李 锋 周立明 郭桂凯

（吉林大学机械与航空航天工程学院，吉林 长春 130025）

0 引言

材料力学是工科专业的一门基础课程，通过对杆件的强度、刚度和稳定性等问题的学习，进而研究杆件的变形和破坏规律。 传统的材料力学教学模式只注重知识的传授，而忽视了学生工程素养的培养，而“一流” 课程建设则要求学生的培养更注重能力和素养。因此改革传统的教学模式，提高学生分析问题和解决问题的能力具有重要的意义[1-4]，具体可以从以下方面入手。

1 从生活中的力学谈起，激发学生的学习热情

树干上细下粗，是因为树干受到风载，越靠近地面，所受到的弯矩越大，因此树干下部的直径比上部的要大。 大多数动物骨骼是空心的，这是因为对于弯曲变形，距离中性轴越近，应力越小，而对于扭转也一样，距离圆心越近，应力越小。 因此，可以把承受应力小的部分去掉，这样既可以减轻重量的同时也可以保持较高的强度。 但是，对于承受轴向拉伸的杆件，做成空心的却不能省材料， 这是因为对于轴向拉伸构件，其应力均匀分布。又如对于标准双杆，其外伸端长度a和中间的长度l 之比应该为1/4，这是因为重为F 的人作为移动载荷在双杆上移动时， 有两个危险位置，一个是外伸端端部，此时双杠的弯矩为Fa（假设人在双杠的一侧）；另一个位置是中间段的中点，此时双杠的弯矩为Fl，标准的双杠应该使两者的弯矩相等，因此有a/l=1/4。

2 讲述工程常识，提高学生的设计水平

在工程实际中， 工程师通过工程案例获得经验，而对于学习材料力学的学生， 通常缺乏实际经验，在设计构件截面尺寸时，由于计算错误，有时会得到与实际尺寸相差甚远的结果。 这实际是因为学生对承受多大载荷需要多大截面没有对应的概念。 因此，学生在学习设计截面例题时，需要将载荷与截面尺寸相对应起来，从而建立起构件承载力的感观认识。 另外，有的学生在设计截面时不取值，只是给了一个范围。 在实际设计中，这是无法加工成构件的，因为没有一个明确的尺寸供加工工人参考。 还有一些同学在设计截面取值时，后面保留了多位小数。 殊不知，小数数位越多，意味着加工精度越高，费用也越贵，有时甚至无法加工出来。

3 充分利用虚拟仿真，使材料力学学习更形象

材料力学理论经典实用，但是有的地方也抽象难懂。 因此，可以借助虚拟仿真，使得材料力学知识点更加形象易懂， 利用有限元软件计算圆截面杆的拉伸、扭转和弯曲，通过横截面应力观察，可以一目了然地观察到横截面的应力分布规律。 有限元软件还可以显示杆件的轴力图、扭矩图以及弯矩图。 有限元计算还能验证材料力学的基本假设和重要结论。 例如，对于横力弯曲，当跨长与高度之比为l/h≥5 时，其正应力仍然可以利用纯弯曲公式。 这可以通过有限元计算不同跨长和高度比的梁， 通过分析结果，验证该结论的正确性。 另外，也可以用有限元分析带孔的轴向拉伸杆以及变截面杆的拉伸， 可以从应力云图中明显看见应力集中现象： 即构件由于外形的变化，应力急剧增大。

4 建立工程案例库，提升学生解决问题的能力

要想提高学生的学习兴趣，就要保持材料力学理论和工程实践的紧密结合性。 因此，有必要建立材料力学工程案例库[5]，通过一些具体的工程案例，运用材料力学的基本理论和计算方法， 解决工程的实际问题。 选用的工程构件有：HZ140TR2 后置旅游车地盘车架、柴油机曲轴、传动轴、曲柄轴等。 要求学生画出结构的全部内力图，标明可能的各危险截面；弄清楚危险截面上各种应力的分布规律图及由此判定各危险点处的应力状态图；求出各危险点的主应力大小及主平面位置，选择强度理论并建立强度条件。 通过工程案例的分析，大大提高了学生分析问题和解决问题的能力。

5 介绍课外知识，拓宽学生的视野

距材料力学学科创立以来， 科学的发展日新月异，新的材料和新的工程问题不断出现。 因此，教师授课时有必要介绍一些课外知识， 拓宽一下学生的视野，从而有利于其以后的学习。 材料力学只研究杆件，而构件除了杆件外还有块体、板壳，这些将在弹性力学中继续研究；材料力学只研究线弹性，超过线弹性时材料的本构关系将由塑性力学研究；材料力学基本假设中假定构件中的物质连续分布，而实际工程中有时候存在孔洞、缺陷等不连续等现象，这时不能用应力去建立结构的失效条件， 需要用断裂力学进行分析；材料力学假定材料各向均匀，而随着科技的发展，复合材料越来越广泛地运用于工程中，且复合材料属于各向异性材料， 这时需要用复合材料力学求解；材料力学中交变应力只针对横幅载荷，而实际工程中多为随机载荷，随机载荷作用下构件发生的破坏则由疲劳理论进行研究。