OBE理念下的材料力学教学方法改革与实践

1、OBE理念下的材料力学教学方法改革与实践1)摘要 为提高材料力学教学效果，培养学生分析和解决实际问题的能力，开展了目标导向教育(outcome based education，OBE)的教学方法改革与实践。以采矿专业大学生为教学对象，结合巷道支护技术的最新 发展动态，针对轴向拉伸、轴向压缩、扭转、弯曲、组合变形和压杆稳定分别导入顶板锚杆、墩柱、锚杆孔钻 孔、巷道顶板锚杆布置优化、钢管混凝土支架破坏和墩柱稳定性等案例，运用相关章节力学知识，最终解答了 案例。OBE教学方法能让学生深刻地认识到材料力学和所学专业的密切关系，激发学生的学习兴趣，培养学 生的科学素养和研究性思维，实践创新和解决工程问题

2、的能力，教学效果显著。关键词 材料力学，目标导向教育，教学方法，案例，采矿专业REFORM AND PRACTICE OF THE TEACHING METHOD FORMATERIALS MECHANICS BASED ON OBE CONCEPT1)Abstract In order to improve the teaching effect of materials mechanics and to cultivate students ability to analyze and solve practical problems, the reform and the practic

3、e of the teaching method based on outcome based education (OBE) are carried out. Taking the college students majoring in mining as the teaching object, and with consideration of the latest developments in the roadway support technology, the roof bolts, the piers, the drilling bolt holes, the optimiz

4、ation of the roof anchor arrangement of roadway, the failure analysis of the steel tube concrete support and the stability analysis of the pier column are adopted as the examples of the axial tension, the axial compression, the torsion, the bending, the combined deformation, and the compression rod

5、stability, respectively. Then, the cases are analyzed by using the knowledge of materials mechanics in related chapters. The OBE teaching method enables students to deeply understand the close relationship between materials mechanics and their majors. It can stimulate students interest in learning a

6、nd cultivate their scientific literacy and research thinking. In addition, it enables students to practice the skills of innovation and solving engineering problems. The teaching effect based on OBE is remarkable.Key words materials mechanics, outcome based education, teaching method, examples, mini

7、ng majorB/2f,1B ,+ hB/2f,1B ,+ h cotf 3f Pi - Q(4)式中as为墩柱材料屈服强度，A为墩柱横截面积。若采用钢管混凝土墩柱，则同N f Acfc(1 + 2。)加 6 1.235)I Acfc(1 + 微 + l.ie) (0 1.235)式中，0为套箍指标，0 = Asfs/(Acfc)，As为钢管的 截面面积，fs为钢管的屈服极限，Ac为混凝土截面 面积，fc为混凝土轴心抗压强度设计值，91为考虑 长细比影响的承载力折减系数，9e为考虑偏心率影 响的承载力折减系数，对于轴心受压构件，9e = 1。分别依据式(4)和式(5)可进行木墩柱或钢墩 柱和

8、钢管混凝土墩柱的材料和截面设计。2.3扭转案例案例提出：锚杆安装前，需要采用锚杆钻机旋转 钻孔。假设钻头长度为I，钻头外径为D，钻头内径 为也锚杆钻机功率为P，钻头转速为n，钻杆允许 剪应力为E，如何判断钻杆是否安全及如何选型？案例解答：锚杆孔采用钻杆旋转钻孔，钻杆受力 见图5,锚杆孔钻头为典型的扭转受力构件。假设岩 层对钻头的阻力沿钻头长度均匀分布。则钻头上单 位长度所受阻力矩为9549Pm =nl(6)根据截面法，距钻杆端头(9549Pm =nl(6)T (xT (x) =9549Pnl X从而最大切应力Tmax = 9549Pn从而最大切应力Tmax = 9549Pn(8)Tmax954

9、9P(9)图5锚杆孔钻杆受力模式2.4弯曲案例案例提出：矩形巷道顶板常采用等长锚杆支护, 支护方案是否可以优化？如何优化？案例解答：矩形巷道开挖后，巷道顶板上覆岩层 在顶板压力Q作用下发生弯曲下沉，可将顶板简化 为简支梁模型。设简支梁跨度为2a，高度为h，模型 厚度为单位长度1，梁上部受均布载荷q = Q/(2a)， 如图6所示。顶板压力Q2aO顶板巷帮巷帮Q/22aaaM(x)1 H . M 1,11 m 1111 n nxEr a中性层hq / Q/(2a)aQ/4图6简支梁模型示意图9】以梁的左端为原点。，则剪力方程Fs(x)和弯矩方程M(x)分别为Fs (x) = (a x) (0 x

10、 2a)QxM(x) = _ (2a x) (0 6 x 6 2a)则顶板岩层所受弯曲正应力为3Qx(2a x)aa =且锚杆与垂直方向呈一定角度，提升抗剪能力9，见 图7。整个思想即为鱼腹梁理论。(10)(11)(12)由于岩石的抗拉强度远小于其抗压强度，当弯曲正应力aa达到岩层的抗拉强度at时，即aa =门 时，顶板岩层发生破坏。因此，得到巷道顶板保持稳定所需要的厚度为图7巷道等强梁支护示意图913Qx(2a x)y2aat(13)锚杆应锚固到稳定岩层中，因此它的最小长度应大 于巷道顶板保持稳定所需要的厚度。同时考虑巷道 顶板岩层的完整程度及巷帮变形破坏造成巷道实际 跨度增大，引入安全系数

11、n，则巷道顶板锚杆长度 L为2.5组合变形案例案例提出：钢管混凝土支架能充分发挥钢管和 混凝土两种材料的承载性能，是巷道最新的支护技 术，得到了较为广泛的应用。但在巷道支护中钢管混 凝土支架常在顶拱和拱腰处产生破坏，见图8 (侧压 力系数1.38)，原因是什么？3Qx(2a x)V23Qx(2a x)V2aat(14)(a)侧帮折断(b)顶拱压瘪图8某巷道钢管混凝土支护破坏I由式(14)知，在巷道两旁锚杆长度为零，即不需 要布置锚杆，这显然是不实际的。因此，巷道两旁的 锚杆长度和打设角度依据剪应力确定。综合考虑，在 中部采用高强度长锚杆控制弯曲变形，而在巷道两 旁锚杆长度有所减小，但选用杆体直

12、径较大的锚杆,案例解答：以圆形巷道为例，当作用在钢管混凝 土支架顶拱的压力为20 MPa时，不同侧压力系数 下支架的弯矩和轴力如图9所示1。】。当侧压力系数 不等于1时，最大弯矩截面位于支架的轴向和横向 对称线。但是，当侧压力系数小于1时，支架顶拱和 底拱内表面受拉，拱腰处内表面受压，而当侧压力系 数大于1时，支架顶拱和底拱内表面受压，拱腰处 Mmax-顶分别为拱腰和顶拱截面的弯矩，FN-腰和 Fmax-顶分别为拱腰和顶拱截面的轴力，WZ为支架 抗弯截面系数，A为支架横截面积。式(15)和式(16)分别表明拱腰内表面和顶拱 内表面分别为整个支架拉应力和压应力最大的部位, 这也解释了为什么侧压力

13、系数为1.38时，钢管混凝 土支架在拱腰处折断，而在顶拱处压瘪。内表面受拉。1=0.50-顼=0.75入=1.001=0.50(b)轴力图(a)顶拱(a)弯矩图-1=0.751=1.00内表面外表面(b)拱腰图10侧压力系数1.38顶拱和拱腰截面受力模式2.6压杆稳定案例(15)(16)图9不同侧压力系数下支架内力图10如图10所示，当侧压力系数为1.38时，拱腰和 顶拱处内表面处应力分别为_ Mmax-腰卢N-腰皿腰=Amax-顶-顶E-顶=Wz厂式中规定拉应力为正，压应力为负，bmax-腰和max-顶 分别为拱腰处和顶拱处的内表面应力，Mmax-腰和案例提出：压杆稳定仍以巷旁墩柱支护为例，

14、在 满足强度要求的前提下，钢管混凝土墩柱的稳定性 如何判断？案例解答：钢管混凝土墩柱为单轴受压构件。均 匀直杆的临界压力为(17)式中Per为临界压力，而实际轴压依据式(4)取值, 故稳定安全系数为nst = Per/(P1 Q)为墩柱长 度系数，l为墩柱高度。对于钢管混凝土墩柱，由于钢 和混凝土 2种材料组成的复合柱，一种观点认为它 的临界压力是钢和混凝土的欧拉临界压力之和，即 式(17)中的 EImin = ESIS + ECIC，Es，Ec 分别为钢 管和混凝土的弹性模量，Is，Ic分别为钢管和混凝土 贡献的惯性矩。一般的支护，钢管混凝土墩柱下端通 过柱鞋固定在底板，上端通过木垫板与顶板

15、相接，相 当于一端固定，一端铰接，诉=0.7。依据式(17)可 以进行墩柱稳定性校核和墩柱截面、高度及横向支 撑设计。另一种观点认为钢管混凝土柱的临界压力 如同中柔度压杆的情形，可采用经验公式计算，具体 参见文献11。3 OBE教学模式特点经过几年的教学实践，OBE教学模式具有以下 功能与特点：活跃教学课堂，激励学生学习兴趣，增加教 师教学成就感。在教学内容中采用典型的专业案例, 提出自己的思路或可供选择的方案，由学生进行分 析，实现了从灌输课堂向对话课堂转变，提高了学生 学习的兴趣，也培养了他们独立思考的能力以及创 新精神。通过交流探讨，活跃了课堂气氛，教学效果 显著提高。实现课程知识和专业

16、教学功能的结合。根据 所教授学生的专业特点和认知能力，合理调整教学 模式，培养学生构筑力学知识体系的同时，将专业案 例提出和专业案例解答引入教学环节，精密设计专 业目标案例，实现课程知识和专业教学的紧密结合。丰富教学内容，培养学生解决问题的能力。 以专业问题为导向，构建具有矿业特色的工程案例 库，引导学生运用所学知识分析和解决工程实际问 题。该方法改变了教师为中心的传统教学模式，贯彻 学生为中心的现代教学理念，引导学生自主学习知 识，提升学生解决问题的能力。案例紧密结合专业发展态势，培养学生研究 思维。构建的案例紧密结合最新科技成果，实现了灌 输型教学模式向研究型教学模式的转变，培养学生 掌握正确的科学研究方法与思路，对促进学生掌握 所学知识、培养煤炭行业科研人才起到了重要作用。4结论以材料力学知识为立足点、以工程案例实现理 论联系