工程与科研实例引入法在材料学专业《工程力学》教学中的应用探索

    一、引言

    《工程力学》是一门介于基础和专业之间的课程，全国很多高校的工程相关专业都开设了该课程，是工程类专业的支柱课程，具有较强的理论性，同时又与工程实际和生活联系紧密。在材料学专业，工程力学是学生最早接受工程和科研知识的课程，使学生在学习力学知识的同时接受工程和科研意识的启蒙和培养是《工程力学》课程的重要任务之一。但由于课程理论推导多，数学运算繁琐，概念抽象且逻辑性强，因此学生对课程对材料学专业的重要性认识不足，容易产生厌学心。因此，在《工程力学》基础理论和方法的教中如何引导他们进行深层次思考，激发从未接触过工程与科研的大学生们的学习兴趣和创新思维，活跃课堂气氛，使《工程力学》课程所传授的知识更为生动形象、容易掌握和理解，就成为摆在材料学专业工程力学教师们面前的一个难题。本文对在《工程力学》课程中引入工程与科研实例做探索性的讨论。

    二、工程实例引入教学法

    工程实例引入教学法不是简单地引入工程中的实例进行例题分析与讲解，而是在教学基本知识和内容的要求基础上，选择适当的工程或生活实例，通过对这些实例的观察、分析、建模、提出问题并解决问题。在分析过程中引入课程要求的概念、原理和方法，加深学生对书本知识的认识，培养其创新能力。《工程力学》作为一门实践性非常强的课程，相关的工程实例非常丰富，而针对材料学专业的特点和教学要求，所选用的工程实例必须有助于加深对材料科学的认识，有助于学生在未来的工作和科研中运用工程力学的基本知识和方法解决实际问题。在教学过程中，引导学生进行思考、进而提出和定性阐述力学基本概念和理论，不仅使学生认识到《工程力学》在材料学科中的重要性，也为学生学习后续专业课程打下良好的基础。在工程实例的引入上，工程力学老师对实例的合理选择和适当引导作用非常重要。以下略举几例说明。

    1.矩形截面梁的失稳。在梁的弯曲内力这一部分，对于矩形截面梁的弯曲强度问题，在分析梁截面的合理形式时，不能片面地只考虑到强度方面的要求，同时还应考虑到刚度、稳定以及施工方便等方面的要求。例如，设计矩形截面梁时，从强度方面看，可适当加大截面的高度，减小截面的宽度，这样可在截面面积不变的条件下，得到较大的弯曲截面系数。但如果只强调这方面，使截面的高度过大，宽度过小，梁就可能由于受力发生侧向变形而破坏。在讲授上述内容时，根据计算可以推导出矩形截面梁在竖放和横放时的抗弯界面模量，尽管从直观上能够理解，但学生对此部分内容在工程实践中的重要性并不清楚。在此部分，我们尝试引入历史上著名的塔科马大桥失稳破坏的例子。在上世纪40年代，由于设计缺陷，塔科马大桥在侧向受风的情况下会发生弯曲和扭转，在一次40英里每小时的风速下，桥的中心不动，两边因为扭矩而发生扭曲并不断振动，颤振的出现使风对桥的影响越来越大，最终桥梁结构像麻花一样彻底扭曲断裂。在这部分内容中，学生不仅认识了桥梁设计中强度、刚度的相关知识，而且认识了扭转破坏、共振等内容在工程中的重要性。通过讲解，学生对此部分内容兴趣非常强烈，也对工程力学中强度、刚度、稳定性的设计与校核有了更深入的认识。