材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索與創(chuàng)新

劉曉明 李明林 鐘建華 鎖要紅

0 引言

材料力學(xué)本身的性質(zhì)決定了實(shí)驗(yàn)教學(xué)在材料力學(xué)整個(gè)教學(xué)過(guò)程中是必不可缺的重要環(huán)節(jié)，這是因?yàn)榇罅康牟牧蠙C(jī)械性能的測(cè)定是建立材料力學(xué)本構(gòu)關(guān)系及理論的基礎(chǔ)。同樣地，材料力學(xué)的定律及理論是否符合客觀實(shí)踐，也必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。因此，材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)材料力學(xué)教學(xué)至關(guān)重要。

隨著時(shí)代發(fā)展，目前的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)逐漸無(wú)法滿足本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要，無(wú)法調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和主觀能動(dòng)性，難以使學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力得到真正的培養(yǎng)和提升[1]。本文首先分析當(dāng)前材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，然后提出一些改革措施，希望能夠進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提升學(xué)生的整體實(shí)力。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

目前材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在許多問(wèn)題，如實(shí)驗(yàn)課時(shí)少、學(xué)生不夠重視等。結(jié)合筆者多年來(lái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，以下兩點(diǎn)最為突出。

1.1 教學(xué)內(nèi)容相對(duì)簡(jiǎn)單

目前，材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)一般可分為三大類：測(cè)定材料機(jī)械性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證材料力學(xué)理論的實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析。由于材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)在理論課程中的輔助定位及課時(shí)限制，大部分高校的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容還是以演示性實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)較少甚至沒(méi)有。老師基本是采用演示方法授課，學(xué)生只是被動(dòng)接受。此外，學(xué)生課前沒(méi)有預(yù)習(xí)，課堂上老師為學(xué)生講解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)原理和注意事項(xiàng)等，然后按照實(shí)驗(yàn)步驟依次操作演示，一般這個(gè)過(guò)程就需要1 個(gè)課時(shí)，留給學(xué)生親自動(dòng)手操作的時(shí)間不多。例如拉壓實(shí)驗(yàn)由于設(shè)備數(shù)量及實(shí)驗(yàn)教師較少的原因，一個(gè)班級(jí)里只有少數(shù)學(xué)生可以親自動(dòng)手操作，這樣最終導(dǎo)致很多學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程失去興趣，教學(xué)效果明顯大打折扣[2]。

1.2 考核方式過(guò)于簡(jiǎn)單

目前實(shí)驗(yàn)成績(jī)主要分為報(bào)告成績(jī)和實(shí)驗(yàn)過(guò)程成績(jī)兩部分。但是在實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施環(huán)節(jié)中，因?qū)W生人數(shù)眾多教師常常無(wú)暇顧及所有學(xué)生的課堂表現(xiàn)，對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過(guò)程考核存在一定的難度，所以眾多實(shí)驗(yàn)成績(jī)便舍棄實(shí)驗(yàn)過(guò)程成績(jī)，僅通過(guò)實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行成績(jī)?cè)u(píng)定及考核[3－5]。這種考核方式的最大弊端是學(xué)生對(duì)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程不夠重視，課前不預(yù)習(xí)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不認(rèn)真動(dòng)手操作、不思考、應(yīng)付老師，課后抄襲其他同學(xué)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，這樣的考核評(píng)定既無(wú)法真正客觀地對(duì)學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià)，又無(wú)法使每個(gè)學(xué)生都通過(guò)實(shí)驗(yàn)提高自己的動(dòng)手能力和實(shí)驗(yàn)技能，最終導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果堪憂。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)措施

針對(duì)上述材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的兩個(gè)突出問(wèn)題，本文提出以下改進(jìn)措施。

2.1 豐富教學(xué)內(nèi)容

2.1.1 在原有實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

在拉伸實(shí)驗(yàn)中，除了原有的低碳鋼和鑄鐵棒狀拉伸試樣，還可以增加其他材料（比如鋁合金和塑料等）的棒狀和板狀拉伸試樣，事先對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，5 個(gè)學(xué)生一組，每組學(xué)生分配一種試樣。福州大學(xué)材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)共有四種不同噸位的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)：100KN、200KN、300KN 和 600KN。在實(shí)驗(yàn)前，讓學(xué)生根據(jù)試樣的大小尺寸、試樣的材料參數(shù)計(jì)算這種試樣拉斷所需的最大力，來(lái)選擇相近噸位的試驗(yàn)機(jī)；然后查閱相關(guān)文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)方案包括控制方式（位移控制、程序控制、應(yīng)力+ 應(yīng)變+ 位移控制等）、用戶參數(shù)（試樣直徑、試驗(yàn)厚度等）、結(jié)果參數(shù)（最大力、抗拉強(qiáng)度、下屈服強(qiáng)度等）、結(jié)果輸出的格式等；通過(guò)查閱資料對(duì)試樣的力學(xué)性能和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有個(gè)初步了解，同時(shí)將預(yù)先錄制的實(shí)驗(yàn)演示視頻事先發(fā)給學(xué)生觀看，讓他們熟悉設(shè)備的工作原理及操作流程，節(jié)省課內(nèi)演示介紹的時(shí)間，這樣為學(xué)生爭(zhēng)取更多親自動(dòng)手操作的時(shí)間；最后將這些前期工作匯總寫成一份預(yù)習(xí)報(bào)告上交。實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生根據(jù)試樣的外形尺寸選擇相應(yīng)的不同直徑或厚度的夾具，如圖1 所示，并親自安裝夾具。同時(shí)根據(jù)之前設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)方案親自在實(shí)驗(yàn)軟件上編輯實(shí)驗(yàn)方案，并完成實(shí)驗(yàn)。課后安排對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析，將實(shí)驗(yàn)得到的拉伸實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和曲線，與資料給出的這種材料常規(guī)的拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，觀察自己實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，提出問(wèn)題，小組成員一起分析探討，并將其寫在實(shí)驗(yàn)報(bào)告上，這樣學(xué)生在親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn)和思考的過(guò)程中，會(huì)形成一些獨(dú)特的認(rèn)識(shí)，同時(shí)更好的鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力和解決問(wèn)題的能力。

圖1 拉伸夾具

2.1.2 增加開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)

傳統(tǒng)應(yīng)力測(cè)試實(shí)驗(yàn)一般是應(yīng)變片已經(jīng)事先貼好，學(xué)生只需接線測(cè)量即可。這樣學(xué)生如果在實(shí)際工作中需要測(cè)量應(yīng)力時(shí)必然不懂如何粘貼應(yīng)變片，沒(méi)有真正起到鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力的作用。所以應(yīng)開(kāi)設(shè)粘貼應(yīng)變片這樣的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)，讓有興趣的學(xué)生自主選擇，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，讓學(xué)生真正理解電測(cè)法的原理。選擇這個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的學(xué)生可不用再參與其他應(yīng)力測(cè)試實(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容包括：（1）確定測(cè)量方案：根據(jù)理論分析結(jié)果選擇測(cè)點(diǎn)位置，根據(jù)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)和溫度補(bǔ)償原則確定應(yīng)變片的布置和組橋方案；（2）應(yīng)變片的選擇：根據(jù)被測(cè)物體大小選擇最適合大小的柵格的應(yīng)變片、根據(jù)測(cè)試環(huán)境溫度選擇適合的溫度范圍的應(yīng)變片等；（3）根據(jù)測(cè)量精度要求、數(shù)據(jù)采集數(shù)目和速度選擇測(cè)量?jī)x器；（4）粘貼應(yīng)變片：根據(jù)試樣材料和測(cè)量溫度等選擇黏結(jié)劑和黏結(jié)工藝，還要考慮導(dǎo)線電阻、分布電容和溫度變化的影響等；（5）測(cè)量：接線完畢，先對(duì)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行調(diào)試：預(yù)加載再卸載1- 3 次，預(yù)調(diào)平衡，正式測(cè)量時(shí)重復(fù)加載2- 3 次；（6）測(cè)量結(jié)果分析及完成報(bào)告：分析已采集的數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換成應(yīng)力或主應(yīng)力。經(jīng)過(guò)分析處理給出相應(yīng)結(jié)論，例如，給出精度評(píng)價(jià)或不確定度分析。測(cè)量實(shí)驗(yàn)報(bào)告應(yīng)包括必要數(shù)據(jù)、計(jì)算依據(jù)與計(jì)算結(jié)果、精度評(píng)價(jià)、實(shí)驗(yàn)結(jié)論等。

2.2 優(yōu)化考核方式

實(shí)驗(yàn)成績(jī)是對(duì)學(xué)生整個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的綜合評(píng)價(jià)，應(yīng)反映出學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的操作能力和解決問(wèn)題的能力。僅通過(guò)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的考核無(wú)法真實(shí)反映學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α榱烁庸娇陀^地評(píng)價(jià)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的考核應(yīng)采取預(yù)習(xí)報(bào)告、課堂表現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的綜合評(píng)價(jià)體系，其中預(yù)習(xí)報(bào)告和課程表現(xiàn)各占30%，實(shí)驗(yàn)報(bào)告占40%。福州大學(xué)的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)除了拉壓外，其他實(shí)驗(yàn)均兩人一組配合做實(shí)驗(yàn)。這樣老師不僅可以監(jiān)督學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程是否規(guī)范，還可以根據(jù)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的表現(xiàn)，進(jìn)行過(guò)程考核。同時(shí)實(shí)驗(yàn)前事先跟學(xué)生強(qiáng)調(diào)必須在實(shí)驗(yàn)報(bào)告上寫上同組成員姓名和學(xué)號(hào)，不同小組之間的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是不同的，這樣就需小組兩個(gè)成員配合得到自己的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，增強(qiáng)學(xué)生的參與感，有效減少了不同小組間相互抄襲實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。對(duì)于像拉壓實(shí)驗(yàn)這種小組成員較多的情況，可根據(jù)前面所說(shuō)的讓學(xué)生將前期調(diào)研工作寫成預(yù)習(xí)報(bào)告上交，報(bào)告中明確標(biāo)注每位學(xué)生的分工，老師根據(jù)分工對(duì)學(xué)生進(jìn)行提問(wèn)，給出成績(jī)。

3 結(jié)論

材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)是工科的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)踐課程，不僅讓學(xué)生體會(huì)到理論知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用，還可培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手創(chuàng)新的能力。本文從實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和考核方式兩方面對(duì)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探索和改革，旨在改善目前材料力學(xué)的教學(xué)質(zhì)量、豐富教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的積極性和主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力，同時(shí)也提高學(xué)生的科研能力。當(dāng)然，材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)還有很多問(wèn)題值得我們探索，對(duì)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的探索和改革是一項(xiàng)長(zhǎng)期的工作，任重道遠(yuǎn)。