摘要：《工程力学》是一门既与工程又与科研密切相关的课程。根据材料学专业培养材料类复合人才的社会定位和基础课程教学“厚基础、宽口径”等原则的要求，本文讨论了在工程力学教学中引入工程和科研实例的内涵及运用，并通过工程和科研实例深化材料学专业学生对工程力学课程重要性的认识。通过引入形象生动的工程与科研实例，有助于培养学生的工程与科研意识以及解决工程和科研实际问题的能力，为学生在专业基础课的学习和今后的科研与工作奠定坚实的基础。
关键词：工程与科研实例；工程力学；教学
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）03-0065-02
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，容易产生厌学心理。因此，在《工程力学》基础理论和方法的教学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。
2.疲劳破坏。疲劳破坏是指在远低于材料强度极限的交变应力作用下，材料发生破坏的现象。在材料学的研究领域中，疲劳破坏在金属材料方向非常重要。为了使学生深入认识金属疲劳的重要性，在对基础理论知识和方法介绍后，我们在这一部分引入了彗星号喷气式民用客机失事的实例，通过展示事故图片让学生分析是什么原因造成的，进而对事故的背景、事故过程、调查过程、调查方法和结论逐一说明，最终发现元凶是制造飞机机体结构的金属材料产生疲劳，金属机体表面存在细小的裂纹，飞机增压舱内方形舷窗处的机身蒙皮在空气反复的增压和减压冲击下，发生反复的弯曲变形，使裂纹逐步扩展，并最终导致金属疲劳断裂，在高空中，疲劳断裂导致座舱内外瞬间的压差如同压缩空气一样爆炸使飞机解体。根据这个历史上著名的工程力学和材料学结合的实例，对疲劳破坏的过程和机理进行介绍，极大地增强了学生对疲劳破坏的机理和破坏特征学习的兴趣，并使学生充分认识了疲劳破坏和材料的强度对人们生产和生活的重要性。
3.扭转变形。扭转变形是《工程力学》中学生首次接触特定变形形式的强度和刚度问题，在这一章中关于铸铁和低碳钢在承受扭转作用断面形态方面，为加深学生的直观认识，使学生充分认识塑性材料和脆性材料在扭转断裂时的区别及其机理。可在该章节理论讨论前请大家观看低碳钢制作的汽车传动轴扭转断裂的断面图片，并在课堂上扭转粉笔使粉笔扭转破坏后让学生观察断面和汽车传动轴的断面有何区别，学生对粉笔扭转后出现45°斜截面的现象十分感兴趣。教师通过对比粉笔的断裂形式和工程中的传动轴设计及断裂形式，向学生提出以下问题：为什么汽车传动轴会从横截面断裂？为什么粉笔从斜截面断裂而且呈现45°断裂？设计汽车传动轴能否采用类似于粉笔的脆性材料（如铸铁），原因是什么？通过粉笔的断裂与工程领域的传动轴设计选材，结合图片和现场演示，学生生动直观地认识了扭转破坏的发生机理和断裂形态，教学效果非常好。
三、科研实例引入教学法
在《工程力学》教学过程中，引入科研中应用工程力学基础知识的实例是激发学生学习兴趣，使学生对今后的毕业设计、研究生阶段乃至工作中可能接触到内容进行知识储备的必要补充。通过科研实例的引入，进一步使学生认识到工程力学是在材料学研究领域是一门必不可少的基础课程，掌握相关的知识和方法是十分必要的。现举两例说明科研实例引入法。
1.拉伸应力应变曲线。材料的拉伸应力应变行为在表征材料综合力学性能方面具有特别重要的地位。在讲解低碳钢拉伸应力应变曲线一节时，笔者结合自己对聚合物基复合材料的拉伸强度和断裂伸长率的研究，向同学系统介绍了万能材料试验机的原理、操作方法以及拉伸应力应变曲线，并通过对多个组分不同试件的应力应变曲线分析，向学生指出如无机粉体、聚合物组成等因素对材料拉伸性能的影响。结合本校实验中心摄制的万能材料试验机教学录像，使同学直观地、系统地认识科研工作中如何设计材料、制备试件、测试力学性能、分析数据、做出结论的全过程。这种引入科研实例的授课模式具有非常好的课堂效果，使学生对今后在研究材料力学性能时能够非常熟练地操作，达到《工程力学》课程的教学目的，并扩展了《工程力学》课程的书本知识，对培养高素质、综合性材料学专业学生具有十分重要的作用。
2.中性轴与梁横截面的应力分布。梁的中心轴是梁的强度计算中非常重要的概念之一。中心轴是梁中性层与横截面的交线，对于一般的圆形、矩形等常见横截面的梁，中性轴的位置非常确定。由于中心轴与其惯性矩有关，而且是区分梁受压和受拉区域的分界线，因此确定梁的中心轴。对于实心截面梁，通过概念和例题的讲解，学生很容易理解和确定中心轴的位置，但如果在梁内出现孔洞，梁横截面上的应力分布以及中心轴的位置都会由于孔洞发生变化。笔者根据科研中对孔洞引起聚合物材料强度变化的相关研究，通过计算机软件模拟了圆形截面梁内有孔洞时，其横截面上的应力分布情况（见下图）。学生通过思考和科研实例中的图像观察，总结出了中性轴与材料内部缺陷和孔洞之间的关系。通过科研实例的引入，极大地激发了学生的学习兴趣，为他们以后的科研和工作打下了坚实的基础。
带圆孔的圆形截面梁的应力分布情况
四、结束语
材料学专业学生在科研和工作中离不开《工程力学》的相关基础知识。教师应该在教学中在介绍书本知识和理论的同时，主动引导学生去思考和探索，采用多种方式、引入形式丰富的工程和科研实例，把教师传授的基础知识转化为分析和解决问题的能力。在此基础上，满足基础课程教学“厚基础、宽口径”的原则要求，培养出材料类复合型人才。
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通讯作者：汤克勇。