“科研-教学”互动模式驱动下的本科教学

1、“科研-教学”互动模式驱动下的本科教学摘要 为克服学生在学习材料力学时的畏惧心理，降低学生对关键概念的理解难度，提高学习积极性，同时也为了使 研究型大学的任课教师在科研和教学上相得益彰，该文提出一种科研-教学”互动模式驱动下的材料力学教学方法。该 方法将科学研究中的研究方法和研究过程引入到课堂教学过程中，使得难以理解的概念变得具体、清晰，降低了学习难度， 消除了学生的畏惧心理。在加强理论学习的同时，也培养了学生的创新思维能力和工程实践能力，受到学生青睐。关键词 “科研一教学”互动模式；材料力学；研究方法；研究过程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材料力学是一门理论性和应用性都很强的专 业核心课程，其主要任务是让学生具备合格的材 料力学理论知识，并且利用相关理S论去解决实际 工程问题。因此在授课过程中一方面注重培养学 生基础知识，加强对关键概念的理解；另一方面 也需要培养学生解决实际问题的能力。因此有必 要通过合理的教学环节设置X来实现教学目的。然而对于研究型大学而言，任课教师在承担 教学任务的同时，还承担较为繁重的科学研究任

6、务，时间上难免会出现冲突。其实，科学研究和 课堂教学活动并不完全对立，科学研究内容可以 使课堂教学更加鲜活，而课堂教学会强化基础理 论，促进科学研究向更高目标迈进，二者相辅相 成，相得益彰。为此，本文提出一种“教学一科 研”互动模式下材料力学教学方法，旨在将材料力 学基础知识用于科学研究的同时，也将科学研究 方法和过程引入材料力学的教学过程，实现教学 科研相长，实现研究型教学。1将科学研究方法引入材料力学教学材料力学有些概念是通过晦涩文字或者复杂 的公式描述的，对于没有工程实践经验的学生来 讲很难理解，这使得很多学生感到材料力学很难 理解和掌握，大大影响学生学习材料力学的积极 性。为此，在授课

7、过程中，可将科学研究中常用 的方法引入材料力学的课堂教学。理论方法（也称 解析方法）、数值计算方法（也称仿真方法）和实验 研究方法为科学研究中常用的3种方法。材料力学 教学内容理论性较强，建议在授课过程中加入实 验方法和数值计算方法来描述难易理解的关键 概念。为了给学生讲解应力集中的概念，采用AN- SYS分析软件分析了带孔圆板在一端（左端）固定约 束、一端（右端）受到均布拉力时整个板的应力分 布情况，如图1所示。通过图1的应力分布图，可 以清晰的看出：1）在圆孔周边的应力明显大于远 离圆孔位置的应力，出现了应力集中现象；2）当 距离拉力作用位置较近时，板在竖直方向上应力 为非均匀分布，而在距

8、离拉力作用位置较远时， 应力分布区域均匀，验证了材料力学中著名的圣 维南原理。此外，通过图1也可看出，当一个构件 结构对称和载荷对称时，其应力分布也是对 称的。图1 一端受拉力的板应力分布图通过将数值计算方法引入到材料力学的课堂 教学，一方面可让学生明确记忆材料力学中复杂 公式不是材料力学学习的主要目的，让学生从畏 惧情绪中走出来，以积极主动的心态投入学习； 另一方面，也可使得材料力学中，通过课堂传授 难以表达清楚的概念以图片方式表达出来，浅显 易懂，容易接受。2将科学研究过程引入材料力学教学材料力学是一门应用性很强的学科，科学研 究中也采用材料力学的知识解决具体工程问题。 因此如果能够把科学

9、研究过程中如何使用材料力 学解决具体问题的思路引入到课堂教学中，一方 面可通过鲜活的工程实例向学生展示如何利用材 料力学的知识解决具体工程问题，另一方面也可 培养学生利用材料力学基本理论解决工程问题的 能力。本文以如何生成自然裂纹为例说明如何将科 学研究的过程引入材料力学的课堂教学中。在该 项目中需要探讨在矩形截面梁构件中通过三点弯 曲试验生成自然裂纹的最优试验参数（如载荷大 小、循环次数等）。在解决这个问题的过程中，涉 及到材料力学中的3个概念：欠静定与静定问题、 应力集中问题和强度问题。2.1欠静定与静定问题在三点弯曲试验中，试件是直接放置在两个 支撑上，如图2所示。图中，H、8、匕分别为

10、试件 高度、宽度和长度；M、W为支撑位置；s为两支 撑间的距离，a和也分别为初始缺陷的深度和宽 度；F（t）为均布线载荷，施加于试件上表面中部。图2三点弯曲试验原理图从图2可看出，两支撑只约束了竖直方向（y） 的自由度，整个系统少自由度，为欠静定问题， 该问题具有奇异性。为消除奇异性，根据试件在 外力作用下的变形的真实情况，在图2中M端支撑 上约束水平方向（，）自由度，此时该系统成为一个 静定系统，就可按照静定系统进行求解。这个案 例告诉学生，在实际工程中有很多构件处于欠静 定状态或者超静定状态，研究者需要根据研究对 象的变形情况确定研究对象的约束情况，实现对 该构件在真实约束情况下的强度分析

11、。2.2应力集中问题应力集中是机械结构物体中应力局部增高的 现象，在工程中较为常见。有时需要避免出现应 力集中，提高构件抵抗外载的能力；有时则需要 利用应力集中，比如在切割玻璃时，通常先用金 刚石刀在玻璃表面划一刀痕，然后用手轻掰两侧 玻璃，玻璃即沿划痕断开。在自然裂纹生成过程 中也将利用应力集中现象，局部应力快速升高，(a) / = 0 s(b)962 (a) / = 0 s(b)962 s(c)/= 1 088 s(d)f = 8 583 s图4不同循环时间下的裂纹扩展情况以达到扩展自然裂纹的目的口。在研究中含有初始 人工缺陷试件的材料为铝合金7075。从图2可看 出，因试件中存在含90。

12、直角的初始缺陷，因此该 试件在施加外部载荷(500 N)后，在初始缺陷位置 出现应力集中，整个试件的应力云图如图3所示。 通过图3可看出试件中人工缺陷中直角附近的应力 远大于远离直角位置的应力。即试件中存在的某 些特征，如直角、圆孔等会影响这些特征周边的 应力分布，对远离该特征的其他位置应力分布影 响很小，这就是应力集中现象。图3含人工缺陷试件三点弯曲实验应力分布图3强度问题项目的主要目的是产生自然裂纹。在一个完 整的试件中产生裂纹，也就意味着该试件已经损 伤。当材料的应力或者应变满足给定的初始临界 损伤准则，材料开始出现裂纹并扩展。对于裂纹 问题，一般用基于牵引分离规则的损伤力学，在 这种情

13、况下认为最大切应力是引起材料损伤的主 要原因。因此根据材料力学中的第三强度理论， 材料发生损伤时最大切应力T.“满足式中，/、为应力单元体的第一主应力和第三主 应力，b,为材料屈服应力，通过拉伸试验测得，为 许用应力。通过查询机械设计手册可知铝合 金7075的屈服强度o，为524 Mpa。求得该材料的许用应力后，只有试件在外界 载荷作用下应力达到或超过许用应力后，才可生 成自然裂纹。当外部载荷为3000N/m,循环频率 为1Hz,在不同的循环时间时裂纹的扩展情况如 图4所示。因此，通过该案例让学生对欠静定问题、应 力集中问题和构件的强度问题有了更加全面的了 解和认识，也对如何采用材料力学是知识

14、解决工 程问题有更深的体会。3 “教学-科研”互动模式驱动下“材料力学” 教学方法实施体会该教学方法在电子科技大学2015级和2016级 机械设计制造及其自动化专业材料力学教学过程 中得以实施，在实施的过程中有如下3点体会。从课堂教学而言，通过将科学研究方法引 入课堂教学，一方面可以帮助学生理解材料力学 中难以理解的概念，降低学习难度，提高学习兴 趣；另一方面，也使学生更加明确材料力学的学 习目的不是记忆一系列的公式，而是理解材料的 力学性能，使学生的学习主观能动性增强。通过将科学研究问题引入材料力学的教学 过程，使学生可以了解材料力学是如何来解决科 学问题的。通过课堂教学发现，每次在讲解这些与 材料力学有关的科研问题时，学生的注意力更加集 中，关注度较高。通过课后交流发现，学生对这 种教学方式很认可，认为这种教学方式将理论性