力学专业课“疲劳与断裂”课程思政教学实践.pdf

西南交通大学学报（社会科学版）2023 年 2 月 JOURNAL OF SOUTHWEST JIAOTONG UNIVERSITY Feb.2023 第 24 卷 （Social Sciences)Vol.24 增刊第 2 期 课程思政 力学专业课“疲劳与断裂”课程思政教学实践 杨新华（佛山科学技术学院交通与土木建筑学院，广东佛山 528225）摘 要：本文以疲劳与断裂“基本 S-N 曲线”的课程思政教学实践为例，介绍在课堂教学中如何处理好“思政教育”与“知识教学”之间的关系。根据所要讲授知识的特点，充分挖掘多样化的课程思政素材，找准切入点，形成知识点和思政素材之间的相互映衬和协同，实现“知识传授”、“能力培养”和“价值观引导”的无缝衔接，进而达到“如盐入水，润物无声”的课程思政效果。关键词：疲劳与断裂；课程思政；教学设计 作者简介：杨新华，佛山科学技术学院交通与土木建筑学院，教授，主要从事材料断裂、疲劳和损伤的研究和教学工作，Email:。培养什么人，为谁培养人，是教育必然面对的首要问题。教育是国之大计。高等学校肩负着为国家培养具备正确价值观和良好人格品质的合格人才的任务，教师是这一任务的主要承担者。教师不仅仅要向学生传授知识技能，更重要的是要培养学生优良的品格。因此，高校教师必须把课程作为思政的“主渠道”和“主战场”，守好一段渠、种好责任田，根据教育教学的客观规律和特点，将科学思维方法和价值理念有机结合起来，深入挖掘和充分利用课程思政元素和资源，做好课程育人。课程思政要取得实效，需要处理好“思政教育”与“知识教学”之间的关系。为此，在课堂教学中必须做到：（1）控制好思政的度，不能片面强调思政教育，而挤压知识教学的内容和时间；（2）必须根据知识特点挖掘或筛选思政素材，在知识教学中有机地融入价值塑造元素，实现“思政教育”与“知识教学”的无缝衔接，避免生硬的机械组合。“疲劳与断裂”课程是华中科技大学工程力学专业的一门专业课，2007 年被评为国家精品课程，2013 年被评为国家精品资源共享课，2020 年又被评为国家线上一流课程。这里，我们以疲劳与断裂教材1第二章“高周疲劳”的第一节“基本 S-N 曲线”的教学为例，谈谈我们在课程思政方面开展的一些实践。一、教学内容以及要达成的知识和能力目标 本节课程要讲授的主要知识点有：增刊第 2 期 227 杨新华 力学专业课“疲劳与断裂”课程思政教学实践（1）S-N 曲线的一般形状和主要特征；（2）描述 S-N 曲线的主要数学模型；（3）在实验条件缺乏情况下 S-N 曲线的近似估计方法。其中，S-N 曲线的一般形状和主要特征是本节课程的讲授重点，而 S-N 曲线的近似估计方法则是教学难点。通过教学，必须达成如下知识和能力目标：（1）知识目标：了解疲劳试验的背景知识，掌握 S-N 曲线的一般形状、主要特征和几个重要的数学模型；（2）能力目标：掌握疲劳试验方法、疲劳试验数据处理方法和 S-N 曲线的估计方法，具备独立开展材料疲劳试验的能力。二、思政素材和德育目标 结合教学内容和知识特点，我们挖掘了如下思政素材：（1）在课程导入环节，借助“最早的疲劳试验”和“Whler 曲线”2 个历史故事，让学生了解知识形成发展的历史脉络和内在逻辑，激发求知欲和探索精神；（2）通过对金属材料疲劳试验国家标准相关规定和要求的学习，让“敬畏标准，规范做事”的理念入脑入心；（3）通过对高年级同学参与开发的虚拟实验系统的观摩，体验力学、实验技术和计算机科学等多学科的完美结合，同时树立起身边的学习榜样，激发“我也能、我将能”的坚定斗志和信心；（4）从广为接受的应力寿命关系数学模型中，让学生学会发现和认识科学公式的简洁形式美。由此实现课程思政的德育目标：激发学生求知欲和探索精神，树立“敬畏标准，规范做事”的理念，坚定“我也能、我将能”的斗志和信心，弘扬科学公式的简洁美。三、教学过程设计（一）课程导入 1、通过对上次课所学知识的回顾，引出本次课要讲授的知识点 上次课讲到，疲劳现象发生的前提条件是要有扰动载荷或循环载荷作用。循环载荷的应力水平是决定疲劳寿命的最重要因素。问题导入：应力水平和疲劳寿命之间存在怎样的关系？如何获得应力-寿命关系呢？开展疲劳试验的目的就是要建立材料的应力-寿命关系。2、背景知识介绍 介绍 2 个历史故事2，让学生了解知识形成发展的历史脉络和内在逻辑，激发求知欲和探索精神！（1）最早的疲劳试验 1838 年，德国采矿工程师 Albert 将矿山升降机链条的一端跨过一个直径约为 3.6m 的圆盘后受载，通过一个曲柄连接器带动扇形块，使圆盘来回摆动，链节因此受到每分钟 10 次的反复弯曲载荷作用，总计达 105 循环周次。这是有记录的最早开展的疲劳试验。见图 1。228 西南交通大学学报（社会科学版）第 24 卷 图 1 Albert 及其疲劳试验装置 （2）Whler 曲线 针对车轴的疲劳问题，德国工程师 Whler 在 1852 年至 1869 年间开展了系统的研究，设计和制造了世界上第一台旋转弯曲疲劳试验机，加载频率 1.2Hz。对一个试样最长做了 132250000 周次的试验，耗费约 3 年半的时间。由于在疲劳试验方面的巨大贡献，Whler 被后世尊称为“疲劳试验之父”。1867 年，巴黎博览会展出了他的车轴疲劳试验结果。1871 年，当地报纸用整版篇幅介绍了他的疲劳试验机和疲劳试验结果。目前，这台疲劳试验机收藏在慕尼黑自然博物馆。见图 2。图 2 Whler 及其疲劳试验报道 Whler 采用表格形式给出了疲劳试验结果。其继任者 Spangenberg 将这些数据整理后用曲线表达出来，称为应力-疲劳寿命曲线或“S-N 曲线”。为了纪念 Whler，1936 年以后人们将 S-N 曲线称为“Whler 曲线”。见图 3。图 3 S-N 曲线或 Whler 曲线 增刊第 2 期 229 杨新华 力学专业课“疲劳与断裂”课程思政教学实践（二）主要知识点的教学 1、裂纹萌生或失效的判定（1）脆性材料：小尺寸试样发生断裂；（2）延性材料：小尺寸试样出现可见小裂纹或 5-15%的应变降。互动环节：为什么脆性材料和延性材料有不同的裂纹萌生或失效判定标准？（请学生略作思考以后做出回答）2、国家标准的规定和要求 在国家标准金属材料 疲劳试验 轴向力控制方法（GB/T3075-2008）3中，对试样形状、加工和安装质量，以及载荷和环境条件等，都有明确的规定和要求。（1）试样形状：圆形或矩形截面。（2）载荷和环境条件：应力比 R=-1，室温。（3）试样加工质量：平行度、同轴度和垂直度0.005d（d 为试样直径）；表面粗糙度Ra0.2m。（4）试样安装同轴度：弯曲应变5%的轴向应变。必须严格遵照执行！让“敬畏标准，规范做事”的理念入脑入心！3、金属材料疲劳虚拟仿真实验展示 播放金属材料疲劳虚拟仿真实验录屏视频，见图 4。通过观看视频，让学生初步了解金属材料试验的目的、主要内容、基本步骤或流程、获得的主要数据及其处理方法，以及结果的呈现方式等。这些知识还会在课后的实体实验中有进一步的认识和了解。华中科技大学 2016 级工程力学专业 2 名学生（刘琰和邵贤民）在本科毕业设计期间参与了该系统的研发。通过观摩，让学生体验力学、实验技术和计算机科学等多学科的完美结合，同时借此树立身边的榜样，激发他们“我也能、我将能”的坚定斗志和信心。图 4 金属材料疲劳虚拟仿真实验系统 4、S-N 曲线的一般形状和主要特征（教学重点）（1）应力幅越低，寿命越长。因此，S-N 曲线是单调下降的；（2）应力幅小于某个极限值时，试样永远都不会发生破坏，寿命趋于无限大。因此，S-N 曲线存在一条水平的渐近线。（3）疲劳强度（fatigue strength）：与寿命 N 对应的应力，称为寿命为 N 的疲劳强度，记作 N；（4）疲劳极限（endurance limit）：寿命 N 趋于无穷大时所对应的应力，称为材料的疲劳极限，记作 f。互动环节：材料的疲劳强度与静强度极限有怎样的相似和不同之处？5、S-N 曲线的数学模型（1）Whler 公式 德国工程师 Whler 最早提出了一个指数形式的表达式：230 西南交通大学学报（社会科学版）第 24 卷 式中，m 和 c 是与材料、应力比、加载方式等有关的参数。（2）Basquin 公式 1910 年，Basquin 在研究材料的弯曲疲劳特性时，提出了描述材料 S-N 曲线的幂函数表达式：（3）Stromeyer 公式 Whler 公式和 Basquin 公式虽然简单明了，但是不能表达 S-N 曲线存在水平渐近线的事实。1914年，Stromeyer 基于 Basquin 公式提出了一个新的表达式：公式中引入了疲劳极限 f。上述三个公式在形式上都具有一个共同特点：非常简洁。引导学生在学习和研究中，逐步懂得发现、欣赏，进而追求科学公式简洁的形式美。互动环节：相对于 Basquin 公式，Stromeyer 公式的优势体现在哪里？6、S-N 曲线的近似估计（教学难点）在缺乏试验结果或无法开展试验的情况下，可以依据材料的静强度数据对材料的疲劳极限和 S-N曲线进行简单估计。（1）疲劳极限估计 通过大量不同材料的旋转弯曲疲劳试验发现，一些常用金属材料在极限强度不超过 1400MPa 时，疲劳极限与极限强度之间满足近似线性关系，而在极限强度超过 1400MPa 以后，疲劳极限变化不再明显。考虑到加载方式的影响，疲劳极限与极限强度一般存在下述经验关系：式中，k 与加载方式有关。利用上述关系，可以根据材料的极限强度，估计疲劳极限。（2）S-N 曲线估计 如果已知材料的疲劳极限和极限强度，就可以用下述方法对 S-N 曲线作偏于保守的估计。假定 N=103对应的疲劳强度为 0.9u，另外还可以偏于保守地假定对应于疲劳极限 f的寿命为 106次。根据 Basquin 公式，有 和 联立以上两式求解可得 m 和 c。互动环节：什么情况下需要做材料的 S-N 曲线估计？（三）知识点总结 增刊第 2 期 231 杨新华 力学专业课“疲劳与断裂”课程思政教学实践（1）S-N 曲线是单调下降的，有一条水平渐近线。与给定寿命对应的应力，称为疲劳强度，而与无限大寿命对应的应力，则称为疲劳极限；（2）描述 S-N 曲线的常用模型有 Whler 公式、Basquin 公式和 Stromeyer 公式，其中 Basquin公式应用最广；（3）在已知材料极限强度的情况下，可以近似估计疲劳极限和 S-N 曲线，以用于初步设计。四、实施效果 以上教学设计在华中科技大学工程力学 2018 级“疲劳与断裂”课程的教学中已经采用。通过互动环节的课堂提问、课后个别交流或访谈等方式，调查和了解了实施效果。结果如下：（1）受课堂时间限制，课堂提问主要针对 S-N 曲线的一般形状、主要特征及其近似估计方法等教学的重难点进行。从回答的情况来看，学生对知识的理解和掌握情况非常好。（2）针对教学内容和素材的组织，教学手段和方法的运用，以及在“坚定斗志和信心、培养规范做事习惯、激发求知欲和探索精神、弘扬真善美”等方面开展的正面引导等，教师在课后和部分学生进行了个别交流或访谈。学生总体认为，教学中思政素材的导入并不突兀，课堂上也没有感觉到有刻意的痕迹，而且非常认可上述思政教育目标，认为对成长有益。这说明我们在思政素材的选择，以及思政素材与主要知识点的结合等方面所做的工作，取得了比较好的效果。参考文献：1 杨新华，陈传尧，编著.疲劳与断裂（第二版）.武汉：华中科技大学出版社，2018.2 王光中，等，译，S.Suresh，著.材料的疲劳（第二版）.北京：国防工业出版社，1999.3 中华人民共和国国家标准.金属材料 疲劳试验 轴向力控制方法（GB/T3075-2008）.2008.Practice of Ideological and Political Teaching in Fatigue and Fracture as a Mechanics Specialty Course YANG Xinhua Abstract:Taking the practice of ideological and political teaching in the basic S-N curve class of“fatigue and fracture”course as an example,this paper introduces how to deal with the relationship between ideological and political teaching and knowledge teaching in classroom teaching.According to the characteristics of the knowledge to be taught,diversified materials for ideological and political teaching should be fully excavated,and their right entry points into the knowledge should be also chosen,to form a good collaboration between the knowledge and ideological and political teaching materials and a seamless connection of knowledge teaching and ability training with value guidance,just like salt into water.Key words:fatigue and fracture;curriculum ideology and politics;teaching design