基于科研實踐活動的材料力學綜合實驗教學改革與實踐

天水師范學院機電與汽車工程學院 甘肅天水 741001

教學是教師有目的、有組織引導學生學習并掌握科學基礎知識、技能，進而全面提升綜合素質(zhì)的過程[1]?？蒲惺且罁?jù)自身知識，利用科學手段和思維對已存在的客觀事物本質(zhì)、規(guī)律進行系統(tǒng)的調(diào)研、實驗等的相關活動，同時提出新理論、新技術、新產(chǎn)品[2]。教學和科研作為高等院校兩大職能，辯證統(tǒng)一、相互促進，共同組成高校教書育人的環(huán)境，即教學是科研產(chǎn)出的前提，科研是教育質(zhì)量的升華[3]。2018年6月，教育部新時代全國高等學校本科教育工作會議中指出：“要推進科教融合，讓學生盡早參與和融入科研，早進課題組、早進實驗室、早進團隊，加大各級科研基地向本科生的開放力度，提高學生科研實踐能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力?！盵4]因此，通過開設符合應用實際的創(chuàng)新類實驗項目、引入部分科研項目，建立健全多層次實驗教學體系，使學生盡早進入實驗室，接觸科技前沿，培育本科學生所具備的創(chuàng)新、合作和終身學習的能力。

材料力學作為工科各專業(yè)中重要的基礎實驗課程，其項目背景、分析理論和計算方法均源于工程應用，注重實際操作能力的培養(yǎng)[5]。目前，在工科院校的材料力學實驗教學中，基本上是讓學生在一定教學時間內(nèi)，按照教師示范實驗步驟，利用實驗室現(xiàn)有儀器設備，完成相應的驗證性實驗[6-8]。這種不變的教學模式，與實際工程應用嚴重脫節(jié)，使得學生在實驗過程中僅僅處于被動狀態(tài)，限制其創(chuàng)新思維和主觀能動性的發(fā)揮。

近年來，結(jié)合創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育要求，以更為具體、更為系統(tǒng)、更為創(chuàng)新性的工程實際的科研項目為驅(qū)動，改革各類課程教學模式，培養(yǎng)符合時代要求的創(chuàng)新型、應用型人才，是新工科發(fā)展的一條必由之路。為此，天水師范學院(以下簡稱“天水師院”)機電與汽車工程學院在本科生階段引導部分教師將自身科研項目列為研究型開放實驗，通過合理設計教學內(nèi)容、完善教學體系，將材料力學綜合實驗作為試點課程。經(jīng)過一年多的改革創(chuàng)新，以科研項目為基礎的材料力學實驗教學切實提高了學生分析解決實際工程問題和創(chuàng)新實踐能力，初步建立對具體問題的科學性分析體系，取得了良好的教學效果。2018年3月，教育部對天水師院本科教學工作審核評估期間，這種以科研項目為導向的實驗教學方式受到了評估專家的肯定。以天水師院材料力學綜合實驗為教學改革研究對象，介紹該實驗課程改革思路方法、具體措施和效果，為相關專業(yè)實驗課程建設提供借鑒。

1 明確實驗教學目的 優(yōu)化實驗教學模式

高校在設置各類實驗項目時，其目的在于重點培養(yǎng)大學生對所學專業(yè)課知識的理解和運用，同時通過基于科學思維的綜合訓練，強化學生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。因此，提升實驗教學效果，首先要明確并合理設置實驗教學目的。而實驗教學目的是通過一定數(shù)量的基礎實驗、不同階段的綜合實驗和創(chuàng)新實驗實現(xiàn)的。這個過程中，科學的實驗教學內(nèi)容和實驗教學模式在培養(yǎng)學生實際操作能力中起到關鍵作用[9]。

2016年底，天水師院機電與汽車工程學院在中央財政支持地方高校發(fā)展專項資金的支持下，結(jié)合機械工程學科專業(yè)發(fā)展和人才培養(yǎng)目標，根據(jù)學院實際教學科研情況，申報并成功建設材料力學創(chuàng)新實驗室，引入15套材料力學創(chuàng)新實驗平臺(如圖1所示)。首先，對諸如等強度梁、懸臂梁、彎扭組合梁等傳統(tǒng)電測實驗內(nèi)容進行講解，學生經(jīng)過訓練并掌握一定實驗技巧之后，指導教師改變原有“做一遍，仿一遍，寫一遍”的教學模式，主要做了以下創(chuàng)新實踐：以實驗室現(xiàn)有鑄鐵、碳鋼、尼龍、木材等材料為主，學生5人一組，團結(jié)合作，充分發(fā)揮主觀能動性，自主選擇、設計、機械加工成不同類型結(jié)構(gòu)件，并對其特征點進行應變片粘貼和布線。經(jīng)過受力和數(shù)據(jù)測試，分析不同結(jié)構(gòu)件在使用過程中的力學分布和變化趨勢，并給出設計結(jié)構(gòu)中存在問題和改進措施，最后撰寫研究報告。

圖1 材料力學創(chuàng)新實驗室與應變片工具箱

例如，在工程力學經(jīng)典實驗—拉壓扭沖部分中，學生之前僅僅像“聽響聲”一樣完成各部分實驗，數(shù)據(jù)和圖像也是計算機給出，缺乏主動思考過程。針對這一現(xiàn)象，實驗中心整合力學類課程相關教師，結(jié)合材料科學 四要素(組織、性能、加工、應用)關系，以組織與力學性能特征關系作為實驗目的，優(yōu)化和豐富實驗教學模式，將金相分析、斷口分析和硬度測試打包為綜合實驗，并在部分學生中試行。通過在不同實驗室(金相實驗室、掃描電鏡實驗室、工程力學實驗室)觀察典型金屬材料組織結(jié)構(gòu)、力學性能、斷口特征等，分析各參數(shù)相互關系，學生對材料四要素理解和實際操作能力明顯加強，科研興趣和創(chuàng)新意識顯著提高。圖2為改進后工程力學實驗和實驗報告對比?？梢钥闯觯瑢W生實驗過程中團隊合作，分工明確，單一的實驗報告轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂懈釉攲崝?shù)據(jù)和圖像分析的綜合報告。

圖2 材料力學綜合實驗過程與實驗報告

2 引入科研項目 建立創(chuàng)新思維

自1999年高校擴招以來，中國高等教育進入大眾化階段，但這種跨越式發(fā)展也帶來了諸多問題，如教學質(zhì)量降低，學科建設不足，就業(yè)困難，專業(yè)之間、高校之間發(fā)展不平衡等[10]。黨的十八大以來，高等教育的綜合改革不斷深化，教育部和各級教育部門、高校都出臺相關文件和政策，要求要保證擴招后的教育質(zhì)量。在闡述培養(yǎng)什么人才、怎樣培養(yǎng)人才的重要性的同時，提出強化學生創(chuàng)新精神和實踐能力，早進實驗室參與科研項目?？茖W研究作為高校重要職能之一，但實際操作主要集中在教師和研究生階段，本科生很難接觸或進行有效的科研實踐活動[11]。

天水師院作為甘肅省首批應用技術型大學轉(zhuǎn)型發(fā)展試點院校，近年來對機電學院的實驗室建設投入巨大，先后建成并完善了基礎實驗室和相關科研設備；另外，學院教師先后獲得國家自然科學基金、省科技廳、教育廳、市級(校級)科研和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目的資助。這些硬件設備和科研項目提高了本科生綜合分析實驗層次，是提升學生科研和創(chuàng)新思維的重要基礎。為此，學院適時在材料力學實驗和畢業(yè)設計中引入部分教師科研項目，合理設置實驗項目，開放相關實驗室，為學生科研實踐活動提供保障。主要做了以下改革措施。

(1)在前期優(yōu)化實驗教學模式的基礎上，結(jié)合教師科研項目研究方向，挑選2～3個研究內(nèi)容，供學生自由報名選擇，指導教師根據(jù)學生參加科研工作和取得的進展情況作為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)模塊學分。

(2)科研小組每周進行一次科研工作匯報和交流，提出下一階段工作目標；經(jīng)過一段時間的資料收集和文獻閱讀之后，各組撰寫類似“開題報告”的實驗工作預案。

(3)材料制備與加工、分析檢測、繪圖等工作完全由學生自主完成，并自學相關設備操作和軟件分析(如JADE5.0和ORIGIN8.0等)，同時各組推選一名學生為低年級學生做一場科研工作報告會。

(4)最后的撰寫實驗報告改為提交調(diào)研報告，并按照畢業(yè)論文格式撰寫，應有詳盡的研究目的、意義、方法內(nèi)容、實驗與分析過程、結(jié)論等環(huán)節(jié)。

學院實驗中心利用甘肅省科技廳科技支撐計劃項目“高性能鐵基復合材料的粉末冶金成型工藝優(yōu)化與應用研究”，提取科研課題中的“壓制力與組織關系”和“銅含量對組織和性能的影響”作為兩個主要研究方向。學生經(jīng)過資料搜集、實驗過程設計、試樣制備、性能檢測、撰寫報告等將近一年的科研工作，最終獲得了較為理想的實驗結(jié)果，并發(fā)表論文兩篇[12,13]。這個過程中，學生面對未知的科學知識，挖掘了自身的潛在能力，真正實現(xiàn)了從書本到應用的跨越。同時在科研小組成員中，有4位學生在2018年研究生考試中取得優(yōu)異成績，先后被南京工業(yè)大學、蘭州理工大學等高校錄取。圖3和圖4所示為各科研小組工作狀態(tài)圖與部分成果數(shù)據(jù)。

圖4 微觀組織與力學性能分析

3 教師全程引導監(jiān)控 學生階段自我反饋

在做綜合實驗或研究型課題時，指導教師應對整個過程進行監(jiān)控。這里的監(jiān)控不是指實時管理，而是給學生以充分的發(fā)揮空間，讓學生自主提出問題、解決問題，而教師只是在實驗流程和節(jié)奏上做好把控：當學生遇到阻礙或無法自主解決的問題時，教師通過鼓勵使之迎難而上并引導變換思路，給出建議。要充分利用好每周進行的課題組會和階段性檢查，學生以書面和現(xiàn)場討論形式匯報近期研究進展和問題，通過相互交流，達到自我反饋和自我管理的目的。

材料力學綜合實驗最終成績以過程性和結(jié)果性(綜合報告)相結(jié)合的形式呈現(xiàn)。教師關注每組成員在實驗過程中所體現(xiàn)的團隊合作、實際操作能力和最終報告質(zhì)量，并依據(jù)材料力學綜合實驗課程考核說明中的成績指標點給出成績。研究型課題成果匯報和成績考核按照畢業(yè)論文模式進行，學生要匯報項目的研究背景、意義、實驗方法、數(shù)據(jù)成果和總結(jié)，要求有3位教師參加答辯(至少一位具有副高級及以上職稱)，通過質(zhì)詢、討論和閱讀調(diào)研報告，最終給出相應成績。

4 結(jié)語

通過構(gòu)建材料力學綜合實驗與學生科研實踐活動能力關系，合理調(diào)整和擴充教學內(nèi)容，創(chuàng)新教學方法，建立健全開放式的實驗室管理體制，將實驗項目與企業(yè)實際、教師科研相結(jié)合，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力、工程實踐能力。基于一年多的改革實踐，試行學生對基礎知識的理解運用和實踐動手能力明顯要好于未試行學生；科研思維和敏銳性的提高更是為將來進一步深造和新材料的研發(fā)工作打下良好的基礎。本課題組在基于材料力學綜合實驗教學改革的過程中，將教學模式、教學內(nèi)容、教學觀念進行了大膽有效的創(chuàng)新，搭建了基礎實驗與科研項目相互促進的教學平臺，對其他實踐教學具有積極的借鑒作用。