呂 償，李 林，李彥霞

(廣東白云學院機電工程學院，廣東廣州，510450)

材料力學作為機械類專業(yè)的一門基礎課程，與機械原理、機械設計等專業(yè)必修課程聯(lián)系緊密，對于機械專業(yè)的學生而言是極為重要的。學習材料力學有助于學生從本質上認知機械零件在設計中涉及的材料選擇、尺寸最優(yōu)化、結構強度、剛度危險點檢測等問題。因此，該課程在工程實踐中有著極其重要的地位，是解決工程實際問題的重要理論基礎課程。

材料力學教學的傳統(tǒng)課堂是以理論講授為主、以試驗為輔的教學模式。材料力學主要涉及軸類零件的單向軸向拉(壓)、扭轉、彎曲等力學分析問題，在講授中涉及大量的力學建模與公式，教學的主導思想是從本質上去“解剖”工程實際中涉及的力學問題，但實際工程問題中極少存在單向受力，多為多向受力，且構件結構相對復雜；而人工計算非常復雜，多向受力狀態(tài)顯得捉襟見肘。實際工程問題中的復雜計算采用人工計算顯然不切實際，計算機輔助分析(CAE)技術就顯得尤為重要。因此，學生在掌握材料力學原理基礎上，還要理解力學分析的本質問題，從而利用CAE技術解決較為復雜的工程問題，真正地將理論運用于實踐，學會采用先進技術手段解決工程問題。

對于本科材料力學的教學而言，以應用型本科高校為例，鑒于學生掌握高等數(shù)學、大學物理等通識課程的熟練程度不高，在選擇材料力學教材時往往偏向于簡單化，對于材料力學中涉及的理論知識點均未作較深入探討，故將理論運用于實踐存在一定難度，導致教學效果難以達到預期，學生對材料力學的學習動力不足?？梢?，“學”不能以“致用”是材料力學教學中的主要矛盾。因此，提高材料力學教學的實用性和學生對材料力學課程的學習動力迫在眉睫。為此，國內(nèi)外高校學者不斷探索新的教學思路與方法，以期解決材料力學教學中存在的問題。經(jīng)查閱文獻，普遍做法為將計算機輔助軟件引入課堂，但涉及課程的課時較為有限，往往只做直觀展示。戴有華將UG引入教學，以提高學生材料力學學習興趣和解決工程問題的效率。[1]張俊等借助LS-DYNA碰撞應用軟件解決工程實踐問題，通過直觀的數(shù)值仿真的方式培養(yǎng)學生對力學建模和解決實際問題的興趣，同時結合工程實際案例的教學，展示了有限元軟件在分析復雜工程問題中的優(yōu)勢。[2]谷俊斌和賈宏玉以通用有限元軟件Ansys引入復雜模型的建模、求解、后處理等方式展現(xiàn)了計算機輔助分析在傳統(tǒng)材料力學領域處理實際工程問題中的優(yōu)勢。[3]時強、王新武和孔劉林探討了材料力學的教學方式重點在于更多地引入工程實踐，用所學理論知識解決實際工程問題。[4]綜上所述，國內(nèi)學者研究的重點在于將材料力學與實踐結合起來，并將CAE技術植入工程力學的教學當中，體現(xiàn)了CAE技術的優(yōu)點。本文旨在探索一種在學生能接受理論知識的前提下又能通過CAE仿真技術解決相對復雜的工程力學問題的方式，將CAE技術貫穿于整個材料力學的教學中，不再是做個別“演示”，而是以實際工程項目中涉及的相關材料力學知識點為主線，以“任務+項目”為形式展開教學，以項目為情景導入，使學生快速理解教學目標，讓學生帶著教學目標去學習，以激發(fā)學生的學習動力。該教學方法的每一堂課都會有教學任務，而每一個教學任務都是項目的組成部分，完成教學任務即完成教學目標。在項目中融入CAE技術時，學生需要具備扎實的材料力學理論基礎，結合之前在單元里面的若干任務組成一個綜合訓練項目，再通過有限元軟件Ansys解決該綜合項目，并形成分析報告，作為學生學習本門課程的考核項之一。

一、材料力學教學學情分析

材料力學是一門理論性很強的工程技術基礎課程，以高等數(shù)學、大學物理為先修課程，對相關力學模型進行建模計算分析。大量公式推導一定程度上加大了本門課程的學習難度，加之傳統(tǒng)教學模式以教師“單向灌輸”式教學為主，講授內(nèi)容的繁簡、知識點探討的深度、重點難點的取舍均以傳統(tǒng)研究型本科院校的模式展開，偏重純理論的探討，忽視了與工程實踐問題的銜接，對新技術、新方法在工程技術上的運用甚少。綜合以上學情考慮，探索一種行之有效、能讓學生學以致用的材料力學課程教學模式迫在眉睫。

二、建立科學的課程體系

結合材料力學教學的學情，本研究探索了一套適合應用型本科院校教學的新模式，對材料力學所涉及的理論知識點進行了科學規(guī)劃，建立了完備的課程設計體系。該體系以單節(jié)任務和單元項目的形式展開教學，以工程實踐問題為出發(fā)點進而對相關理論知識點展開探討，以發(fā)現(xiàn)問題為起點，以解決問題為目的，以工程力學知識點總體框架為主線，合理安排章節(jié)講解次序。就單節(jié)知識點而言，本文以軸類零件拉(壓)知識模塊設計為例進行列舉，具體如表1所示。

表1 軸類零件拉(壓)基礎知識框架

可見，該體系由基礎知識逐步向綜合知識延伸，由理論向實踐應用延展，科學布局，在確定課程總體目標的前提下，細化到每一個章節(jié)，確定章節(jié)的知識目標、能力目標、素養(yǎng)目標，同時制定每一個小節(jié)的任務驅動，以任務驅動加項目的形式帶動學生學習的積極性，以小組完成章節(jié)任務驅動和項目為重要考核指標，增加學生獨立思考的空間，教師以啟迪的形式參與學生討論，以針對性精講、側重于難點講解為主，避免“滿堂灌”的模式，突顯以學生為中心的教學范式。

三、教學手段創(chuàng)新

(一)發(fā)揮CAE技術在教學中的重要作用

材料力學是一門理論性較強的專業(yè)基礎課，傳統(tǒng)教學以講授理論知識點為主，對于解決復雜工程案例中所涉及的力學問題，因考慮人工計算量過大等因素，故在理論教學中涉及的實際工程案例也相對簡單，大部分所涉及的內(nèi)容均為單向應力狀態(tài)，而實際工程案例均為復雜應力狀態(tài)，傳統(tǒng)教學內(nèi)容與工程實際工程案例不符，導致學生不能較好地將理論運用于實踐。由此可見，傳統(tǒng)教學模式已經(jīng)難以適應應用型本科教學的需要。應用型本科以重技能、培養(yǎng)學生解決實際問題能力為教學出發(fā)點，而CAE技術的引入可以彌補應用型本科學生理論基礎薄弱的問題。

(二)CAE在材料力學教學中的算例

以掌握基本力學概念為前提，學生要能靈活運用新技術、新方法解決實際工程問題。材料力學中主要解決構件在軸向拉伸(壓縮)、扭轉、彎曲等變形形式下的應力應變。以某階梯軸為例，該階梯軸分三段，長度分別為1000mm、500mm、800mm，直徑分別為Ф400mm、Ф600mm、Ф500mm。材料為Q215，材料的本構關系為線彈性材料，彈性模量E=210GPa，泊松比μ=0.28，在階梯軸底部施加全約束。該階梯軸的有限元模型繞其軸線(Z軸)施加100N·m的扭矩時，階梯軸應力應變?nèi)鐖D1(a)(b)所示。

圖1 扭轉變形階梯軸應力應變云圖

通過CAE技術分析得出的階梯軸的應力應變云圖，清晰地顯示了最大的應力為0.17MPa，并且應力云圖中顯示了最大應力的位置位于階梯軸突變處，與傳統(tǒng)手算相比較，快速、準確且更加直觀地展示了力學分析的結果。

在此前已建立的有限元模型基礎上添加集中力，即在階梯軸自由端以X軸方向添加1000N集中載荷，使階梯軸產(chǎn)生彎曲變形，其應力應變云圖如圖2(a)(b)所示。

圖2 彎曲變形階梯軸應力應變云圖

在無需二次建模的情況下，通過改變載荷形式，可以分析出階梯軸在彎曲變形時的應力應變云圖，其最大應力為0.33MPa。這樣的應力分布更為明了直觀地展示了階梯軸在彎曲變形時的應力分布特征，更有利于學生對理論知識的學習，并形成反思。

在此前已建立的有限元模型基礎上添加集中力，使階梯軸產(chǎn)生拉伸變形，在階梯軸自由端以Z軸方向添加1000N集中載荷，可以得出其應力應變云圖，如圖3(a)(b)所示。

施加軸向載荷，可以分析得出階梯軸在軸向拉伸時的應力應變云圖，在軸向施加了1000N的載荷作用下，整個階梯軸的軸向變形量為0.013mm。

綜合上述算例不難發(fā)現(xiàn)，學生可以通過掌握基本的CAE技術解決工程實際問題的方法，進而延伸至類似的復雜問題，將理論知識與實際實踐有機結合，將CAE技術貫穿整個教學，讓學生學會學習，學會學以致用。

圖3 軸向拉伸變形階梯軸應力應變云圖

(三)立足本地產(chǎn)業(yè)鏈，發(fā)揮產(chǎn)學研合作優(yōu)勢

“產(chǎn)、學、研”一直是教學中非常重要的環(huán)節(jié)。運用理論知識解決實際工程問題，將工程問題引入學術研究課題，可以使新技術、新方法更完善地運用在實際工程問題中。對教師而言，以實際工程問題作為授課素材，內(nèi)容豐富、貼近實戰(zhàn)；將關鍵技術作為研究課題也是提升科研水平的一項途徑，教師應不斷提升自身理論水平與實戰(zhàn)經(jīng)驗，從而更好地服務課堂。對學生而言，這種教學方法不僅能使理論得到檢驗，更能使學生在實戰(zhàn)中得到鍛煉，考慮工程問題時不再是“紙上談兵”。高校可以為合作企業(yè)提供理論支撐，企業(yè)可以為高校提供實戰(zhàn)經(jīng)驗和試驗平臺，二者互補，充分發(fā)揮產(chǎn)學研在教學中的優(yōu)勢。

四、考核方式創(chuàng)新

傳統(tǒng)教學模式主要以期末筆試的形式來衡量學生對本門課程掌握的程度。這種考核方式的弊端已經(jīng)逐漸顯現(xiàn)，即無法在整個教學中體現(xiàn)出學生的學習過程，且考核方式僅通過理論筆試，在現(xiàn)代教學法中與實踐嚴重脫軌，無法體現(xiàn)學生在學習理論的基礎上解決實際工程問題的能力，也未能體現(xiàn)學生的學習效果和學會學習的能力。本次教學改革將每個教學任務、教學項目均設為課程的考核得分點，從學習的全過程中提取考核得分點，從學習的效果中找到學習的得分點，不斷優(yōu)化考核標準，讓學生的學習不再是通過一場筆試來體現(xiàn)，讓學生自動摒棄“臨時抱佛腳”的做法。課程的教學內(nèi)容、教學目標、考核方式等也可以全程記錄學生的學習過程。

本文從材料力學的學情分析，探索了一種適用于應用型本科高校學生在材料力學教學的教學方法，明確了教學目標，以教學項目為主線導出材料力學所涵蓋的知識點，通過教學任務去逐步完成教學項目，將CAE技術貫穿材料力學的整個教學過程中。新技術、新方法使材料力學更具有實用性，更有助于學生借助CAE技術解決復雜的實際工程問題。此外，本文基于全過程教學，有別于傳統(tǒng)的教學考核模式，將每一個教學環(huán)節(jié)都納入學生的考核范圍，注重過程學習，用解決實際工程問題的能力作為考核的重要指標。