容，自上世纪八十年代中后期就已经成型，到30年后的今天仍然是材料力学的核心讲授内容。这样的教学方式和考查形式着重培养学生学习材料力学中的定理，理论和研究方法，然后解决一些传统的问题，然而这并不利于培养学生的创新能力，与我国快速发展的现状越来越不适应。因此，使教材内容适应国家发展是很重要的。
随着科学技术的不断发展，材料制造工艺水平的不断提高及新材料的不断涌现，对材料力学这门“成熟”的课程提出了全新的力学问题。如何在传统的材料力学课程中适度、适时地反映这些全新的课题和进展是十分必要的。特别是近年来有限元思想的快速发展，这对材料力学的学习和教学有了很大影响，在研究工程变形和静定结构的基本变形中，有限元思想更是突出了它的便利之处。另外，随着新的交叉学科的不断涌现，传统材料力学中的一些结论和分析方法，也已在其他一些学科中得到了具体应用。但是，这种全新的应用并没有在传统的材料力学课程中得到体现。因此，在当前学科交叉日益密集的趋势下，如何对传统的材料力学内容进行安排和重组，以反映这种学科间的交叉和渗透也是十分必要的。
传统的材料力学内容已不能满足现代工程技术的发展，这并不是说要舍弃那些传统内容，而是要保留核心内容，并加入一些新的思维方法，重组教学内容，优化课程体系，以达到完善教材，适应时展的效果。这不仅可以激发学生的学习积极性，还可以提高学生的创新能力，提高学生解决问题的能力，并有利于高校培养专业的人才，满足国家的需求。因此，教学内容与时俱进势在必行。
3 完善教学手段
目前，随着计算机技术的飞速发展，利用计算机的计算能力来解决实际工程问题以成为当前的一种主流趋势。计算机的普遍使用，也为材料力学课程教学方法提供了很大发展空间，老师应该利用学生对计算机的兴趣，合理使用计算机辅助教学，不仅可以提高信息的输送和表达，而且还能激发学生的学习热情和创造性。另外，利用多媒体教学，还能加深学生对材料力学基本概念的理解，相应的提高了学生解决问题的能力，计算机教学方式是传统教学手段的有力补充。还有一些大型的商业有限元软件，尤其是ANSYS软件早已被用来进行结构的强度计算。很多工科院校也已经将ANSYS作为本科生或研究生的一门必修课程，通常都安排在材料力学课程之后学习。但是，在讲授材料力学的过程中，也应该充分利用ANSYS直观形象的图形显示能力和强大的计算分析优势，来演示材料力学课程中的一些重要结论和验证一些主要假设的合理性问题。举例来说，在学习梁的弯曲变形时，采取了平截面假设，也就是说当梁发生弯曲变形的时候，变形前原为平面的梁的横截面变形后任保持为平面，且仍然垂直于变形后的梁的轴线。①这一假设的实质是忽略了剪应力对梁弯曲变形的影响，而且仅对长高比较大的梁（ >5）近似成立。
在教学过程中，一般仅是定性的告诉学生这一结论。利用ANSYS软件，通过不同的单元选择，比如可以利用Timoshenko梁单元，二维实体单元和三维实体单元，具体形象地展示不同单元的数值结果，从而定量的告诉学生这一假设合理性及适用性的问题。此外，另外一款数学软件Matlab也因其强大的分析和仿真功能，被广泛地应用于研究及教学领域。事实上，Matlab也早已被列为本科生的一门选修课。国内一些高校也开展了Matlab和材料力学课程相结合的一些有益探索和尝试，比如利用Matlab计算超静定机构的支反力及绘制挠曲线的形状等。②在材料力学课程中的把ANSYS，Matlab等仿真类软件引入到材料力学课程教学中来，不仅可以激发学生的学习兴趣，还可以加深学生对材料力学基本概念的理解，并有助于提高学生实际分析能力和解决问题能力的提高，为其将来更好更快地解决实际工程问题打下基础。因此，在今后的材料力学教学中，应该加大ANSYS，Matlab等软件的介绍，在更深的层次上和教学过程相结合。
在利用计算机辅助教学的同时，也应该注重加强学生进行材料力学试验，材料力学是一门理论性较强的学科。学生在学习基本概念和理论后，并不能完全理解，@就需要进行材料力学试验来加深学生对理论的理解，使理论与实践相结合。从简单的力学现象引出复杂的问题，通过理论的学习进而解决力学问题揭示力学原理，激发学生的学习热情，通过看得见、摸得着的实验可以加深学生对抽象概念的理解，提高学生的自主学习能力和创新能力。
最后，要完善教学课堂，老师在完成规定的教学内容后，应该不断鼓励学生乐于提出问题，并在课堂上解决，这不仅能激发学生的思考和发散思维，还能起到现学现用的作用，更能加深学生对基本概念的理解，提高学生解决问题的能力和创新能力。对于学有余力的学生，应该给他们一些力学问题，让他们合作解决，最后在课堂教学之余举行一个小竞赛，促使学生独立思考和钻研。这种教学方式不仅增强了学生自己查阅文献和书籍的能力，还提高他们的学习积极性，培养他们接受新知识、新思想的能力，在使学生独立思考的同时，也让学生意识到团队合作的重要性，加强了学生发现问题、解决问题的能力。总之，材料力学这门课程虽然是理论性学科，但是从课程理论学习、教学方式、课堂实验的创新等各个环节入手，并在各个过程中大胆创新，努力实践，最终可以提高教学质量，促进学生学习，提高学生创新能力，使学校培养出高素质，复合型人才，满足国家对工程性技术人才的需求。
4 结语
材料力学是工科类专业一门重要的技术基础课程，笔者作为工科类材料力学课程的一线授课教师，对材料力学课程今后的教学改革方向提出了以上几点思考和建议。为了培养出国家所需要的多层次、多类别的专业人才，在今后的教学工作中，只有明确了培养目标，不断改进教学方法、与时俱进地更新教学内容，才能使学校培养出的学生肩负起时代所赋予的责任。
注释
篇2
关键词：材料力学；弹性力学；研究方法
概述
力学作为一门研究物质机械运动规律的科学，其在建筑、机械、航天、航海等关系国计民生、国家安全等重大项目上发挥着重要作用。材料力学（Mechanics of materials）和弹性力学（Theory of elasticity）都是力学的重要分支学科，尽管他们都是研究和分析各种结构物在弹性阶段的应力和位移，但在研究对象和方法上仍然具有很大的差异。材料力学主要研究物体受理后发生的变形、由于变形而产生的内力以及物体由此而产生的失效和控制失效准则[1]。其主要的研究对象是杆状构件，即长度远大于高度和宽度的构件及其在拉压、剪切、弯曲、扭转作用下的应力和位移。材料力学除了从静力学、几何学、物理学三方面进行分析之外，通过试验现象的观察和分析，忽略次要因素，保留主要因素，引用一些关于构件的形变状态或应力分布的假定，大大简化了数学推演。虽然解答只是近似的，但是可以满足工程上的精度要求。弹性力学作为固体力学的一个分支，研究可变性固体在外部因素如力、温度变化、约束变动等作用下产生的应力、应变和位移[2]。其研究对象既可是非杆状结构，如板和壳以及挡土墙、堤坝、地基等实体结构，亦可是杆状构件，并且其不引用任何假定，解答较材料力学更为精确，常常用来校核材料力学里得出的近似解答。
材料力学与弹性力学同样作为变形体力学的分支，在解决具体问题使，需要将实际工程构件的研究对象抽象为理想模型。作为理想模型，在建立其已知量和未知量的推导关系时，要满足如下基本假设：连续性假设、均匀性假设、各向同性假设、小变形假设、完全弹性假设。下面本文将就在一下具体问题的解决中，探讨材料力学和弹性力学在研究方法上的差异。
1.直梁在横向荷载作用下的弯曲研究
1）在纯弯曲梁中，对于平截面假定的验证
材料力学在研究梁的弯曲应力时，采用纯弯曲段分析。通过观察对比梁变形前后表面横向线和纵向线的几何变形，推测梁内部横截面在变形后仍为平面。在弹性力学中，证明了其横截面是否为平面的过程如下：
假定平面应力情况，已通过多项式解答取φ=ay3，求得纯弯曲矩形梁的应力分量，将应力分量代入物理方程、几何方程，并积分变换得位移分量的表达式：u=MEIxy+f1（y）ν=-μM2EIy2+f2（x）
通过数学变换求得位移分量为：
u=MEIxy-ωy+u0
ν=-μM2EIy2-M2EIx2+ωy+ν0
其中ω、u0、ν0为刚移
由上式可得，铅直线段的转角为：
β=uy=MEIx-ω
在同一个截面上，x是常量，因而β也是常量。可见，同一横截面上的各铅直线段转角相等，即横截面保持平面。
2）对于截面弯曲应力的修正与分析
在材料力学中，根据平面假设和单向受力状态导出了应力公式。但此公式仅限于纯弯曲梁，当梁受横向外力作用时，梁发生横力弯曲，此时变形后已不再是平面，单向受力状态也不成立。针对此问题，材料力学一般做简化处理。对于跨长与横截面高度之比大于5的梁，用纯弯曲正应力公式σ=MIy进行计算，结果虽然有误差，但足以满足工程上的精度要求，近似用该公式得到的结果作为横力弯曲的正应力计算公式。
而在弹性力学中，采用半逆解法严密的推导了各应力分量。以均布荷载下的简支梁为例，假设应力分量形式σy=f（y），由应力函数与应力分量的关系导出应力函数，并代入相容方程得到各应力分量的表达式。考虑主要边界与小边界后，得截面上的应力分量为：
σx=MIy+qyh（4y2h2-35）
σy=-q2（1+yh）（1-2yh）2
τxy=FSbI
由上式可见，在弯应力σx的表达式中，第一项是主要项，和材料力学中的解答相同，第二项是弹性力学提出的修正项。对于通常的浅梁（跨高比大于5），修正项很小，可以忽略不计，对于较深的梁，则必须考虑修正项。
应力分量σy是梁各层纤维之间的挤压应力，它的最大绝对值是q，发生在梁顶。在材料力学中，由于单向应力假设，认为纵向线之间互不挤压，一般不考虑该应力分量。
切应力τxy的表达式和材料力学完全一样。
从表达式中可以看到，当l>>h时，σx最大，τxy次之，σy最小，且σx中的qyh（4y2h2-35）是高阶小量。因此进一步说明了，材料力学的公式可以近似满足工程梁的计算精度，而弹性力学推导相对复杂因此材料力学具有较强的实用性。
2.切应力互等定理
在材料力学中，以圆杆的扭转为背景，考虑了一个特殊的简单应力状态，并加以推理得到了切应力互等定理。在沿杆轴线方向取微段dx，垂直于径向的平面截出一无限小的单元体，则很容易得出内外表面无应力，只在左右两个面上有切应力τ。则该单元体将会转动不能平衡，所以推定在上下两个纵截面上必定存在着τ'。由于面积很小，近似认为切应力在各面上均匀分布。
由平衡方程ΣM=0得到
（τdydz）dx=（τ'dxdz）dy
从而得到：τ=τ'
而在弹性力学中，则从最普遍的情况出发，不作任何假设。取微小的平行六面体，根据平衡条件导出应力分量之间的关系。由对中心点的力矩平衡方程，得到：
（τxy+τxyxdx）dy×1×dx2+τyxdy×1×dx2-（τxy+τxyydy）dx×1×dy2+τyxdx×1×dy2=0
将上式两边同除dxdy，合并同类项，并命dx dy趋于零，得到τxy=τyx
从而验证了切应力互等定理。
从切应力互等定理的导出我们可以发现，材料力学在推导过程中运用了一些推理和假设，而弹性力学的推导过程是比较严密和精确的。
总结
弹性力学与材料力学同样作为力学的分支，基本假定和理论体系是相同的。在力学史上，首先出现了研究变形体力学的理论，属于弹性力学的研究范畴，但由于当时相应的数学水平得不到相应问题的解析解，才在求解过程中引入一些关于变形和应力分布的假设，形成材料力学这门学科。
在研究对象方面，材料力学的研究对象是杆状构件，而弹性力学的研究对象则有杆、梁、柱、板等结构。因此弹性力学有更广的适用性，而材料力学具有一定的局限性。
在解决具体问题是，材料力学常采用截面法，即假想将物体剖开，取截面一边的部分物体作为截离体，利用静力平衡条件，列出单一变量的常微分方程，以求得截面上的应力，在数学上较易求解。弹性力学解决问题的方法与材料力学的方法是不相同的。在弹性力学中，假想物体内部为无数个单元平行六面体和表面为无数个单元四面体所组成。考虑这些单元体的平衡，可写出一组平衡微分方程，但未知应力数总是超出微分方程数，因此，弹性力学问题总是超静定的，必须考虑变形条件。由于物体在变形之后仍保持连续，所以单元体之间的变形必须是协调的。因此，可得出一组表示形变连续性的微分方程。另外，在物体表面上还必须考虑物体内部应力与外荷载之间的平衡，这样就有足够的微分方程数以求解未知的应力、应变与位移，所以在解决弹性理论问题时，必须考虑静力学、几何方程、物理方程以及边界等方面的条件。因此需要研究人员具备较扎实的数学基础。由于数学上的困难，弹性理论问题不是总能直接从求解偏微分方程组中得到答案的。
在计算精度方面，材料力学在计算过程中引入一些假设以简化计算，得到的计算结果虽然精度偏低，但已经能够满足工程上的精度需要，并且受力模型简单，能够很快的得到应力分布，实用性较强。而弹性力学通过严密的推导，虽然计算过程繁琐但精度高。
综上，材料力学和弹性力学两门力学分支学科关系密切，适用范围互补，研究方法及精度各有长处，将他们综合应用，才能在我们的学习和科研中取得更好的效果。
[参考文献]
篇3
[关键词]材料力学;案例;教学
[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）11-0165-03
材料力学是机械类专业的一门重要技术基础课程，主要研究变形体受力后发生的变形，及由于变形引起的附加内力及应力，和由此而产生的失效。其任务是在满足强度、刚度和稳定性要求的前提下，为设计既安全又经济的构件，提供必要的理论基础和计算方法。[1]教学中要注重理论和方法的实际应用，因此除了完成基本的直接应用公式求解的教材例题和习题外，需要还原教材上例题或习题的原貌，其中结合实际案例展开教学是有效的途径，这不仅开阔学员的视野，更重要的是加深基础理论的理解，掌握理论指导实践的思路，提高学员运用所学知识发现问题、分析问题、解决问题的能力，为专业课程的学习、毕业综合设计打好基础。本文介绍在教学中引入案例时应把握的五个步骤，并选择武器和生活中的两个案例进行具体设计。
一、案例的设计思路
案例来源于生活、工程、武器装备等领域[2]，教学中主要分为课堂分析案例和课下学员自行分析案例两类。教员在课堂上展开分析的案例，结合教学内容，分析要全面透彻，引导学员理解各个环节;请学员分析的案例，要在开课时就给出，让学员根据自己的兴趣至少选择一例，带着问题进入课程的学习，根据教学进度进行具体分析，到结课时给出自己的分析答案，具体成绩计入平时分。
教学中学员对案例很感兴趣，但是要真正进行建模分析时，又会遇到困难而失去积极性，为此教学中选择好案例后，设计时要逐步推进，每个案例一般要把握好五个步骤，具体如下：
第一步：案例背景
通过查阅相关专业书籍、关注新闻报道，浏览网络资源等途径，发现问题整理案例，主要利用文字、图片、照片、视频等形式，来阐明案例的发生及其危害，使学员感到问题的真实性，来激发学员的兴趣点。
第二步：问题提出
为了克服由于问题太难而打消学员的积极性，所提问题要由易到难，逐步分层进行。因为提出问题往往比解决问题更重要，也可增加学员自己提出问题的环节，如感到所给问题有难度，自己可以给出相关的简单一些的问题;也可给出所提问题分析后，提出其他相关题目，供大家探讨分析，若所提问题很好要给予鼓励，计入平时分。总之，问题的设计是要学员从一个案例的分析中理解多一些、全一些。
第三步：建立模型
分析案例的特点和问题的要点，抓住主要因素，忽略次要因素，画出力学简图，将问题和所学理论建立联系，应用相关知识、公式、方法，进行理论分析或计算。
第四步：分析原因
由理论分析结果定性分析案例问题发生的可能原因，提出避免事故发生、设计或使用维护时应该采取的措施。
第五步：扩展内容
提供相关的扩展阅读内容，或者提出深层次的问题等等，供学员进一步深入思考或探索，目的是培养学员的问题意识，逐步养成发现新问题，提出新想法的思维习惯。
二、案例：空调外机支架的安全性分析
（一）案例背景
据了解，我国第一波空调安装高峰期大约在20世纪90年代中后期，2000年开始在城市全面普及。空调及外机的安全使用年限约为10年，支架一般在5-6年后就应更换，而现实情况却令人担忧。几乎每年都有空调支架出现问题的报道。
2002年12月12日，湖南省邵阳市……;2008年6月10日晚，福州平潭……;2014年7月，因空调支撑架断裂，一维修工人在上海某小区维修空调时从3楼坠亡！图1是出现问题的某空调支架。
（二）问题提出
1.常见空调支架如图2，根据空调及支架的受力情况，简化力学模型，分析支架横梁和立柱连接螺钉的应力。
2.从图3上不难看出，在高高悬起的支架上，随着时间的推移，用来固定空调室外机的支架与墙面不能完全贴合，并且连接墙面的螺钉也发生弯曲变形。（1）试简化模型分析图片中螺钉的应力;（2）提出安装空调外机及支架的合理建议。
（三）建立模型
问题1的模型如图4（a），设三个螺钉的直径均为d。
将载荷向螺钉群截面形心简化为一个力F′和一个力偶M，其中M=Fl。
力F′由三个螺钉平均分担，各螺钉承受的竖向剪力均为Fa1=Fb1=Fc1=。
力偶M使三个螺钉产生切向剪力，由直角三角形各边的比例关系和力矩的静力学关系，可解得各螺钉的切向剪力分别为Fa2=Fc2=，Fb2=0，方向如图4（b）。
各螺钉的总剪力分别为：Fa=Fc=，Fb=，剪力方向如图4（b）。显然最上和最下螺钉的剪力最大，其切应力也最大。
问题2的模型如图5，两个螺钉将支架的立柱与墙体连接。
两个螺钉内为拉应力，下侧支架立柱与墙体之间产生压应力，设受压长度为x，若下部有螺钉，螺钉也不受力，所以实际立柱上有孔也不安装螺钉。假设单个螺钉上的受力均匀，螺钉群应力分布为直线规律，如图5，中性轴处应力为0。
设螺钉的横截面面积为A，按应力分布假设可知，中性轴以下没有螺钉。
上侧螺钉的拉应力最大，为：
其中M是空调重量引起的力矩。
支架立柱与墙体的最大压应力在下边缘，为：
（四）分析原因
问题1的理论分析告诉我们，若是间距相同的三个螺钉，其中最上和最下螺钉的切应力最大，那么危险性也就最大。为避免事故发生，一定要选择符合要求的螺钉，按要求安装足够的螺钉个数。
问题2的理论分析告诉我们，支架立柱与墙体间的螺钉中最上边的螺钉受力最大，因此看到最上边的螺钉比下边的螺钉松动的要严重。
实际中由于空调支架在室外，若是铁架或不合格产品，时间长了容易生锈，这也是造成空调支架断裂的原因之一。
（五）扩展内容
1.为什么有的空调支架上在中间部位可以挖有圆孔，如图6，圆孔的大小应满足什么条件？
2.推荐电视台关于“旧空调支架牢不牢”的实验视频，或电视台制作的关于“空调外机支架安全吗？”节目，供学员观看，进一步了解支架的安全情况。
3.实际生活中，如何做才能避免“祸从天降”呢？
2012年4月19日，中国家电服务维修协会了《空调器室外机安装用支架规范》。其中对空调外机支架的厚度、防锈度、紧固件规范以及支架检测规范都做出了具体规定，如支架使用的材料必须是3毫米以上的角钢或镀锌钢板、空调支架的承载能力不能低于空调器机组自重的4倍，并明确指出，支架使用寿命不得低于空调本身的使用寿命，即10-12年。……
三、结语
案例教学是将理论用于实践的有效教学模式，案例的选择是长期性的工作，案例的编写设计是保证教学效果的关键，必须要注意由浅入深，挖掘问题内涵，逐步建模分析得出案例的可能原因。另外案例的完成需要教员的努力，更需要学员的参与，相信经过师生的共同探索、研讨、完善，会建成丰富的材料力学案例库，材料力学的案例教学会将材料力学的教学改革推向深入。
[ 参 考 文 献 ]
篇4
[关键词] 材料力学实验 教学改革 实践能力
材料力学是工科专业的一门重要专业基础课,材料力学实验是材料力学课程教学的重要组成部份,是检验理论正确程度和解决实际问题的依据,是培养学生动手能力和创新能力的重要环节。随着社会的不断发展,对人才要求越来越高。现行的实验教学内容、教学方法已经不能满足我们培养具有“基础知识扎实、知识面广、有较好的创新能力和解决工程实际问题能力”的应用型人才目标的要求,必须进行改革。
一、材料力学实验教学中存在的主要问题
目前,材料力学实验教学中存在的主要问题是学生学习兴趣不大,积极性不高,动手能力差,以应付式的心态来对待实验课程,等等。具体原因有以下几个方面:(1)学生对实验教学的重要性认识不足,存在“重理论、轻实践”的错误观念。他们认为实验只是对所学理论知识的验证,实验课中能完成实验任务就行了。存在着上实验课态度不够端正,实验报告互相抄袭,实验数据不完整等现象。(2)实验仪器缺乏,实验教学条件有限。造成许多实验无法开展,只能由教师做实验、学生看实验的被动局面。(3)实验教学内容单一,结构失衡,缺乏设计性和综合性实验。(4)传统的实验教学方式和方法缺乏科学性,学生对实验课兴趣不高,导致动手能力不强。(5)实验教学目的与实践要求偏离甚远,学生所学的材料力学知识与工程实际严重脱节,不能很好地发挥实验教学对理论教学的辅助作用。(6)实验指导书的内容过于详细,学生只需按指导书上的实验步骤一步步地操作就能完成实验,始终处于被动学习的状态,不利于发挥学生的创造力。(7)实验教学考核体系不科学。
二、材料力学实验教学改革的实践与探索
1.正确认识材料力学实验教学的重要性
科学实验是科学理论的源泉,转变实验教学观念是实验教学改革的核心。美国力学大师铁摩辛柯说过:“理论分析和实验结果在材料力学研究中具有同等重要的地位,材料力学的历史是理论和实验二者最好的融合。”理论课与实验课是同等重要的,理论课侧重于相关理论的讲解,具有普遍意义。实验课侧重于解决工程实际问题,是理论知识学以致用的实践性课堂,否则再好的理论也只能束之高阁,也就失去了理论研究的意义。因此,只有明确实验教学的重要性,才能培养学生应用理论知识去分析解决工程实际问题的创新能力,这点对工科专业学生非常重要。
2.增添实验设备,改善实验教学条件
俗话说“工欲善其事,必先利其器”。要想提高实验教学的效果,实验室必须按照学生的人数比例配备先进的实验仪器设备。近3年来,随着我校“实验室发展与提升计划”的实施,材料力学实验室先后购置了一批材料力学多功能试验台、电子万能试验机、静态电子应变仪和压力试验机等设备,同时,还对实验室环境进行改造。基本解决了教学设备陈旧、老化、台套数少和教学场地狭小等问题,使得实验教学能力得到快速提升。
3.改进实验教学方法,提高学生学习兴趣
传统的“固定式”实验教学方法束缚了学生思维能力和创造能力。在新的教学过程中,应充分利用网络优势,把试验仪器的图片及操作方法、注意事项、实验的主要目的、实验操作步骤等放到实验室网站上,以便学生进行实验前预习。同时,利用多媒体技术,制作实验CAI 软件,将材料力学实验内容全部模拟完成,建立材料力学虚拟实验空间。这样既增添学生学习兴趣,让学生很快掌握如何操作试验机,掌握课本上抽象的内容,又能培养学生利用计算机等现代化手段进行科学实验的能力,为将来踏上工作岗位打下坚实的基础。
4.立足基本实验教学扩充新型内容
基于“夯实传统实验基础,增加探索性、设计型和综合型实验内容”的想法,我们将材料力学实验分为二部分:(1)低碳钢和铸铁材料的拉伸、扭转和压缩等三项实验作为基本的材料力学性能实验。把测定材料弹性模量和泊松比、圆管扭转应力和纯弯梁弯曲正应力等实验作为基本应力分析实验,这两类实验为必做实验,是整个材料力学实验内容体系的基础部分。(2)组合梁弯曲正应力分析、组合压杆临界力测定、圆管弯扭组合实验等探索性、设计性和综合性的实验系列,构成整个实验体系的提高部分。其次我们还穿插了一些建筑材料中的钢材、木材、有机材料等与专业密切相关的材料实验,这对于学生后续专业知识的学习、拓展专业深度及广度,具有重要意义。比如,材料力学实验中的电测法是“建筑结构检测”这门专业课的灵魂,一些重要的建筑结构往往采用电测法来分析结构的受力状态。此外,在实验教学过程中,我们根据专业特点利用投影设备给学生播放一些工程实例,加强实验与工程应用的联系,增强学生的感性认识,激发学生的学习兴趣。
5.实验室实行全天开放
我们已经通过实验室网站建立实验预约系统。同时,我们还把实验室现有的仪器设备的数量、功能、参数和主要运用领域等信息放上网站供学生查询。通过实验室开放,学生可以自由安排时间完成实验任务,学生也可以自己设计实验项目解决实际问题。此外,我们还积极动员学生利用实验室开放时间参加教师的科研项目。实验室开放给学生提供了一个宽松的实验环境,让学生从实验时间、空间、内容和过程都有自主的选择,老师真正做到“引导”作用。
6.改革材料力学实验教学的考核方式
传统材料力学实验教学的考核,只关注学生的出勤率及实验报告的填写,很少考虑学生参与实验的主动性等因素。为了使实验考核更加客观,提高学生参与实验的积极性、主动性和创造性,我们坚持从以下三个方面考核学生:(1)实验效果。以全班学生实验所得实验数据的平均值作为参考,确定每位学生实验的效果,此部分占实验总成绩的50%。(2)实验报告。重点考查学生的实验思路及对待实验的态度,此部分占实验总成绩的30%。(3)实验课堂过程。考查学生的实验出勤率及学生实验动手能力,此部分占实验总成绩的20%。
三、结束语
实验教学是培养学生实践能力和创新能力的基础,这已经成为众多实验教学工作者的共识。只有树立正确的观念,把实验教学与理论教学摆在同等重要的位置,实验教学改革才能成功。同时,实验教学改革也是一项不断更新的工作。只有紧跟社会发展的步伐,行业发展的趋势来不断完善教学方法和教学内容,才能不断提高教学质量,才能培养出“基础知识扎实、知识面广、有较好的创新能力和解决工程实际问题能力”的应用型人才。
参考文献:
[1]裴玉屏.搞好材料力学实验改革提高大学生的实践能力[J].辽宁工学院学报,2002,(2):78-83.
[2]莫晓东,钟根全.浅谈材料力学实验教学的改革与发展[J].科学发展,2009,(18):217-218.
篇5
关键词：材料力学；材料力学实验；创新实验
我是新疆大学的一名力学教师，在多年材料力学的教学中，我深刻地体验到，材料力学实验是材料力学课程重要的、不可缺少的组成部分，是实践性教学和启发性教学的重要环节，“而材料力学在工程技术人才培养中的重要性是不可动摇的”【1】。
在2010年年底，一次难得的机缘，我带领学生去南京的东南大学，参加了由中国力学学会教育工作委员会、教育部高等学校力学教学指导委员会、力学基础课程教学指导分委员会、高等学校国家级实验教学示范中心工作委员会及力学学科组共同举办的“首届全国大学生基础力学实验竞赛”决赛，观摩了内地一流大学材料力学实验教学的规模与教学范式。那时我便感到，从诸多方面，我们新疆对材料力学实验的重视程度及财力、人力的投入和内地一流大学存在着明显的差距。同时，我也清楚地认识到，作为一名力学教师，自己付出的还远远不够。
2011年5月，我申报了一项“新疆大学本科生科研实践训练项目”， 项目名称为：《材料力学组合变形电测实验研究》，主要创新任务是在已经开设的材料力学基本实验（其中，“机测项目3个，为基本力学性能实验，即拉伸、压缩和扭转；电测实验项目1～3个，为材料弹性模量测定、梁纯弯曲下的正应力测定”【2】和等强度梁电测实验等。）的基础上，带领感兴趣的三名大三学生开展两项实验，即：1.弯曲和扭转组合变形实验，2.偏心拉伸实验。然而，在理论上看起来较为经典的实验，具体做起来却花费了我们很多的精力。但与此同时，大家却对材料力学留下了深刻的印象，并对其产生了浓厚的兴趣。
此后，我和同学们决定每周利用课余时间在力学实验室聚会一到两次，按照我们的计划完成所申报的创新性实验。首先，我们在一起将基本的拉、压、弯、扭实验重新再做一遍，包括了解和熟悉机器的基本操作和性能。在做的过程中尽量地让学生自己动手完成，认真完成实验报告。由于我们的设备是新买的几台液压式万能材料试验机和电子万能材料试验机，整个操作全是靠电脑控制，因此，编程和调试机器也成为同学们必备的功课。同学们感觉到，以前上材料力学课做过的实验就如同走马观花一样，主要是老师带着做，只是当作一项任务完成实验而已。而现在，则需要自己动手了。在实验中同学们感到，每一个细节及其先后都有其必然的道理和含义，这样，大家既开动了脑筋，又增强了动手能力。由于对于所做实验的目的和意义是站在强度理论的角度去理解的，这就使同学们有意识地注意实验结果的对比，使他们加深了理论知识的巩固与深化。
随着暑假的来临，我给同学们布置了假期回去后要复习的知识点和章节，包括：组合变形、强度理论、截面的几何性质（尤其是惯性矩和惯性积的转轴公式）和电测理论，这些任务是为开学后继续做我们的创新实验做准备的。开学后，我们小组总结了所要完成实验的知识点，继续完成接下的内容。实验室有一台旧的弯扭组合试验器，由于材料力学课程的压缩等原因，许多年已经没有使用了。这次把它用于实验中，先通过电测法得出了弹性模量和波松比，同学们自己小心翼翼地贴应变片和应变花，测出的结果和理论值相差最大为8%，“虽然超过了实际工程的容许误差5%”， 【3】但8%的误差中“还包括了实验装置本身、人为操作、以及应变片粘贴位置等方面的误差，”【3】基本可以满足实际工程精度的要求。贴应变片所用的各种材料都是同学们自己上街买的，这使我也体会到了集体的力量！
最后要完成的偏心拉伸实验就有些复杂了，这也是一般学校很少做的实验。实验的难度正是当初‘首届全国大学生基础力学实验竞赛’决赛时的实验题，我早在暑假时就已经将题目让同学们带回家思考了。试样是我参加完比赛带回来的，始终完好无损。为了制订实验方案，我们讨论了几个星期。其中，涉及到了许多知识点，包括：圣维南原理、形心主惯性矩、用积分法求惯性积、半桥法测多点应变、平面弯曲的概念、应变花测主应变及主应力等。同学们感觉到大赛的艰难和压力，但也增强了自信心，对于用材料力学解决实际问题，有了进一步的认识和体会。
完成好实验报告册，然后，将实验的内容以PPT的形式简练地反映出来则是考验同学们的耐心和细心的工作。为了准备较多的素材，我们在做实验的过程中拍了一些相应的照片，将所比较的理论值与实验值尽量地用表格的形式表现出来，减少文字、图表和公式，尽力将所表达的内容清晰地展示出来。
同学们一致反映，通过近一年的创新实验，大家收获很大。“以材料拉伸压缩试验为例，课上只是对典型的塑性材料低碳钢和脆性材料铸铁做测试，一般只提供标准试件，能够测试出低碳钢弹性模量E、屈服强度σs、抗拉强度σb、延伸率δ和断后伸缩率ψ以及铸铁的抗拉压强度即可，测试要求比较简单，学生只是被动接受，很难有兴趣”【4】。以前看似书本上的大段文字，现在已经活灵活现地变成了生动的知识和经验，并且，大家也提高了解决实际问题的能力。我们小组也体会到了团队精神：只有充分发挥各自的优点互补别人的不足，才能有和谐和力量。我们小组有汉族男生、女生，还有一名维吾尔族男生，作为指导老师，我是只说不做，只是提出问题，尽量少地回答问题，只有对最后较为正确的方法和结论给予肯定。同学们各自分工，完成自己力所能及的工作，有的在现场计算，有的贴应变片，有的测量数据，大家配合得很默契。有的同学说，除了做实验以外，还学到了许多做人的道理，对自己将来的发展和规划有了更为明确的目标和方向。
我觉得，我们的创新性实验才迈出了第一步，我们和内地名牌大学的差距还很大，无论是在规模上还是水平上，还有与内地一流大学的交流机会等方面都较为落后，不是短短的几年所能赶上的。但是，只要我们尽自己的力量，在人力、物力上多投入，一定会缩小之前的差距。材料力学创新实验不仅增强了我的信心，也为同学们更好地学习材料力学课程起到了很好的示范作用。
参考文献
【1】《“电测应力实验”的实验教学改革与实践》邢世建 牛建丰，改革与探索，2010.No22；
【2】《材料力学实验教学模式改革的探讨》赵 冰 张 岩，中国现代教育装备，第27卷第3期2010年3月；
【3】《薄壁圆筒弯扭组合实验中弯曲切应力的测量》李钟浩
吴凌壹 欧海文，中国科教创新导刊，2010年8月。
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关键词： 仿真实验；材料力学；实验教学
中图分类号：TB30 文献标识码：A
1概述
实验教学是高等学校人才培养不可缺少的重要环节，对于提高学生的综合素质、培养学生的创新精神与实践能力有着不可替代的作用。材料力学实验是高校工科专业技术基础课程《材料力学》、《工程力学》、《建筑力学》的重要组成部分。通过材料力学实验，可以让学生加深对材料力学基本概念、基本理论的理解和认识，使学生牢固掌握材料性能指标的检测方法，培养学生分析问题、解决问题。材料基本变形、组合变形测量等实验涉及众多电测方面的知识，如应变片、应变仪、力的传感器、桥路及其连接、贴片与温度补偿等，是力学与电学知识相结合的实验。近年来，由于专业热点变化，这类材料力学基础实验在高校普遍存在压减学时、实验室规模萎缩、仪器使用损坏率高、实验经费有限等问题，同时，实验中应变片的粘贴实验周期长，而且因为虚贴等操作会造成材料损耗，测量前的线路焊接、电桥搭配等的不正确操作也会造成仪器的损毁，所以实验中的这些步骤都在实际实验中省略了，学生失去了动手动脑进行科研训练的机会，实验做完后对电测原理一无所知，教学效果很不好。
如何在现有条件下发挥有限资源的最大效率，并显著提高材料力学实验教学效果，是广大实验教学老师正在探讨的课题。近年来，国内各高校不断尝试将计算机仿真技术引入到实验教学中，改变了传统的教学模式，使得教与学的方式发生了革命性的变化。
仿真实验是通过计算机及其相应的模拟程序来完成实验过程，不受实验室仪器设备、实验材料的限制，因其具有经济性、开放性、针对性及安全性等特点，是培养学生综合创新能力的一种有效实验手段。
为此，结合材料力学电测实验课程的特点，运用信息技术寻求一种合理、高效的仿真实验途径具有非常现实的意义。研制材料力学电子测量仿真系统，可以让学生在较短的时间内通过仿真贴片、接线、加载、测量，对电测原理有个完整了解，作为课内实验的补充，也可大大提高实验教学效果。
2 材料力学电测实验仿真系统开发
1）材料力学电测实验仿真系统的技术选型
系统开发选用C++ Builder， C++ Builder具有快速的可视化开发集成环境，内置了大量完全封装了Windows公用特性且具有完全可扩展性的可重用控件，利用C++ Builder可以快速完成复杂的界面交互，让我们将开发的重点放在内部流程与算法，无需考虑界面实现与数据交互，从而提高开发效率。
后台数据库选用比较通用的关系数据库SQL Sever，采用两层的C/S架构，数据库中记录实验操作人员、实验场景数据、实验过程操作记录、实验结果记录等，实验老师可以通过系统管理程序查看记录，了解学生实验情况及仿真系统使用情况。使用通用关系数据库SQL Sever的好处之一是可以支持网络并行操作，学生可以在不同终点同时做不同实验；另一个好处是保存大量的实验记录数据而不会导致系统明显变慢。
2）材料力学电测实验仿真系统构成
材料力学电测实验仿真系统主要分为两大部分：超媒体的教学演示系统（表1 ）和仿真模拟实验。超媒体的教学演示系统主要利用计算机将每一个实验项目的实验目的、基本原理和操作步骤以文字、动画、声音、视屏等方式组合展示出来，目的是使学生了解实验的基本原理、实验过程、实验中的重点难点等。
仿真模拟实验部分主要是材料力学的五个主要电测实验：分别是 材料弹性常数测量实验、材料切变模量的测量实验、材料纯弯正应力测量实验、材料弯扭组合主应力测量实验、材料弯扭组合内力素测量实验。每个实验提供一个虚拟的三维实验场景（如图1为弯扭组合的实验场景），实验者可以通过键盘与鼠标与程序交互，完成相应的实验。
3）仿真实验过程
下面以材料弯扭组合内力素测量为例来说明仿真实验过程：
①试件参数确定：选择主界面的材料弯扭组合内力素测量实验，进入图1的实验场景，就可以选择实验的材质、尺寸，确定材质就相应确定了材料的弹性常数，选定尺寸就是需要输入梁的长度、内外径及加力臂的大小。
②贴片：如果2所示，可以在放大的工作区及温度补偿区进行贴片，可以在应变计面板选择不同型号的应变计，
③桥路设计：通过点击鼠标并拖动，可以在应变计引脚与应变仪A、B、C、D1、D、D2等引脚间连线，不同连线方式形成不同的桥路设计。
④加载测量：开启应变仪电源，应变仪显示屏显示应变输出，如果桥路设计不准确，应变仪显示屏将显示错误“E”，这时需要回到上一步重新进行连线操作。如果屏幕显示随机变动的值，点击清零后就可以恢复为零，并可以开始加载实验，加载过程点选记录实验数据，当前外载荷及应变输出系统就会记录。
⑤实验结束，选择打印实验报告，将输出带全部实验参数及实验过程记录的完整实验记录报告，需要手工完成的是实验数据后处理。
4）材料力学电测实验仿真系统主要特色
①目前国内有些高校在电测仿真系统有些探索，但主要还停留在实验过程的辅导上，如应变片选择、贴片、桥路设计、加载、测量等，每个过程都是最优的单一选择，就像一个电子教案。材料力学电测实验仿真系统在此方面进行重点突破，提供一个完整的实验场景，试件的材质、尺寸可以在许可范围内自由设定，应变花可以随意选择，补偿片的选择，桥路选择都有充分的自由度，系统内依据选定的参数及桥路设计、加载情况计算出相应的应变仪输出，并在输出结果上加上白噪声和时漂移，操作人员可以按照真实测量那样进行实验数据处理。
②材料力学电测实验仿真系统涵盖了材料力学课程中的所有电测实验，国内涉及材料力学课程的所有专业因实验学时的原因最多只会实做两个实验，短学时的专业只会做最简单的材料弹性常数测量实验。由于贴片到可以测量一般需要数天时间，实做实验都不会涉及贴片和接线。而仿真系统就可以由浅入深的包含全部5个电测实验，并可仿真全部的实验过程。
4 结语
材料力学电测仿真实验是一种全新的虚拟实验环境，在这种环境下学生可以反复进行“实验”，并迅速获得实验结果其方便性是实物实验所不可比拟的。仿真实验作为一种全新的教学手段，有助于激发学生学习的兴趣和培养创新意识，尤其是在实验经费和设备受到限制的条件下，能有效地缓解当前材料力学实验教学的困境，也是高等教育的大众化发展的一种必然趋势。
参考文献
[1] 李会云， 陈二忠，杨少冲.材料力学仿真实验设计[J]，山西建筑，2008，10，Vol.30，No.30
[2] 卞步喜，夏晶，钟文龙. 材料力学纯弯梁电测仿真实验研制与实践[J]，中国新技术新产品，2010，NO.16
[3] 牛亮，刘轶.虚拟实验在材料力学实验中的应用[J]，云南民族大学学报： 自然科学版，2012，21（4）：309～312
篇7
关键词：D型车架材料；双C型车架；力学性能；典型工况
中图分类号：TG333 文献标识码：A
0.引言
车架的各种等效受载工况，包括典型静态工况和极限工况。典型等效静态工况包括：满载静止、最大加速启动、重载高速紧急制动、举升、急转弯、平路匀速行驶；极限工况包括：考虑动荷系数的匀速满载行驶、路面不平导致轮胎沉陷或者抬起、下坡制动、偏载下坡等工况。因此，矿用车在运用过程中，其车架的受力情况是很复杂的，基于此，必须重点探讨D型与双C型车架材料力学性能。
1.对比D型与双C型车架有限元模型
1.1 建立有限元模型
为了获得准确的车架在各个工况下的应力分布，此次分析建立了矿用自卸车板壳单元有限元模型（shell 181），这种单元类型的有限元模型比梁单元能更加真实具体地反应车架的应力分布。壳单元shell 181单元说明：Shell 181适用于薄到中等厚度的壳结构。该单元有4个节点，单元每个节点有6个自由度，分别为沿节点X，Y，Z方向的平动及绕节点X，Y，Z轴的转动。退化的三角形选项用于网格生成的过渡单元。Shell 181单元具有应力刚化及大变形功能。该单元有强大的非线，并有截面数据定义、分析、可视化等功能，还能定义复合材料多层壳。Shell 181壳单元的截面定义了垂直于壳X-Y平面的形状。通过截面命令可以定义Z方向连续层，每层的厚度、材料、铺层角及积分点数都可以不同。
1.2 对比分析截面的有限元
截取等长度的部分车架纵梁模型，按照相同的网格密度划分网格，在模型的两端施加全约束，中间部位施加相同的集中力，有限元计算结果如图1和图2所示。
1.3 对比分析结果
1.3.1 对比变形
双C焊缝结构比双厚度变形增加12.5%，双C焊缝结构比D型结构变形增加19.8%；分析其应力情况可知，双C焊缝结构比双厚度应力增加2.9%，双C焊缝结构比D型结构应力增加26.8%。不论对比变形还是应力最大值，双C焊缝结构>双C双厚度>D型结构。
双C焊缝结构和双C双厚度的材料为510L，屈服极限350MPa，抗拉强度510MPa～630MPa；D型结构的材料为Q460CFD，屈服极460MPa，抗拉强度500MPa～680MPa，从材料上来说，双C结构都没有D型结构使用起来安全。
1.3.2 对比惯性矩
双C焊缝结构和双厚度的对比系数p=双C焊缝结构最大变形值/双C双厚度最大变形值=0.702e-4/0.614e-4=1.14mm；由公式可知，抗弯刚度与Iyy成反比，双C双厚度的惯性矩Iyy=0.440e-3；双C焊缝结构的惯性矩Iyy=双C双厚度/对比系数=0.385e-3。
D型结构Iyy（0.42e-3）>双C焊缝结构Iyy（0.385e-3），从截面惯性矩Iyy上来说，实际应用的双C焊缝结构没有D型结构使用起来安全。
2.对比D型与双C型车架材料力学法计算结果
2.1 力学模型简化及弯矩图
将车架作如下简化为如图3所示的形式，A为前桥中心，B为后桥平衡轴位置中心，C为车架尾部后销轴。F1为车架上表面施加的集中载荷主要为发动机、驾驶室、举升油缸和油箱自重，大小为总重的一半11320N，其中F2-F6为橡胶垫上的均布力，各为146226N，F7为后销轴承担的载荷151872N。
2.2 分析结果
2.2.1 D型梁车架的最大弯矩
D型截面惯性矩为0.42，D型截面的抗弯模量为1.71，由弯曲应力计算公式可得224.5MPa，位于后桥平衡轴中心位置。
2.2.2 双C型车架的最大弯矩
双C型截面惯性矩为0.44，考虑到焊缝对截面惯性矩的影响，双C焊缝结构的惯性矩Iyy=双C双厚度/对比系数=0.385 e-3。双C型截面的抗弯模量为1.57，由弯曲应力计算公式可得244.6MPa，位于后桥平衡轴中心位置。
2.2.3 结果
经上述分析可得，D型梁车架的抗弯截面系数比双C焊缝结构车架要大。建议最终版车架结构材料力学性能不要低于原结构，即性能要不低于Q460CFD。
3.双C型车架前板簧后座圆孔力学性能
将双C车架两处结构改变进行了有限元分析，并对结果进行对比。改变如下：1.3652模型前板簧后支座开孔处前移135mm，3652-2模型开孔与后支座对中；3652-2模型车架中取消了小三角板处的第六个减重孔，在原开孔处加10mm厚的槽型横梁。在举升工况中，前板簧后座圆孔前移和对中，车架立板处应力分布带变化随孔位置的改变而迁移，最大值相近，对中后有加强环比无加强环最大应力明显降低；车架下表面处对中比前移应力最大值略有降低。中桥处加槽型横梁在该工况影响了大三角板及其附近的应力分布，应力值增大5%。
结语
XGQ3650系列非公路自卸车广泛应用于大型露天煤矿、铁矿、铜矿等矿山、港口、码头、钢厂、水利工程等大型工程、基础建设等场地的矿石土方运输及水利工程、坑基开挖作业等，其车架是关键部件，在装载、运输、卸载中承受主要的载荷。车架的优劣直接影响着整车的使用寿命，同时反映了整车的技术水平。因此，在改造过程中，应全面对比了解D型与双C型车架材料力学性能，确保车架整体改进的科学性。
篇8
【关键词】材料力学；实验教学；教学改革；教学模式
1. 序言
材料力学是工科院校的一门重要的技术基础课，是工程应用性很强的课程，而材料力学实验又是该课程的重要组成部分。材料力学实验是材料力学理论形式和发展的基础，是检验理论正确程度和解决工程强度问题的依据，因此本课程在培养学生良好的科学素质、工程能力及创新能力方面都具有其它课程不可替代的作用。如何在材料力学实验过程中调动起学生的主观能动性，提高教学质量，培养出符合社会需要的创新人才，是我们必须研究和解决的首要任务。所以，要求我们扎实地抓好实验教学这一重要环节，针对目前已经过时和不合理的实验教学方式进行改革。
2. 传统材料力学实验存在的问题
2.1 实验内容和模式不合理。
（1）从实验教学模式来看，现有的实验教学大多附属于理论教学，是理论教学的辅助和补充，在教学计划中没有独立的教学地位，限制了实验教学的发展，实验教学环节相对滞后，从而造成实验课的分配不均衡。验证性实验多而设计性、创新性的实验少；由老师提前准备好的实验多，由学生自己动手设计的实验少；简单重复的实验多，而结合实际的实验少。也造成了学生重理论学习轻实验的思想，使学生在实验过程中简单应付、马虎了事，以至于无法将所学的理论知识和实际有机地结合起来，不能在本来就少的实践中去发现问题和解决问题，无法进一步对自己的动手能力和创新意识进行培养，导致他们的动手能力较差，创新意识不够，使得他们在今后的工作中面临很大的压力。
（2）从实验教学内容来看，多是包办式的教学方式，以老师演示为主，学生只是记录数据，然后填写固定的实验报告。不能充分调动和激发学生的学习积极性，容易造成学生的依赖性。在很大程度上限制了学生在分析、归纳、解决问题能力方面的培养。
2.2 实验设备陈旧数量少。随着高校规模的不断扩大，现有的实验设备从数量上满足不了教学的要求，人均设备占有率低，不能满足高等学校实验室建设的要求。例如，在高等学校实验室实验项目管理规定中，要求每组实验学生人数不超过4人，而在很多的院校由于万能试验机数量不够，很多在万能试验机上进行的实验，只能采用演示的方式，实验教学效果很不理想。
3. 正确认识材料力学实验课与理论教学的关系
材料力学的理论是建立在对材料的性质、构件受力和变形作一系列假设和理想化的基础上的，是在实验观察的基础上，经过科学的抽象，实现将真实材料理想化、实际构件典型化、公式推导假设化的学科。其结论是否正确以及在工程中的适用范围等，都需要通过实验来确定。此外，在实际的工程问题中，我们经常会遇到用现有理论不能解决的问题，例如，实际构件的几何尺寸不规则或者载荷很复杂时，构件中的应力我们往往不能通过单纯的理论计算得到正确的答案，而通过实验应力分析法就可以解决材料力学理论和其它力学理论无法求解的一些工程难题。
4. 改革实验教学的途径
4.1 改革材料力学实验课的教学内容。
（1）传统的材料力学实验已经延续了30多年，而且多为简单的、验证性实验。为了培养学生的理论与实践相结合的工程分析能力，实验教学内容就必须改革更新。为了既能发挥学生的主观能动性，又能使学生的潜在能力得到充分的发挥，激发出学生更大的创造能力和创新精神，有效地提高学生独立解决实际问题的能力。我们把实验教学内容分为基础性实验、综合性实验、提高性实验三个层面。
（2）基础性实验主要以了解材料的力学性能为重点，着重培养学生使用仪器设备、独立完成实验的能力。对传统的实验内容进行了精选，在原有实验的基础上增加了难度，增强了思考性，保留了必要的传统实验，例如，拉伸、压缩、测E、测μ、扭转等。综合性实验以综合性的理论分析与实验分析相结合为重点，着重培养学生独立实验分析能力。提高性实验以实际或模拟工程实际为背景，着重培养学生综合的工程分析能力。这些实验要与工程实际密切结合，由学生自行设计、自行检测、自行分析，让学生在实践中自己去发现问题、解决问题，充分调动学生的主动学习的热情，培养学生分析和解决实际工程的能力，提高学生的创造性思维和创新能力。
4.2 采用现代化的实验教学手段和教学模式。由于材料力学的实验课时少，导致学生不能在有限的时间里掌握更多的材料力学实验的知识，为了改变这一现状，我们制作了一些课件，在理论课的时候给学生演示，使学生直观了解实验的原理，掌握实验的基本规律。此外，在给学生作材料力学性能测试的实验过程中，采用计算机进行实验数据的处理，并自动打印出力——变形关系曲线。实验技术的现代化，在提高实验教学水平的同时也大大地提高了学生参与实验的兴趣，使学生在实验的过程中，加深对实验的学习过程，加强实验能力和综合素质的培养。
4.3 开放实验室。为了进一步提高学生的实验能力，激发他们的创新能力，实验室可以结合课程内容向学生开放，在实验时间上变固定式为开放式。学生可以在开放期间任何时间来做实验，对具体实验的时间进行弹性控制。给学生充足的时间去思考，由学生根据实验的要求自行制定实验方案，并独立完成整个实验。教师在实验结束后，对实验结果进行总结，指出实验过程中存在的一些不足，同学生进行讨论。这样，可以帮助学生发现问题，使他们掌握处理问题的技巧，从而更好地激发和培养他们的探索精神和创新能力。
4.4 改革实验考核方式。由于材料力学实验没有独立设课，只是作为理论课程的一部分，这就导致部分学生不重视实验课，因而造成了实验教学的效果不佳。为加强实践教学环节，材料力学实验成绩按一定的比例计入理论考试成绩中，对于不做实验或实验成绩不合格的同学，要求其补做或重做实验，否则取消参加理论考试的资格。材料力学实验教学改革中的关键在于教学观念的转变和加大对实验课程的重视程度。实验教学改革，只有摆脱传统的教学思想和教学观念的束缚，才能有可能获得实质性的突破。建立新的实验体系，是材料力学实验教学改革的一项基础性工作。参考文献
[1] 周新伟，王海波，曲贵民.材料力学实验教学改革探索[J].潍坊学院学报，2008（7）：151～152.
篇9
关键词: “材料力学性能” 课程教学改革 教学方法
“材料力学性能”课程是材料类专业的一门必修的专业基础课。从课程的历史来看,材料力学性能原是金属材料专业继金属学、固态相变之后的专业课程;在无机非金属材料专业中,无机材料的力学性能仅是无机材料物理性能课程中一章的内容;在高分子材料专业中,聚合物的力学性能则分散在高分子物理课程的有关章节中,内容相对较少。可见,材料力学性能课程教学改革势在必行。针对本门课程的特点及教学要求,我从教学内容、教学方法、教学手段及成绩考核方面对我院教学提出以下教学改革方案。
1.教学内容的改革
材料力学性能课程作为专业基础课,需要为材料科学与工程专业学生提供专业基础理论知识,同时训练学生具备材料力学性能方面的实践能力。因此在课程教学内容改革时,教师必须以素质教育、创新人才培养模式为依据;以能力培养为主线;以教学体系、教学内容的实用性为突破口,对教学内容进行大胆地改革。在课程讲解过程中,教师应从材料力学性能概念出发,遵循材料力学性能的定义,按照材料的承载方式和环境因素,将课程内容分为静载荷拉伸力学性能、其他载荷下的力学性能、断裂韧性、变动载荷下的力学性能、环境条件下的力学性能、高温条件下的力学性能、摩擦与磨损性能、纳米材料的力学性等内容。与此同时,优化教学的内容,不再将陶瓷、高分子、复合材料的力学性能单列成章,而是以材料的力学性能为主线,将三大材料有机地融合到每一章中,并将各类材料的共性与特性进行总结与归纳。另外,打通与前期材料力学、材料科学基础等课程的联系,并注重建立与同期或后期学习课程间的联系及其在生产实际中的应用,为学生今后在实际工作中全面、合理地选用、设计、改造和开发新材料打下良好的基础。
随着科技的发展,材料的种类越来越多,应用日益广泛。新材料力学性能测试的标准不断颁布,已有材料的国内标准需与国际标准接轨而不断修改。新型结构材料应用日新月异,纳米技术的飞速发展,迫切需要材料力学性能的教学与生产力发展水平一致。在教学改革中,教师必须依据工程实际应用,将这部分内容增加进去,以期扩大学生的知识面,使之能更好地适应社会需求。
2.教学方法与教学手段的改革
2.1合理选择教学内容。材料力学性能研究的内容的丰富和手段的多样化,要求教师在传统材料性能教学内容的基础之上进行适当的知识延伸和拓展,结合原教学内容适时把前沿和热点方面的知识引入课堂教学。材料的发展又提供了丰富的素材,如量子点、单晶、人工超晶格、复合材料和纳米材料的开发和应用等[1],教师可结合自己的教学实际和特点进行取舍,向学生展现材料力学性能的丰富内容。在进行知识延拓时,教师应采用“宜简不宜繁,宜短不宜长,宜定性不宜定量”的具体作法,在操作中,特别注意不能喧宾夺主,这样操作有利于新旧内容之间的联系、区别和发展,使学生对所学的知识能理解、巩固和应用[2]。
2.2以科研促教学。材料力学性能课程是一门实践性很强的学科,在教学活动中,教师必须加强实践教学环节,利用开放实验室,使学生根据个人兴趣和爱好参加教师的科研项目,积极争取学校设立的大学生创新实验、“挑战杯”大学生科技活动。通过具体的研究课题,独立设计、自查资料、自拟实验方法进行探索性、创造性实验。
2.3充分发挥学生的主体作用。使用多媒体进行教学,教师必须以现代教学思想、教学理论作指导,构建师生间的互动平台,实现师生间的双向交流,而不是单一的人―机交流;改变角色定位,把以教师为中心,以教材为中心,变为以学生为中心,以问题为中心,让学生成为主动的知识探索者,而不是接受知识的“容器”;不只教给学生知识,更重要的是教给学生学习知识的方法和能力,让学生从自己的亲身体验和感受中、从自己的生活中获得知识。此外,还应辩证地传承和发扬传统教学理论的精华,合理地运用传统教学思想中的“教学相长”、“启发诱导”、“因材施教”、“温故知新”、“学、知、行合一”等思想[3]。
2.4不断更新和拓展知识。到目前为止,材料力学性能的高水平成果和研究热点,绝大多数发表在外文特别是英文期刊上,学生通过专业英语的学习可以进一步了解材料力学性能的研究成果。教师要引导学生在材料性能方面扩展视野,就需要适当运用英语教学,逐步提高学生的专业英语水平,为其阅读专业外文资料奠定良好的基础。大三、大四的学生,已具有一定的英语水平,但专业英语的水平却不高,我们在材料力学性能的教学过程中,适当给出一些章节题目或专业术语的英语表达方式,使学生学到的英语知识在专业课的学习中得到一定程度的应用,逐步积累,提高学生专业英语的水平,这为学生查阅本学科的外文资料奠定了一定的基础。同时依据前面的分组,要求学生对英文文献进行翻译,对国际学术动态有一定的了解,进一步激发学生学习的能动性,培养学生的科研意识和能力。
3.考试模式的改革
考试是教学过程中的一个重要环节,是衡量课程教学质量和学生学习水平的一种重要手段,对学生综合素质的培养起着重要的导向作用。实践证明,为了把考试真正变成调动学生学习积极性,培养学生综合素质的一个重要环节,成为引导学生主动学习和探究的途径之一,教师就必须对现行的考试方法、命题形式、课程成绩评定方法进行改革[4]。
由于考试内容、方式和方法的多样性,考核成绩评定的方法也应该多元化。过去的考试方法较为单一,期末考试几乎决定了学生一学期的学习成绩。其结果是每到学期末,学生的压力最大,而对平时的学习重视不够。多数情况下,学生关心的是课程考试的结果,而不是课程内容的总结与提高。因此,教师应变单纯的终结性考核评定为形成性与终结性考核评定相结合,变单纯的学业成绩考核评定为学生全面素质的考核评定。由单一的考核成绩变为综合素质成绩,变结果评价为过程评价,将平时考核与期中、期末考试相结合,将理论考试与实践考核相结合,增加平时成绩占课程总成绩的比重,加强对平时学习的考查,用教学全程考核来评定学生课程成绩。例如将课程的期末总成绩按四项要求评定,即考勤及课堂表现(听课状态及回答问题)占10%,阶段测验占10%,实验课出勤、课堂表现和实验报告占20%,期末考试占60%。这种评定方法,能使平时成绩在课程总成绩中占有相当分量,弱化学生对一次考试的依赖,减缓学生对期末考试的压力。同时,也使学生能够投入更多精力进行创造性学习。
只有教师通过不断进行课程改革的探索,根据专业特点,结合课程的性质和内容,采用灵活多样的考试考核方式,利用具有科学性、富于开拓性和创新意识的考试题型,科学合理地全面考察学生对所学知识的掌握情况,评价学生应用知识的能力,启迪和触发学生的探索欲望和创新潜质,进一步起到推进“考试和学习互动”的作用,推进教学理念、方法和学习模式的转变,才能真正达到培养和提高学生综合素质的目的。
参考文献:
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[2]冼双新,范斌,岑素艳.新课程理念下探究教学中的预设和生成[J].考试周刊,2007,41:36-37.
篇10
关键词 材料力学；实验和实践；信息技术
中图分类号：G642.4 文献标识码：B 文章编号：1671-489X(2012)12-0070-03
Discussion on Teaching Reform on Course Concrete Structures//Xie Bing
Abstract Engineering mechanics of materials is the higher of an important class of specialized professional and technical courses, professional teaching reform occupies an important position. The paper analyzes the course of Concrete Structure and gave some constructive advises to improve the teaching methods of it.
Key words mechanics of materials; experiment and practice; information technology
Author’s address Civil Engineering Department, Luoyang Institute of Science and Technology, Luoyang, Henan, China 471023
材料力学是高等学校工科类专业的一门重要专业技术课，是构成专业课程的基础支撑平台，起着承上启下的衔接作用，又紧密结合工程实际，实用性广，对培养学生的实践能力和创新能力意义重大。但该课程概念抽象，理论性强，且教学课时数被不断压缩，其课程体系、教学内容和教学方法都与当前我国高等教育从以传授知识为主的知识教育向以培养能力为主的素质教育的转变很不适应，与培养创造型人才的要求存在明显差距。
因此，必须在认知规律的指导下，调整课程体系，整合教学内容，寻求科学合理的教学模式，尝试多种教学方法，加强课程信息化，在传授理论知识的同时锻炼学生实践能力，加强创新思维培养，以实现“培养具有强烈创新意识和实践能力的复合型人才”的目标。
1 调整课程体系，整合教学内容
材料力学内容复杂，知识点多，学生在短时间内很难掌握，大多数学生学起来有一定的困难。必须删减教学内容，调整教学结构，删繁就简，确保主干，理顺关系，突出重点。
1.1 突出共性，提纲挈领
材料力学课程中“拉、压、剪、扭、弯”各种基本变形都按内力、应力、变形以及强度、刚度的同一次序进行分析讨论，对每种基本变形问题，又都采用“平面假设――变形几何关系――物理关系――静力平衡条件――应力公式”这一相同的推导过程。显然，这种多重循环的知识体系内容重复多，教学过程缺乏新意，花费学时量大，还不利于学生对知识的融会贯通，从而激发学生学习的积极性。设想将课程内容分为多个模块，把各种基本变形的共性问题（如内力、应力、变形等）集中起来讨论并加以分析，实现各种基本变形以及组合变形下杆件的内力分析、应力分析与强度计算方法的贯通。这样可突出共性，强化概念，有利于学生掌握事物的内在联系，提纲挈领，掌握课程的精华。由浅到深，由粗到精，循序上升，能培养归纳综合能力和知识渗透能力，也能避免重复循环，节约课时，取得事半功倍的效果。
1.2 通过异同对比分析实现认识的由此及彼扩展
依照学生学习知识的认知规律，在讲述新的概念时，要把新知识与旧知识（已学过的）联系起来，在对比中理解其实质异同。如：吃透了力矩概念后就很容易建立一个力偶的概念；学完了平面力系进入空间力系，就要剖析清楚平面和空间的根本区别与联系；学完了“理论力学”再研究“材料力学”，突出的矛盾是刚体的概念将被否认，物体的变形成了事实。这种联系对比既可引起学生的兴趣，也有利于突出新知识的难点。
1.3 分散难点，各个击破，避免陷入复杂的公式推导
材料力学公式多，推导过程繁杂，如果详尽地给学生推导公式必然耗费大量课时，板书满黑板，教师自己疲惫不堪，不仅收效甚微，还加重了学生的惧怕心理。熟练应用力学中的基本方法和公式，是学好材料力学这门课程的基本要求。如何才能使学生达到上述要求呢？当然不是死记硬背某些概念或公式就行，而是要在对理论的基本思想、推导过程及适用范围进行明确的理解和掌握的基础上运用自如。应该以让学生理解和会应用公式计算为目标，把重点放在讲清楚力学基本概念和结论以及公式适用范围、使用注意事项。公式本身讲解尽量简单，少讲数学推导过程。这样既可以节约课时，又可以使问题简单化，提高教学效率。
1.4 尽量不搞“满堂灌”
在授课过程中每堂课都要安排一定的时间来进行答疑，鼓励学生发表自己的想法和见解，鼓励学生通过互相讨论的方式解决问题。同时通过在教学内容中增加一些与本学科联系紧密的实际例题来激发学生的学习积极性，增强教学效果。
教学应该始终注重理论联系工程实际，以探讨和启发性思维的开放式教学为主，通过问题讲义的方式，针对具体的工程问题进行讲解和讨论。注重学生对知识原理的理解和应用，尽量通过工程实例，并结合知识内容阐释和理解在现实生活中所出现的现象，既加深对材料力学知识的理解，又着力培育学生发现问题和解决问题的能力。这种从“教学资源导向型”教学方法向“能力训练导向型”教学方法转变的实质是要发挥学生的主观能动性，提高学生的实践能力和创新意识，还可以进一步丰富教师的教学内容。
1.5 引导学生习惯于画图分析，培养形象思维
要引导学生习惯于依据所研究的问题画出正确恰当的示意图，创设形象的物理情形，经过表示图来指导学生用笼统的概念和规律来解答详细形象的实践问题，养成画图剖析的习惯。图形能帮助学生准确了解题意，画出正确的受力剖析图是正确处理力学问题的关键。不画受力图或图画得不正确，常常难以得出正确的结果。即便一时能得出正确的答案，但养成了这种不良习惯，一旦遇到较为复杂的问题时，就不知道如何下手了。
在教学中要注重表示图画法的锻炼，教会学生如何经过审题，画表示图，从易到难，逐渐消除思想障碍。同时要求学生把练习本的左侧折出三分之一，特地用作画图区，把图像作为树立关系、列方程的根据。画图习惯的培育需求一个过程，对应该画图而没有画图的答题应扣去大局部的分数或可让学生重做，从严请求，使之形成习惯。这也是在培育学生的形象思维。须知，形象思想并不仅仅属于艺术家，它也是科学家进行科学发现和发明的重要思维方式。
1.6 开设讨论课和习题课
让学生运用所学知识解决各种问题，从而有效地掌握分析和解决问题的方法；建议学有余力的学生，利用工程界广泛使用的MATLAB科学计算语言，对材料力学中的某些问题进行计算机模拟和分析，使学生在掌握MATLAB语言的同时，能够运用计算机软件来解决实际的力学问题。
2 教学信息化
2.1 使用现代信息技术将抽象的教学内容形象化，尽可能由感性到理性
传统的教学内容都是经过选择、紧缩、改造而具典型化和简约化，更具高度的笼统性。若是照本宣科，学生很难理解，因此有必要应用图形图片、电视录像、多媒体课件等手段再现研究内容的变化过程。合理创作应用电子教案、多媒体技术教学，充分调动学生学习的主观能动性，激发学生学习的兴趣。制作多媒体教学课件、复习指导等教学辅助材料，实现传统教学手段（如课堂讲授、上习题课）和现代教学技术（多媒体教学等）的紧密结合。通过课堂展示、提供交流和互动平台，活跃课堂气氛，增强学生学习兴趣，取得较好的效果。对于一些较为抽象、难以用语言描述清楚的教学内容，还建议采用图片、动画视频、声音等多媒体技术，动静结合，有声有色，如材料破坏的动画演示，从而增加学生的感性认识，
2.2 建立材料力学课程试题库及自学自测系统（学习辅导系统）
建立作业系统和基于网络的实验教学体系，可以利用现代网络技术来提高教学质量、教学效率，督促学生课前、课后的学习，全程跟踪学生的学习状况，这是一种比较有效可行的教学改革方法。同时，教学信息化的技术是充分应用计算机和网络来完成教学前和教学后的工作，大大减少教师的劳动强度，非常值得学习和借鉴。
3 加强实验和实践环节
加强实验和实践环节，如自制实验装置，使实验小型化、多样化，从而增加学生动手操作的机会和时间。压缩理论教学环节，增加力学相关软件和上机操作实践。
值得注意的是，随着素质教育要求的不断提高，材料力学实验已经成为课程的重要组成部分。实验教学的基本任务是：帮助学生理解和掌握理论体系的基本概念，使学生掌握材料力学性能的测试方法，培养学生的动手能力，培养学生综合运用理论与实验手段解决工程问题的能力。理论教学与实验教学是相辅相成的，不能相互取代，因此除了理论教学外，在教学改革方面还必须兼顾实验教学，实验教学必须为理论教学服务。当然，材料力学实验并不应当停留在单纯理论的验证上，必须将培养学生能力作为重中之重，开设学生独立实验，使学生对实验内容的理解更为深入，对实验操作也做到心中有数。另外，针对当前实验内容较为简单，缺乏思考性和启发性的现状，还应适时更新实验内容，使实验更加丰富有趣，激发学生的学习兴趣。
在实验教学中应该借助现代力学手段，为学生提供更多的动手机会。当前由于实验设备数量有限，大部分实验还是演示性实验，这种情况带来的直接后果就是教师演示、学生观看，学生处于被动地位，不利于培养学生的动手能力。为了培养学生的工程意识和科学作风，启发学生的开创思维，应大力创造条件采用开放实验室，给学生留有充足的时间，给他们亲自动手的机会，以充分发挥设备资源的潜力，培养学生学习的兴趣，切实把理论知识和实验技能密切结合起来，使学生对所学课程有形象和深入的理解，这样才有利于人才的培养，有利于教学质量的进一步提高。
4 考核
随着教学改革工作的深入发展，各个学科的课程评估工作已全面展开，而评估的核心是对考和学两个方面的质量评价和估计，其重要的手段之一是对学生进行考试。传统的考试制度是任课教师“一包到底”，即谁任课，谁出题，谁阅卷。这种考试无疑存在很大的弊病，一方面不易检查教师的教学水平和教学效果；另一方面，由于每位教师在长期的教学中形成的自己传统的教学与考试的特点和侧重点，对检查学生的学习效果也有很大的不利影响。因此，要提高教学质量，改革这种“一包到底”的考试制度势在必行。
建立试题库、运用试题库、实现教考分离则是有效的改革方法之一。这样不仅能考出学生的学习成绩，更重要的是对教师的教学水平、教学效果也是一个很好的检验。这样必然促使教师对教学工作的重视，所以在一定程度上对教学工作起着积极的推动作用。课程考核应按平时成绩和期末考试加权计算，平时成绩按实验成绩、出勤、课堂提问、作业等综合评定。
5 结束语
在材料力学课程教学改革与实践中，通过课程体系和内容的创新、教学方法和模式的创新、考试与考核方法的改革，对材料力学课程教学大纲进行重新修订。在保留原有经典教学内容的基础上，尽可能提高该课程的起点，引入复合材料力学、弹塑性力学等近代力学知识。研究对象从各向同性材料拓展到各向异性材料（如复合材料），介绍新的研究方法和设计思路（如可靠性设计、优化设计等），广泛采用多媒体研究手段，使课程教学改革富时代气息，与时俱进地推动材料力学课程教学改革持续、健康地向前发展。
参考文献
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