材料力学课程CAE教学改革与实践

摘要：为了培养应用型本科生，在讲授材料力学课程中应压缩理论推导，重视实际应用以及CAE数字化解题于课堂教学中，在此过程中，应在培养学生基本知识的基础上，使学生加深教学基础内容，学生通过亲自运用数字化解题操作，能够增进学生灵活运用所学知识，提高学生解决实际问题的能力。

关键词：材料力学 教学改革 数字化教学

中图分类号：TP37 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-8181.2013.09.028

1 引言

为贯彻落实《国家中长期教育改革与发展规划纲要2010-2020》和我校培养一线工程师的要求的若干意见的精神，按照上海市专业改革试点基本要求，本项目以培养“一线工程师”为目标，进行材料力学基础专业课程体系的初步改革，以适应我校培养应用型本科生的要求。

目前力学基础课程主要有理论力学、材料力学，工程力学。课程理论深度较强，学生普遍感觉学习力学课程较为困难，根据这一实际情况，对开设现有的力学课程进行适当的改革和探索，为培养适合目前和今后社会和企业所需的具有实践经验的优秀应用型毕业生十分必要。因此，日常教学中对现有材料力学课程进行课程大纲、课程内容、教学课件以及工程实例引入等进行相应调整、完善和创新，重点引入CAE中的数字化技术于材料力学教学中，通过数字化教学方式的采用，使学生在教师指导下，建立力学模型，通过边界条件，载荷，赋值弹性模量，剪切弹性模量等力学参数，通过求解，得出所需目标量。通过对材料力学课程数字化教学的实践，对现有教学方法进行改革和完善，使学生在掌握材料力学基本知识的基础上，掌握结构的力学模型建立，熟悉数字化求解的步骤，为后续学生课程设计，毕业设计以及今后所从事职业打下坚实基础。

2 实施过程

在具体的实施中，主要在材料力学教学中增加4课时的数字化教学求解的探索，扩大数字化技术在力学教学中的应用和推广，以增加学生学习的兴趣，增强学生对所学知识的有的放矢，明确所学各章力学知识的应用领域，把灌输学习变成主动学习，为以后的实习环节打下扎实的力学基础。授课教材选用高教出版社出版的刘鸿文主编的材料力学（第5版），为了留出时间进行CAE教学，对现有内容进行压缩，减少理论推导，更注重实际应用，对扭转变形推导，对弯曲正应力公式推导，二向应状态的解析法和图解法，三向应力状态及最后平面图形几何性质等内容进行了压缩讲解。

增加演示和实践的部分主要有轴向拉伸演示，通过学生自行构建桥梁桁架结构（该结构由教师指定），包括支座形式、载荷大小及位置，杆件横截面尺寸，最后计算得出支座反力，各杆的内力和应力；扭转部分进行空心钢轴拉扭组合问题的数字化建模，模拟吊扇在旋转时上部拉杆受力情况，学生自行加载扭矩，加载轴向拉力，输入外截面尺寸、内外半径之比，轴的长度，剪切弹性模量，通过求解得到极惯性矩，扭转角，截面最大剪应力，轴向正应力；弯曲内力的数字化解题则采用教师指定的外伸梁，通过学生自行施加均布载荷和集中载荷，得出支座反力，剪力图和弯矩图；弯曲应力演示主要采用学生构建房屋常用的简支梁，承受施加均布载荷，计算最大剪应力和最大正应力，进而可以确定梁的弯曲挠曲线等。弯曲变形一张通过学生建立简支梁，通过施加载荷得出转角曲线和挠度曲线，并求得任意截面处得转角和挠度。

3 教学效果

在实施数字化教学过程中，由于会占用一部分课堂时间，如何解决教学内容任务重与增加数字化教学内容时间冲突的矛盾。笔者采用在讲解完基本理论和课堂练习的基础上，利用半节课时间给学生进行亲自数字化解题，每3人一组，班级人数36人，12组即可完成实践教学。在学生数字化解题过程中，同样的题目其他学生在练习本上进行手工计算，并与计算机计算结果进行比较。实际进行中发现，只有学生掌握了基础知识，才能很好地进行计算机解题。才能明确输入参数的用途，因此数字化教学能够使学生更好地理解和运用所学知识，是传统教学极大的补充，为今后学生专业课程学习，为计算机在工程中应用奠定了基础。

4 结论

本教学改革在上海市专业试点改革的要求下，增加了数字化教学于课堂内容中，删减理论公式推导内容，最终目的是使学生具备较强的个人综合素质，较强的个人能力，较强的获取技术知识能力。使学生具备应用力学的知识储备，解决专业工程方面的问题和设计研究能力，造就基础宽、素质高、具有创新精神和实践能力的一线工程师。

参考文献：

[1]李正术.《材料力学》实践性教学的探索[J].吕梁教育学院学报，2003，20，（2）：52-53.

[2]周志东.材料学科的材料力学教学改革的思考[J].时代教育：教育教学刊，2012，（11）：171-172.

[3]贺丽萍.浅谈材料力学教学改革[J].科技创新导报，2012，（11）：168.

[4]谢冰.改进材料力学课程教学的几点体会[J].中国教育技术装备，2012，（12）：70-72.

作者简介：米红林（1974-），男，辽宁昌图人，博士，副教授，力学教研室主任，主要从事基础力学及实验力学研究，上海应用技术学院机械工程学院，上海 201418

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