材料力學實驗教學改革與創(chuàng)新人才培養(yǎng)

劉雯雯， 杜云海， 王 志， 劉冰雁

(鄭州大學力學與工程科學學院，河南鄭州450001)

0 引言

目前是一個國際化的知識經(jīng)濟時代，社會對人才的需求也逐漸轉化為對高素質、綜合性人才的需求。因此，加強對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)成為高等教育的主要任務。與理論教學相比，實驗教學或許更有利于對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，實驗室可以讓學生從實踐中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題并將所學到的知識運用到實際當中去。高校要培養(yǎng)具有實踐能力、創(chuàng)新能力和綜合能力的應用型人才，以適應21世紀社會對人才的需求［1］。

1 實驗教學現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的力學實驗教學重理論輕實驗。實驗教學多是以教師按照多年固定的模式向學生傳授實驗知識和方法，使學生對實驗知識形成一種被動的接受，完全依賴于教師的講解完成實驗全過程。從而扼殺了學生的主動性、積極性和創(chuàng)造性，使學生不能自主學習，其創(chuàng)新精神和實踐能力都不能得到充分的發(fā)揮，實驗教學達不到培養(yǎng)學生動手能力的目的。

實驗教學內(nèi)容均以理論驗證性實驗為主的基礎實驗［2-4］。主要有金屬材料的拉伸、壓縮、扭轉以及梁的彎曲正應力和彎扭主應力的驗證性實驗。內(nèi)容單一，形式固定，工程實驗背景不強，使學生無法與工程實際相聯(lián)系，影響了學生的學習興趣和熱情［5］。

隨著高校的擴招，大學生在校人數(shù)不斷增多，以往的實驗場地及設備數(shù)量遠遠不能滿足現(xiàn)有學生人數(shù)的使用要求。從而形成了實驗過程中個別人操作，多數(shù)學生觀摩和記錄的現(xiàn)象。這就導致了許多學生抄襲以及對實驗敷衍的心理。另外，實驗室儀器及實驗設備標準老化，也已經(jīng)不能滿足新時代、新規(guī)范的使用要求。這一切都直接影響了實驗的教學效果。

理論來源于實踐，由于教師很少有機會到工地參加實踐，難以對工程實際問題有全面的認識和了解，這樣就無法更好地結合工程實際使實驗內(nèi)容更豐富起來，從而不能激發(fā)起學生對實驗的興趣和積極性。

對于實驗的考核，成績主要源于實驗報告的內(nèi)容批改。由于設備數(shù)量的限制，形成了多人一組，這樣就出現(xiàn)了學生實驗報告相互抄襲，直接導致了學生對實驗教學不重視的態(tài)度。

很多學生實驗課結束后，就認為是任務完成了，對實驗數(shù)據(jù)的處理不夠重視，經(jīng)常抄襲其他同學的結果，也不對結果進行分析。其實，力學實驗的數(shù)據(jù)處理和分析是很重要的一部分內(nèi)容，這要求學生把繁瑣的數(shù)據(jù)處理完，并和實際目標相比較，分析誤差出在哪里，學會用逐差法、最小二乘法等數(shù)據(jù)處理方法來處理實驗數(shù)據(jù)，分析實驗中的不確定度，找到實驗結果不理想的因素，以便改進實驗。

2 實驗教學改革

首先改革傳統(tǒng)的教學模式。改變以往只注重知識的傳授，以灌輸為主的方式。新的教學方法，在教學過程中重視啟發(fā)教學，只交代問題的背景、起因和解題思路，讓學生自己開動腦筋，親自動手進行實驗，在實驗中總結并在實驗中發(fā)展。正確引導學生探求問題，確定學生在實驗教學中的主體地位［6-10］。

材料力學與工程實際緊密聯(lián)系在一起，所以我們可以借用多媒體實驗教學讓學生更生動、更全面直觀的了解現(xiàn)場實際問題，加深學生對知識的了解和應用，調(diào)動學生的積極性。使學生真正認識實驗教學的實用性和重要性［11-13］。

材料力學實驗教學內(nèi)容的改革，除保留原有的傳統(tǒng)實驗教學內(nèi)容，把實驗內(nèi)容分為4個層面:

(1)基礎實驗。即金屬材料的拉伸、壓縮、扭轉、剪切和沖擊實驗。此類實驗讓主要學生了解、認識儀器設備的各種性能，能獨立操作完成實驗整個過程，在實驗過程中鞏固深化理論知識。另外在實驗教學中我們還可以結合工程實際，拓展豐富實驗內(nèi)容。例如，可以對現(xiàn)場實際工程材料的檢測試驗(諸如金屬、非金屬材料力學性能的檢測)引入實驗室。讓學生親自動手參加不同材料力學性能的檢測，從中體會實驗的必要性和重要性，調(diào)動起學生的學習興趣和熱情。

(2)綜合性實驗。即梁的純彎曲實驗以及彎扭組合梁的主應力測試。這是一種理論驗證性的實驗。此類實驗可以強化學生對理論知識的理解和應用，并了解、掌握電測法實驗的工作原理及各種組橋的方式和使用方法。可借助于多媒體試驗教學，使實驗內(nèi)容結合工程實際，讓學生更生動具體了解現(xiàn)場試驗的測試方法和手段，加深學生對力學實驗的正確認識。

(3)設計性實驗。以現(xiàn)場工程實際情況為背景，模擬現(xiàn)場實際問題，讓學生展開探索、開動腦筋。學生可以根據(jù)自己的學習興趣和能力設計不同深度的實驗，并親自動手完成各種實驗。例如可以根據(jù)實際的桁架橋，縮小比例，作出相應的桁架模型。學生可以根據(jù)現(xiàn)場實際情況，模擬、設計現(xiàn)場各種工況。先進行理論計算，再進行試驗測試并采集數(shù)據(jù)，把理論數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)進行對比，發(fā)現(xiàn)并分析數(shù)據(jù)出現(xiàn)異同的原因，結合所學知識開動腦筋解決問題。學生在實驗過程中可以鍛煉發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。學習位移傳感器、壓力傳感器、百分表及位移計的使用，掌握電阻應變片的粘貼技術和測試原理以及更多了解電橋電路在實際工程中的應用。

(4)創(chuàng)新性實驗?；谌珖髮W生創(chuàng)新實驗，由指導教師帶領創(chuàng)新實驗小組學生深入實驗室，對感興趣的材料，比如蘆葦纖維、微注塑制品、設備零部件表面超硬涂層等的力學性能作出研究和初探。從實驗方案的設計到實驗材料的購買和加工，從實驗夾頭的CAD圖紙繪制到實際實驗中的加載、記錄、分析、數(shù)據(jù)處理等等，都由學生們逐項親自完成。這樣一方面增加了學生的主動性和積極性，在實驗進行過程中培養(yǎng)了學生們的創(chuàng)新能力，另一方面還培養(yǎng)了學生團隊合作的能力。歷時一年到兩年之后，很多同學都發(fā)現(xiàn)自己學到了很多書本上學不到的知識，通過分析實驗結果并在期刊上發(fā)表文章，也鍛煉了同學們的科研水平，為今后的進一步讀書深造打下了堅實的基礎。

增加、更新設備，做到實驗儀器自動化和現(xiàn)代化。增加實驗組數(shù)，減少每組人數(shù)，盡量給學生創(chuàng)造親自動手獨立操作的機會。開放實驗室，給學生充分的時間和空間［14-15］。

鼓勵高水平的教師下實驗室，并參與現(xiàn)場實踐。形成教學和實驗互相促進的形式，使教學、科研、實驗及工程實踐相互結合相互促進，提高教師的水平，從而提高教學質量。

改革實驗報告內(nèi)容和考核制度。實驗報告是衡量學生對實驗內(nèi)容掌握情況的依據(jù)，它反應學生分析問題和解決問題的能力。報告內(nèi)容應該是更側重于對實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)的分析。評定實驗成績以兩部分為主:一是根據(jù)每個學生在實驗過程中獨立完成的情況及實驗報告中對實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)的分析情況評定成績。二是對積極參加創(chuàng)新和設計性實驗的同學進行加分。采用理論教學和實驗教學的考核成績相結合，其中實驗成績占材料力學總成績的10%。從而促進學生對實驗教學的重視程度。

3 結語

材料力學是土木工程、機械工程專業(yè)的基礎，它起著承上啟下的作用，為結構力學、鋼筋混凝土結構以及結構設計原理的學習打下牢固的基礎。材料力學與工程實際緊密的聯(lián)系在一起，具有很強的實用性。實驗教學是工科院校教學中的重要環(huán)節(jié)，它不僅僅是對理論教學知識的鞏固和補充，也為拓寬學生知識面和激發(fā)學生創(chuàng)新、設計、實驗搭建了一個服務平臺。通過對實驗教學的改革使我們認識到:只有搞好實驗教學的每一個環(huán)節(jié)，才能為人才培養(yǎng)目標打下堅實的基礎，才能培養(yǎng)出具有高素質實踐能力、創(chuàng)新能力和綜合能力的應用型人才。

［1］ 彭宜紅，曹 杰，朱永紅，等.抓住實驗教學各個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)對學生知識、能力、素質的綜合培養(yǎng)［J］.實驗技術與管理，2003，20(2):108-111.

［2］ 張如三，王天明.材料力學［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006.

［3］ 劉鴻文.材料力學［M］.4版.北京:高等教育出版社，2003.

［4］ 杜云海.材料力學(I)［M］.鄭州:鄭州大學出版社，2012.

［5］ 孫建國.關于材料力學實驗教學改革的設想［J］.力學與實踐，2004(3):88-89.

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［7］ 萬 鳴.按專業(yè)類設置材料力學實驗的教學改革實踐［J］.科技創(chuàng)新導報，2009(2):137.

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