淺談材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

夏興有++鄒廣平++曲嘉

摘要：本文依據(jù)多年實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，分析材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題，提出實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的新理念，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容體系，改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，提高材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。

關(guān)鍵詞：材料力學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)改革

作為一門工科專業(yè)學(xué)生的技術(shù)基礎(chǔ)課，材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)課可以使學(xué)生對所學(xué)的力學(xué)理論有更深入的理解。該實(shí)驗(yàn)課要求學(xué)生親自動手操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備，學(xué)生在上課期間還可交流學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)的方法，能夠培養(yǎng)大學(xué)生的動手能力以及解決實(shí)際問題的能力 。材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容具有深厚的工程背景，有利于培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，提出、分析和解決實(shí)際工程問題的能力。然而，現(xiàn)有的教學(xué)模式、教學(xué)方法過于簡單，教學(xué)內(nèi)容陳舊，嚴(yán)重制約學(xué)生能力培養(yǎng)。為此，必須進(jìn)行材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)改革，提高材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量。通過豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等方式，提高學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新意識 。

1 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程主要存在的問題

材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程主要存在以下幾個(gè)問題：實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單調(diào)，內(nèi)容與工程實(shí)際脫節(jié)。因此學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的積極性并不高；材料力學(xué)具有豐富的內(nèi)涵知識，但學(xué)生大多對其重視程度不足；材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容總體不夠豐富，尤其缺少綜合性實(shí)驗(yàn)和帶有一定設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)，原有的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容操作容易、非常簡單，不能引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，與大學(xué)物理以及電工等實(shí)驗(yàn)相比，材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)理論計(jì)算少，學(xué)生錯(cuò)誤地認(rèn)為材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)不嚴(yán)謹(jǐn)；由于材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的需要，很多實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目用都是大型的儀器和設(shè)備。實(shí)驗(yàn)儀器嚴(yán)重缺乏，教學(xué)設(shè)備不能及時(shí)更新，導(dǎo)致學(xué)生分組人數(shù)過多，很多學(xué)生處于只能“看”實(shí)驗(yàn)的被動局面，現(xiàn)代教學(xué)大多使用多媒體等現(xiàn)代化的技術(shù)手段，但我們的實(shí)驗(yàn)教材還沒能很好地與其結(jié)合在一起。

2 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)改革

2.1 轉(zhuǎn)變實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念

原有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大多只重視理論教學(xué)，輕視實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，我們要摒棄這種陳舊的觀念，樹立起實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)并重且協(xié)調(diào)發(fā)展的全新觀念。這種教學(xué)氛圍要在教師和學(xué)生之間形成。同時(shí)，充分認(rèn)識到實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)在高校教學(xué)和科學(xué)研究中的重要支撐作用。

明確實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的：實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)不僅能傳授專業(yè)知識和技能，同時(shí)能提高學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新意識，學(xué)生們運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)知識發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題。提升學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，也是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意義所在。力學(xué)教育家Stephen P.Timoshenko曾說過：“理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果在材料力學(xué)研究中具有同等重要的地位，材料力學(xué)的歷史是理論和實(shí)驗(yàn)二者最好的融合?！?/p>

2.2 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容體系

充分考慮到培養(yǎng)大學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)技能、創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力、工程實(shí)踐能力和科學(xué)研究等能力，根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)方案，構(gòu)建科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)踐教學(xué)內(nèi)容體系。構(gòu)建以強(qiáng)化學(xué)生動手實(shí)踐能力、創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力和自主學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)為核心的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容體系，依據(jù)力學(xué)學(xué)科發(fā)展的需要，添加新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，使不同專業(yè)的學(xué)生都能享有優(yōu)質(zhì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，強(qiáng)化學(xué)生的基礎(chǔ)力學(xué)素質(zhì)培養(yǎng)，全方位地培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。

構(gòu)建多個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)層次。即：經(jīng)典實(shí)驗(yàn)層次、綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)層次、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)層次和科研實(shí)驗(yàn)層次。經(jīng)典實(shí)驗(yàn)層次主要針對材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)中的金屬材料拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)等實(shí)驗(yàn)，學(xué)生掌握電子萬能試驗(yàn)機(jī)和扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)等設(shè)備的操作方法，對經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的基本原理更加熟悉，同時(shí)也能進(jìn)一步地培養(yǎng)學(xué)生們觀察、記錄以及處理實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)等方面的能力；綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)層次主要包含兩個(gè)方面：設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)生通過進(jìn)行較復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)探索及研究，可實(shí)現(xiàn)對其動手能力的進(jìn)一步培養(yǎng)，同時(shí)讓學(xué)生在掌握實(shí)驗(yàn)方法的同時(shí)，著重對實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行全面理解和對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行深入的分析與探索，從而得出正確的結(jié)論；創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)層次開設(shè)的主要目的是通過綜合運(yùn)用所學(xué)知識，提高學(xué)生在解決實(shí)際生活中的工程問題能力；科研實(shí)驗(yàn)層次是利用教師科研課題轉(zhuǎn)化成教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對學(xué)生開放的一種實(shí)驗(yàn)方式，對象是工程力學(xué)專業(yè)的學(xué)生，學(xué)生根據(jù)興趣以及畢業(yè)設(shè)計(jì)選擇研究方向和課題，進(jìn)入教師科研實(shí)驗(yàn)室工作，學(xué)生在這個(gè)過程中得到很好的鍛煉和提升。

2.3 改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

2.3.1基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

以研究型實(shí)驗(yàn)為載體，為學(xué)生搭建創(chuàng)新平臺。在此過程中學(xué)生要對研究內(nèi)容有深入了解，總結(jié)搜集信息，規(guī)劃研究計(jì)劃，執(zhí)行實(shí)驗(yàn)流程，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，剖析處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最后以論文的形式呈現(xiàn)，也可以自主創(chuàng)新，通過不同的形式給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這種實(shí)驗(yàn)研究既可以培養(yǎng)學(xué)生主動探索的精神，又能培養(yǎng)學(xué)生遇到難題時(shí)的處理能力。為了配合這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的實(shí)施，力學(xué)實(shí)驗(yàn)室研制和開發(fā)多種小型設(shè)備，包括“小型疲勞試驗(yàn)機(jī)”“一點(diǎn)應(yīng)變花測量儀”和“積木式組合實(shí)驗(yàn)臺”等。這些儀器的研制給學(xué)生創(chuàng)造了極大的遐想空間，使其充分發(fā)揮創(chuàng)造力，同時(shí)還能提高學(xué)生的實(shí)際操作能力。通過親身對實(shí)驗(yàn)儀器的操作，學(xué)生的動手能力得到鍛煉和提高，學(xué)生通過科學(xué)的分析和嚴(yán)密的邏輯推理來得到最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提升對實(shí)驗(yàn)研究的總結(jié)概括能力，其意義是培養(yǎng)學(xué)生的科研能力和對知識的綜合利用能力。

2.3.2基于虛擬實(shí)驗(yàn)室的自主學(xué)習(xí)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

為了提高學(xué)生的自主科研能力，模擬建立了材料力學(xué)的仿真實(shí)驗(yàn)室。我們對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的總體要求是盡量采用真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境?；谶@個(gè)原則，經(jīng)典實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)不需要建設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)，主要對實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的課題和在現(xiàn)有資源中實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)困難的項(xiàng)目進(jìn)行模擬仿真。我們開發(fā)了十幾個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，主要集中在電測法應(yīng)用，在高溫、高壓、強(qiáng)磁場等特殊環(huán)境下對金屬材料進(jìn)行性能測試。建立多個(gè)光測法虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，光測法由于在制做模型時(shí)會釋放出有毒氣體，而且模型制作成本高，加工難道大等問題，進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)解決了上述問題，使兩個(gè)學(xué)時(shí)的演示實(shí)驗(yàn)增加到十個(gè)學(xué)時(shí)的虛擬實(shí)驗(yàn)。學(xué)生不受時(shí)間和空間限制，學(xué)生多次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不涉及耗材等問題，實(shí)驗(yàn)成本低，可反復(fù)調(diào)節(jié)，還可以進(jìn)行極端條件下的實(shí)驗(yàn)，增加學(xué)生對實(shí)驗(yàn)深入認(rèn)識和理解。其優(yōu)點(diǎn)是便于創(chuàng)建、費(fèi)用低和掌控方便。實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚍磸?fù)進(jìn)行，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的熟練程度也能大大提升，節(jié)省實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間。

加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新平臺的建設(shè)是為了推進(jìn)學(xué)生更好地自主學(xué)習(xí)。目前該創(chuàng)新平臺主要面對三類學(xué)生：第一種是學(xué)生自帶特定的實(shí)驗(yàn)問題，到實(shí)驗(yàn)室自主開展研究型工作的；第二種是學(xué)生對實(shí)驗(yàn)室固定的實(shí)驗(yàn)題目有興趣的；第三種是學(xué)生參與到教師的科研課題中。這類實(shí)驗(yàn)研究的主要特點(diǎn)是：由于課題的特殊性，在該階段學(xué)生只有相關(guān)的研究課題，沒有實(shí)驗(yàn)原理或?qū)嶒?yàn)步驟作為支持，該類型的實(shí)驗(yàn)研究留給學(xué)生極大的思考空間，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)造性。學(xué)生結(jié)合學(xué)過的專業(yè)知識技能，依據(jù)自身能力有根據(jù)地在實(shí)驗(yàn)中融入自己的想法和創(chuàng)新，通過在實(shí)驗(yàn)室的工作經(jīng)驗(yàn)，使設(shè)想變成現(xiàn)實(shí)。這類實(shí)驗(yàn)沒有既定的條框，在沒有“標(biāo)準(zhǔn)答案”的環(huán)境中，學(xué)生可以最大化地發(fā)揮自己的個(gè)性和創(chuàng)造性。

3 結(jié)束語

結(jié)合我校力學(xué)學(xué)科的創(chuàng)辦特點(diǎn)以及學(xué)校的辦學(xué)特色，全面推進(jìn)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念、內(nèi)容、方法、手段和模式等方面改革與深化，其目的在于提高學(xué)生分析和解決問題的能力，響應(yīng)國家培養(yǎng)全面發(fā)展的高素質(zhì)、創(chuàng)新型人才的號召。將培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的理念始終貫穿于材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革過程，樹立正確的實(shí)驗(yàn)教學(xué)觀念，發(fā)揮實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)創(chuàng)新人才領(lǐng)域的重要作用。

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編輯/岳 鳳endprint