提高工程力學(xué)實驗教學(xué)質(zhì)量 培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力

劉紅彬，王建強，楊永明

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京100083)

《國家中長期教育改革和規(guī)劃綱要(2010—2020年)》(簡稱綱要)的戰(zhàn)略目標是:“到2020年，基本實現(xiàn)教育現(xiàn)代化，基本形成學(xué)習(xí)型社會，進入人力資源強國行列”。構(gòu)建高教創(chuàng)新性人才培養(yǎng)模式，培養(yǎng)一批全面發(fā)展的高素質(zhì)專業(yè)人才和新人才是落實這一戰(zhàn)略目標的重要舉措［1］。為貫徹落實《綱要》的要求，當今高等教育的模式和內(nèi)容逐漸發(fā)生了變革，其中一個表現(xiàn)就是在強調(diào)理論基礎(chǔ)教育的同時，實驗教學(xué)越來越得到重視和加強。

實驗教學(xué)是學(xué)生進行實踐學(xué)習(xí)的重要形式之一，它將理論與實踐相結(jié)合，有助于培養(yǎng)學(xué)生樹立嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度，鍛煉從事科學(xué)實驗的基本素質(zhì)，是訓(xùn)練技能和培養(yǎng)創(chuàng)新思維的重要手段。加強實驗教學(xué)工作，對提高學(xué)生綜合分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)高素質(zhì)人才，提高高校的教學(xué)水平至關(guān)重要［2］。

工程力學(xué)是一門理論和實踐聯(lián)系緊密的課程，工程力學(xué)實驗是工程力學(xué)教學(xué)體系的重要組成部分，也是工科學(xué)生培養(yǎng)實踐能力和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)［3，4］。它既是工程力學(xué)課程的延伸，又有助于鞏固和加深對基本概念和理論的理解。

中國礦業(yè)大學(xué)(北京)工程力學(xué)實驗中學(xué)(以下簡稱實驗中心)承擔(dān)了學(xué)校半數(shù)以上本科同學(xué)的工程力學(xué)實驗課程，根據(jù)專業(yè)的不同，實驗教學(xué)在學(xué)時數(shù)上有一定區(qū)別，但通過采取一定措施，實驗中心教師最大程度上幫助學(xué)生了解和掌握相關(guān)測試方法，鍛煉他們的觀察能力、動手能力和創(chuàng)新意識，不斷提高教學(xué)效果。為此，實驗中心教師在實驗教學(xué)中注重做好以下幾方面的工作。

一、抓好課前講解和課后總結(jié)環(huán)節(jié)

工程力學(xué)實驗的實踐性強，學(xué)生之前很少接觸此類內(nèi)容，對試驗樣品、試驗機、應(yīng)變儀、應(yīng)變片等測試設(shè)備和材料的概念較少，日常生活也很難接觸到。盡管課前教師都會要求同學(xué)進行預(yù)習(xí)，但真正能安排時間預(yù)習(xí)的學(xué)生并不是很多。為了保證實驗教學(xué)的效果，實驗開始前，教師會仔細講解本次試驗的內(nèi)容，包括實驗原理、實驗設(shè)備、實驗材料、實驗步驟、實驗中的注意事項等，和同學(xué)們一起把整個實驗過程串起來，在講解中，注重強調(diào)相關(guān)測試規(guī)范及實驗注意事項，這樣，既復(fù)習(xí)鞏固了已學(xué)的理論知識，又幫助學(xué)生了解和把握了此次實驗課的重點，為保證實驗效果打下良好基礎(chǔ)。

如金屬材料的拉伸和壓縮實驗，教師通過金屬材料變形破壞的階段、抗拉和抗壓強度、屈服強度、伸長率、斷面收縮率等概念，幫助學(xué)生復(fù)習(xí)所需的理論知識。介紹金屬材料及其分類時，講解金屬材料的脆性和塑性的定義，以及日常接觸到哪些金屬材料是脆性、哪些是塑性等基本概念，進一步拓展學(xué)生的知識面。對實驗所用的脆性和塑性材料(低碳鋼和鑄鐵)，可以通過材料的外觀和碰撞后的聲響等簡要方法進行鑒別，增強學(xué)生的觀察和辨別能力。同時提出問題請學(xué)生思考，例如，棒狀材料的直徑量測時如果3次量測值大小不同，此時應(yīng)選擇直徑的平均值還是最小值?棒狀試樣的直徑相同但是平行段長度不同，所測出的延伸率是否相同等問題。在實驗過程中，教師注重建立一個寬松的氛圍，讓學(xué)生積極動手、動腦、動口，激發(fā)他們對實驗的興趣和熱情，主動完成實驗，而不是抱著消極或者應(yīng)付的態(tài)度去學(xué)習(xí)。

此外，每次實驗結(jié)束后，教師都對本次實驗進行細致的總結(jié)，和學(xué)生一起分析實驗現(xiàn)象以及出現(xiàn)的問題。如金屬拉伸時，有些同學(xué)量測得到樣品的斷面收縮率為負值;對扭轉(zhuǎn)實驗，如果實驗樣品不是棒材而是立方體板材，那么材料的斷裂形式和扭矩如何等問題。鼓勵同學(xué)們動腦思考，進一步探究產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因。通過以上方式，在鍛煉學(xué)生動手能力的同時，也鞏固和加強了對理論知識的理解。

二、結(jié)合工程和生活實例，提高實際應(yīng)用能力

力學(xué)是人類認識自然和改造自然的結(jié)晶，力學(xué)的基本規(guī)律是人們通過長期生產(chǎn)實踐和大量科學(xué)實驗，經(jīng)過綜合、分析和歸納總結(jié)出來的，源于實驗并在生產(chǎn)實踐中得到發(fā)展［5］。根據(jù)力學(xué)學(xué)科的特點，教師在實驗教學(xué)中注重將與工程和生活實際相關(guān)的實例貫徹到教學(xué)工作中。

如完成金屬材料的拉伸和壓縮實驗后，教師會根據(jù)實驗中得到的低碳鋼和鑄鐵兩種材料的抗壓、抗拉強度以及受載后的變形情況，引導(dǎo)學(xué)生在現(xiàn)實生活中尋找這兩種材料的應(yīng)用。經(jīng)過思考，同學(xué)們會聯(lián)系到金工實習(xí)中用到的車床和銑床的底座、齒輪，生活中的水管，公路上的井蓋，甚至家中窗外的金屬護欄等材料，并討論分析采用這種材料的原因，不僅活躍了課堂氣氛，也幫助學(xué)生把課程中學(xué)到的知識與工程實際和生活實際緊密結(jié)合起來。

通過將自己動手得到的實驗結(jié)果與接觸到的工程實際和現(xiàn)實生活相結(jié)合的方式，鼓勵和引導(dǎo)學(xué)生細致地觀察事物，從中提出問題和分析問題［6］，從而加強學(xué)生在工程實踐中的綜合判斷能力，培養(yǎng)他們的獨立思考、解決問題的能力。

三、改革實驗內(nèi)容，增加設(shè)計性和綜合性實驗

隨著社會發(fā)展和科技進步，工程力學(xué)實驗所涉及的材料、方法等發(fā)生了較大變化，因此不斷調(diào)整和更新實驗教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生能接觸和學(xué)習(xí)到一些新知識和新技能，更有益于提高教學(xué)效果。

傳統(tǒng)的工程力學(xué)實驗主要包括材料拉伸和壓縮實驗、扭轉(zhuǎn)實驗、彈性模量和泊松比測定實驗、純彎梁的正應(yīng)力測定實驗等基本實驗，如圖1所示的多功能加載臺，該設(shè)備主要用于完成純彎梁的正應(yīng)力測定、彎扭組合等實驗，實驗中心教師利用該設(shè)備，開展了一些綜合性和設(shè)計性實驗。

以疊梁實驗為例(如圖2所示)，傳統(tǒng)的純彎梁正應(yīng)力實驗，主要是用來驗證材料力學(xué)關(guān)于梁彎曲時正應(yīng)力在橫截面上的分布規(guī)律，其中的理論問題在理論教材中有明確的介紹，但工程中的一些結(jié)構(gòu)是由多層梁疊合成，為此，在實驗教學(xué)中將單一梁的正應(yīng)力實驗改為疊梁實驗，指導(dǎo)同學(xué)測試疊梁的中性層和正應(yīng)力分布規(guī)律，又通過鋼鋼復(fù)合梁、鋁鋁復(fù)合梁和鋼鋁復(fù)合梁等不同材料的實驗，引導(dǎo)學(xué)生去研究疊梁的材料或者尺寸不同時，其實驗結(jié)果又會呈現(xiàn)怎樣的變化規(guī)律。最后加以理論指導(dǎo)，幫助學(xué)生加深對課程的理解。

圖1 多功能實驗臺

圖2 鋼鋁復(fù)合梁實驗

為力學(xué)專業(yè)的學(xué)生設(shè)計了綜合實驗，例如將梁與光測力學(xué)相結(jié)合，在梁上粘貼反射光彈片，通過反射光彈儀測量條紋級數(shù)，觀察此梁在不同位置時的條紋變化，計算和分析梁受載時的應(yīng)力變化規(guī)律。

通過增加設(shè)計性和綜合性實驗，鍛煉學(xué)生在實驗中發(fā)現(xiàn)問題、思考問題和解決問題的能力，獲得了書本上沒有的結(jié)論，不但加強了學(xué)生的實驗技能，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究意識，進一步提高教學(xué)效果。

四、通過創(chuàng)新計劃培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力

自2007年以來，中國礦業(yè)大學(xué)(北京)為貫徹落實教育部“質(zhì)量工程”的政策精神，實施了“大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃”，通過開展以學(xué)生為主體的創(chuàng)新性實驗教學(xué)，提高其創(chuàng)新實踐能力，并從2011級本科生起全面實施“大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目”。項目為期2年，項目執(zhí)行期內(nèi)，在指導(dǎo)老師的輔導(dǎo)和幫助下，學(xué)生自主完成項目所需研究條件的準備、研究方案的實施、總結(jié)研究成果和撰寫結(jié)題報告等訓(xùn)練內(nèi)容，使學(xué)生切實得到科學(xué)研究的鍛煉，提高創(chuàng)新實踐的能力。

在“大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目”的支持下，借助中國礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室和材料力學(xué)專業(yè)實驗室的研究條件，分別指導(dǎo)學(xué)生開展了巖石等材料孔隙模型的數(shù)值計算、高性能混凝土的力學(xué)性能等訓(xùn)練項目和訓(xùn)練計劃。使學(xué)生從文獻的查詢和研讀、科研讀書報告的撰寫，相應(yīng)的力學(xué)概念和理論知識，以及實驗計劃的制定和執(zhí)行，測試和數(shù)值計算方法等多方面得到培養(yǎng)和鍛煉，為他們今后的理論學(xué)習(xí)和讀書深造打下基礎(chǔ)，同時也促進了教學(xué)水平的提高。

此外，在中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力建學(xué)院和力學(xué)系的組織、支持下，實驗中心對參加第九屆全國周培源大學(xué)生力學(xué)競賽“基礎(chǔ)力學(xué)實驗”的團隊進行了精心指導(dǎo)，并最終獲得了團體優(yōu)秀獎，極大提高了學(xué)生的實驗熱情和研究能力。

五、結(jié)束語

工程力學(xué)實驗與專業(yè)課以及工程實踐密切相關(guān)，通過改進教學(xué)方法，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動參與性，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣和熱情，進而培養(yǎng)觀察問題、分析問題和解決問題的能力，樹立獨立思考、嚴謹?shù)淖黠L(fēng)，才有助于提高教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。

［1］ 謝淑海，隗峰，姚元全．構(gòu)建高教創(chuàng)新性人才培養(yǎng)模式 落實教育規(guī)劃綱要［J］．中國電力教育，2011(19):15-16，18．

［2］ 徐步青，齊月芹．以學(xué)生為中心的工程力學(xué)實驗教學(xué)改革［J］．中國電力教育，2012(1):99-100．

［3］ 周晚林．改革力學(xué)課程提高學(xué)生工程素質(zhì)［J］．理工高教研究，2006，25(1):76-78．

［4］ 王建祥，蘇枋，葛倚汀．工程力學(xué)實驗教學(xué)的改革與探索［J］．實驗技術(shù)與管理，2010，27(1):130-133．

［5］ 賈有權(quán)，亢一瀾．力學(xué)實驗與實驗力學(xué)［J］．力學(xué)與實踐，2000(22):68-70．

［6］ 朱云，顧永強．實驗力學(xué)教學(xué)中創(chuàng)新能力的培養(yǎng)［J］．中國冶金教育，2012(1):34-34，40．