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材料力學是工科專業(yè)非常重要的一門專業(yè)基礎課，也是構成專業(yè)課程的基礎性平臺課，對學生后續(xù)學習專業(yè)課程起著非常重要的作用。材料力學是研究材料在各種外力的作用下產(chǎn)生的應力、應變、強度、剛度、穩(wěn)定性和導致材料破壞的原因。目前，我校材料力學教學主要存在以下問題：教學方法死板，缺乏靈活性;批改作業(yè)方法不科學;學生的積極性不高，上課氣氛不活躍;學生對類似的公式容易混淆等。材料力學與工程實際緊密結合，實用性強，同時課程中的概念較為抽象，理論性強。進行材料力學教學方法的探討，有利于提高教學質量，有利于培養(yǎng)學生解決實際問題的能力。
1利用校園里的材料力學實例進行教學
1.1 粉筆
粉筆主要用在課堂教學，已進入高校的大學生對于粉筆并不陌生。但真正了解粉筆力學性能的又有多少學生呢?教師在講解拉伸壓縮、扭轉時，可以引用粉筆作為例子。粉筆是脆性材料的典型，對于脆性材料，在拉伸力較小的情況下就被拉斷，沒有屈服現(xiàn)象和縮頸現(xiàn)象，斷裂前線應變和伸長率也很小。與塑性材料相比，脆性材料拉伸力學性能最大特點就是斷裂前幾乎沒有塑性變形。教師在講脆性材料拉伸力學性能時，可以拿根粉筆給其中一名學生，讓學生在課堂上做一個簡單的拉伸實驗，最終的拉伸結果如圖1所示。
在講脆性材料扭轉時，多數(shù)學生無法理解為什么斷裂面為45°的螺旋面。教師還可以引用粉筆作為例子。最終，粉筆扭轉結果如圖2所示。取粉筆最前面素線上的任一點，其應力狀態(tài)如圖3a所示，為純剪切單元體，其中0σσxy==，xyττ=，代入最大及最小正應力計算公式，得：
2max2min22xyxyxyσσσσσττσ?+=±+=±
02tan2xyxyτασσ==∞
所以02α=-90°或-270°，即α0=-45°或-135°。以上求解過程表明，從x軸起，因σσxy=，故-45°(x軸順時針旋轉)確定主平面上的主應力為σmax，即σ1，故得主單元體如圖3b所示。
由圖3b可知，在純剪切應力狀態(tài)下，σστ13==，2σ=0，其中σ1為拉應力，σ3為壓應力。此時，粉筆表面上各點的σ1所在的主平面連成傾角為45°方向的螺旋面。由于脆性材料抗拉強度較低，所以脆性材料在扭轉時的螺旋面是由最大拉應力σ1而引起斷裂破壞的。
1.2 紙張
紙是我國的四大發(fā)明之一，為文化傳播立下了非常卓著的功勛，煥發(fā)著自己獨特的光彩，紙張又和材料力學有什么關系呢?
選擇合理的截面形狀可以提高壓桿的穩(wěn)定性。從壓桿穩(wěn)定的歐拉公式可知，截面慣性矩I越大，臨界壓力Fcr也越大。取一張A4紙，讓其在平穩(wěn)的桌面上站立是無法實現(xiàn)的。如果把A4紙卷成一圓筒，則很容易實現(xiàn)紙張站立。原因在于材料遠離截面形心，慣性矩I增大，提高了壓桿的臨界壓力。
但此時應提到，也不能為了取得較大的慣性矩I，就無限制的增加圓環(huán)的直徑而減小其厚度，這將使壁厚變薄而引發(fā)局部失穩(wěn)，發(fā)生局部折皺現(xiàn)象。如：用力踩易拉罐。
引用一些可以在教室直接做實驗的材料力學實例，可以激發(fā)學生對材料力學的學習興趣，加強理解，提升學生的學習效果。
2列舉古今中外與材料力學有關的趣事和實例輔助教學
建于隋朝年間的趙州橋橫跨洨河南北兩岸，是當今世界上現(xiàn)存最早保存最完整的古代敞肩石拱橋，其充分利用了石料的抗壓縮強度。
大家都知道，“泰坦尼克號沉船”事件是人類歷史上最悲痛的海難之一。沉船的真正原因是泰坦尼克號當時航行速度已經(jīng)大大超出了夜間海面安全航行的最大速度，船的速度和船體的質量形成巨大的動能，使船體與冰山相撞產(chǎn)生極大的沖擊力，并在碰撞處產(chǎn)生巨大的局部應力。
另外，船體上鋼板與鉚釘質量差也是可能導致海難的又一原因。根據(jù)資料顯示，船體并不是正面撞在冰山上，而是側面與船體相擦，側舷船殼鋼板受到極大的擠壓應力和剪應力，而船殼上的鋼板是通過鉚釘進行連接的。調查發(fā)現(xiàn)，泰坦尼克號所用鉚釘?shù)牟牧狭W性能實驗是在室內常溫下進行的，而這些鉚釘在低溫下的破壞應力要遠低于室內的應力，致使船殼破裂，船身進水，最終沉入海底。
3應用ANSYS軟件進行教學
ANSYS軟件是美國ANSYS公司開發(fā)的大型有限元分析軟件，是世界范圍內增長最快的計算機輔助工程軟件。目前，我國有百余所理工類院校采用ANSYS進行有限元分析或作為標準教學軟件。應用ANSYS軟件可求解外載荷引起的位移、應力和力。ANSYS程序中的靜力分析不僅可以進行線性分析，也可以進行非線性分析，如：塑性、大變形、大應變及接觸分析等。
拉伸壓縮、扭轉、彎曲的應力和內力、壓桿穩(wěn)定等知識都是材料力學課程的重點內容。這些重點內容可通過ANSYS進行分析，得到應力、應變和內力等的相關數(shù)據(jù)、動畫或云圖。在對重點知識進行講解時，通過ANSYS進行分析，并與計算所得的理論結果進行對比驗證，鞏固學生對重點知識的掌握。
以軸向拉伸時的軸力圖為例。在工程結構中，桿件發(fā)生軸向的拉伸是非常常見的。軸向拉壓的受力特點：作用于桿件上的外力合力的作用線與桿件軸線重合，桿件變形是沿軸線方向伸長或縮短。以如圖4所示的軸為例，試用ANSYS軟件繪制其軸力圖。建立軸的有限元模型(如圖5所示);添加力繪制軸力圖(如圖6所示)。
從圖6中可知，AB段上軸力為紅色區(qū)域，軸力為6000N，為拉力;BC段上的軸力為藍色區(qū)域，軸力為-12000N，為壓力;CD段上的軸力為綠色區(qū)域，軸力為-4000N，為壓力。
理論計算：由平衡方程1234FFFF++=0知，3FkN=83FkN=8。
在AB段上取截面1-1，由左段列出平衡方程110FF=N知，116FFkNN==3FkN=8，即AB段橫截面上的軸力為66kNkN。
同理，212FkNN=，34FkNN=，可見通過ANSYS分析所得軸力與理論計算值一致。
利用ANSYS軟件把抽象的數(shù)據(jù)轉換為形象生動的圖形，提高學生分析數(shù)據(jù)的能力，增強學生對結構的感性認識及工程概念。借助有限元軟件的教學方法也可以拓寬學生的眼界，讓學生初步了解現(xiàn)代的計算方法。
4作業(yè)批改
作業(yè)批改是教學工作中不可忽視的一項重要內容，與整個教學活動密不可分[10]。而真正的實踐過程中，許多教師只重視作業(yè)布置，而忽視作業(yè)的批改。在對教師作業(yè)批改情況的調查中發(fā)現(xiàn)，部分教師在批改作業(yè)時只是用紅筆在作業(yè)本上劃對錯號，這樣做不僅不利于學生的學習，也不利于自身教學水平的提高。
作業(yè)的重要性不言而喻。教師可以通過學生的作業(yè)及時了解學生掌握知識的情況，在課堂的講解中，重點講解學生作業(yè)中易錯和學生不會的知識點，讓學生更進一步的掌握知識點。批改作業(yè)的過程中，還可以發(fā)現(xiàn)更多不同的解法和解釋，從而發(fā)散思維，并將這中思維帶到教學中，啟發(fā)學生，教學相長。
筆者所在學校材料力學理論課程總學時為64學時，共32次課，每上一次理論課，都會留給學生1～2道作業(yè)題。設定某年級機械設計制造及其自動化本科某班共32名學生，每2名學生一組。作業(yè)批改時，筆者隨機抽取10本作業(yè)由教師批改，剩余的22本筆者指定某組的2名學生(相當于教師的小助手)負責批改，并對作業(yè)進行記錄，并分別挑出2本較好和較差的作業(yè)，進行拍照。學生在批改作業(yè)前，教師要把作業(yè)題對這兩名學生做詳細的講解。下次課時，筆者在課堂上會面向全班同學講解上次作業(yè)的批改情況，并用PPT展示較好和較差作業(yè)的照片。同時課后答疑由批改作業(yè)的兩名學生負責，若學生無法解答的問題，由筆者進行答疑。通過這幾年的實踐摸索，這種做法取得了不錯的效果，及格率大幅提升，學生的積極性也得到了充分的調動，教師和學生共同受益。
5及時歸納總結
材料力學課程的公式特別多，筆者在講課過程中要求學生要理解公式的推導過程，在理解推導過程的基礎上，掌握并記住公式。材料力學課程中的很多公式相差不多，特別容易混淆，所以筆者在講課的過程中及時歸納總結。如圓軸扭轉和彎曲變形時的極慣性矩、慣性矩和抗扭截面系數(shù)、抗彎截面系數(shù)。這幾個公式特別相似，只是在數(shù)字上稍有不同(見表1)。
6結束語
材料力學是工科專業(yè)開設的一門專業(yè)基礎課程，也是一門為設計工程實際構件提供必要理論基礎的重要技術課程，因此研究材料力學教學方法改革有非常重要的意義。筆者從校園里的材料力學實例、古今中外與材料力學有關的趣事與實例、借助ANSYS軟件、作業(yè)批改、及時歸納總結五方面探討材料力學教學方法的改革。通過多年的實踐，發(fā)現(xiàn)筆者提出的教學方法對提高學生學習材料力學興趣，提高教師自身教學水平有較大的作用。人類社會在不斷的發(fā)展中，材料力學的教學改革也需要在不斷的實踐中根據(jù)學生的發(fā)展不斷調整和摸索，因此材料力學教學改革是一項長期的任務。
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