1、“科研-教學”互動模式驅動下的本科教學摘要 為克服學生在學習材料力學時的畏懼心理，降低學生對關鍵概念的理解難度，提高學習積極性，同時也為了使 研究型大學的任課教師在科研和教學上相得益彰，該文提出一種科研-教學”互動模式驅動下的材料力學教學方法。該 方法將科學研究中的研究方法和研究過程引入到課堂教學過程中，使得難以理解的概念變得具體、清晰，降低了學習難度， 消除了學生的畏懼心理。在加強理論學習的同時，也培養了學生的創新思維能力和工程實踐能力，受到學生青睞。關鍵詞 “科研一教學”互動模式；材料力學；研究方法；研究過程Undergraduate Teaching Driven by The Inte

2、ractiveMode of H Scientific Research-Teaching *Abstract In order to overcome the students fear in learning material mechanics psychologically, reduce the difficulty of students* understanding of key concepts, and improve their enthusiasm for learning, and also to make the research teachers of resear

3、ch and teaching, this paper puts forward a kind of scientific research-teaching It is applied in teaching of material mechanics driven by the interactive mode. This method introduces the research methods and research process in the scientific research into the course teaching. It makes the difficult

4、 comprehension concept concrete and clear, and reduces the learning difficulty and eliminates the students* fear in psychology. While strengthening theoretical study, it also cultivates students* innovative thinking ability and engineering practice ability, which is favored by students.Key words the

5、 interactive mode of scientific research-teaching*; material mechanics; research methods; research process材料力學是一門理論性和應用性都很強的專 業核心課程，其主要任務是讓學生具備合格的材 料力學理論知識，并且利用相關理S論去解決實際 工程問題。因此在授課過程中一方面注重培養學 生基礎知識，加強對關鍵概念的理解；另一方面 也需要培養學生解決實際問題的能力。因此有必 要通過合理的教學環節設置X來實現教學目的。然而對于研究型大學而言，任課教師在承擔 教學任務的同時，還承擔較為繁重的科學研究任

6、務，時間上難免會出現沖突。其實，科學研究和 課堂教學活動并不完全對立，科學研究內容可以 使課堂教學更加鮮活，而課堂教學會強化基礎理 論，促進科學研究向更高目標邁進，二者相輔相 成，相得益彰。為此，本文提出一種“教學一科 研”互動模式下材料力學教學方法，旨在將材料力 學基礎知識用于科學研究的同時，也將科學研究 方法和過程引入材料力學的教學過程，實現教學 科研相長，實現研究型教學。1將科學研究方法引入材料力學教學材料力學有些概念是通過晦澀文字或者復雜 的公式描述的，對于沒有工程實踐經驗的學生來 講很難理解，這使得很多學生感到材料力學很難 理解和掌握，大大影響學生學習材料力學的積極 性。為此，在授課

7、過程中，可將科學研究中常用 的方法引入材料力學的課堂教學。理論方法（也稱 解析方法）、數值計算方法（也稱仿真方法）和實驗 研究方法為科學研究中常用的3種方法。材料力學 教學內容理論性較強，建議在授課過程中加入實 驗方法和數值計算方法來描述難易理解的關鍵 概念。為了給學生講解應力集中的概念，采用AN- SYS分析軟件分析了帶孔圓板在一端（左端）固定約 束、一端（右端）受到均布拉力時整個板的應力分 布情況，如圖1所示。通過圖1的應力分布圖，可 以清晰的看出：1）在圓孔周邊的應力明顯大于遠 離圓孔位置的應力，出現了應力集中現象；2）當 距離拉力作用位置較近時，板在豎直方向上應力 為非均勻分布，而在距

8、離拉力作用位置較遠時， 應力分布區域均勻，驗證了材料力學中著名的圣 維南原理。此外，通過圖1也可看出，當一個構件 結構對稱和載荷對稱時，其應力分布也是對 稱的。圖1 一端受拉力的板應力分布圖通過將數值計算方法引入到材料力學的課堂 教學，一方面可讓學生明確記憶材料力學中復雜 公式不是材料力學學習的主要目的，讓學生從畏 懼情緒中走出來，以積極主動的心態投入學習； 另一方面，也可使得材料力學中，通過課堂傳授 難以表達清楚的概念以圖片方式表達出來，淺顯 易懂，容易接受。2將科學研究過程引入材料力學教學材料力學是一門應用性很強的學科，科學研 究中也采用材料力學的知識解決具體工程問題。 因此如果能夠把科學

9、研究過程中如何使用材料力 學解決具體問題的思路引入到課堂教學中，一方 面可通過鮮活的工程實例向學生展示如何利用材 料力學的知識解決具體工程問題，另一方面也可 培養學生利用材料力學基本理論解決工程問題的 能力。本文以如何生成自然裂紋為例說明如何將科 學研究的過程引入材料力學的課堂教學中。在該 項目中需要探討在矩形截面梁構件中通過三點彎 曲試驗生成自然裂紋的最優試驗參數（如載荷大 小、循環次數等）。在解決這個問題的過程中，涉 及到材料力學中的3個概念：欠靜定與靜定問題、 應力集中問題和強度問題。2.1欠靜定與靜定問題在三點彎曲試驗中，試件是直接放置在兩個 支撐上，如圖2所示。圖中，H、8、匕分別為

10、試件 高度、寬度和長度；M、W為支撐位置；s為兩支 撐間的距離，a和也分別為初始缺陷的深度和寬 度；F（t）為均布線載荷，施加于試件上表面中部。圖2三點彎曲試驗原理圖從圖2可看出，兩支撐只約束了豎直方向（y） 的自由度，整個系統少自由度，為欠靜定問題， 該問題具有奇異性。為消除奇異性，根據試件在 外力作用下的變形的真實情況，在圖2中M端支撐 上約束水平方向（，）自由度，此時該系統成為一個 靜定系統，就可按照靜定系統進行求解。這個案 例告訴學生，在實際工程中有很多構件處于欠靜 定狀態或者超靜定狀態，研究者需要根據研究對 象的變形情況確定研究對象的約束情況，實現對 該構件在真實約束情況下的強度分析

11、。2.2應力集中問題應力集中是機械結構物體中應力局部增高的 現象，在工程中較為常見。有時需要避免出現應 力集中，提高構件抵抗外載的能力；有時則需要 利用應力集中，比如在切割玻璃時，通常先用金 剛石刀在玻璃表面劃一刀痕，然后用手輕掰兩側 玻璃，玻璃即沿劃痕斷開。在自然裂紋生成過程 中也將利用應力集中現象，局部應力快速升高，(a) / = 0 s(b)962 (a) / = 0 s(b)962 s(c)/= 1 088 s(d)f = 8 583 s圖4不同循環時間下的裂紋擴展情況以達到擴展自然裂紋的目的口。在研究中含有初始 人工缺陷試件的材料為鋁合金7075。從圖2可看 出，因試件中存在含90。

12、直角的初始缺陷，因此該 試件在施加外部載荷(500 N)后，在初始缺陷位置 出現應力集中，整個試件的應力云圖如圖3所示。 通過圖3可看出試件中人工缺陷中直角附近的應力 遠大于遠離直角位置的應力。即試件中存在的某 些特征，如直角、圓孔等會影響這些特征周邊的 應力分布，對遠離該特征的其他位置應力分布影 響很小，這就是應力集中現象。圖3含人工缺陷試件三點彎曲實驗應力分布圖3強度問題項目的主要目的是產生自然裂紋。在一個完 整的試件中產生裂紋，也就意味著該試件已經損 傷。當材料的應力或者應變滿足給定的初始臨界 損傷準則，材料開始出現裂紋并擴展。對于裂紋 問題，一般用基于牽引分離規則的損傷力學，在 這種情

13、況下認為最大切應力是引起材料損傷的主 要原因。因此根據材料力學中的第三強度理論， 材料發生損傷時最大切應力T.“滿足式中，/、為應力單元體的第一主應力和第三主 應力，b,為材料屈服應力，通過拉伸試驗測得，為 許用應力。通過查詢機械設計手冊可知鋁合 金7075的屈服強度o，為524 Mpa。求得該材料的許用應力后，只有試件在外界 載荷作用下應力達到或超過許用應力后，才可生 成自然裂紋。當外部載荷為3000N/m,循環頻率 為1Hz,在不同的循環時間時裂紋的擴展情況如 圖4所示。因此，通過該案例讓學生對欠靜定問題、應 力集中問題和構件的強度問題有了更加全面的了 解和認識，也對如何采用材料力學是知識

14、解決工 程問題有更深的體會。3 “教學-科研”互動模式驅動下“材料力學” 教學方法實施體會該教學方法在電子科技大學2015級和2016級 機械設計制造及其自動化專業材料力學教學過程 中得以實施，在實施的過程中有如下3點體會。從課堂教學而言，通過將科學研究方法引 入課堂教學，一方面可以幫助學生理解材料力學 中難以理解的概念，降低學習難度，提高學習興 趣；另一方面，也使學生更加明確材料力學的學 習目的不是記憶一系列的公式，而是理解材料的 力學性能，使學生的學習主觀能動性增強。通過將科學研究問題引入材料力學的教學 過程，使學生可以了解材料力學是如何來解決科 學問題的。通過課堂教學發現，每次在講解這些與 材料力學有關的科研問題時，學生的注意力更加集 中，關注度較高。通過課后交流發現，學生對這 種教學方式很認可，認為這種教學方式將理論性