材料力學(xué)中實(shí)驗(yàn)教學(xué)的幾點(diǎn)思考

摘要：材料力學(xué)作為高校中土木、機(jī)械、采礦等工科專業(yè)必不可少的專業(yè)基礎(chǔ)課，它的課堂教學(xué)方法一直是授課教師研究的重要課題，而大多數(shù)的研究只局限于理論的講授方式，忽略了實(shí)驗(yàn)在力學(xué)教學(xué)中所起的作用。因此，針對這一現(xiàn)象，本文重點(diǎn)分析力學(xué)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和方法，針對當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題，提出幾點(diǎn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的方法。好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式必會加深學(xué)生對理論知識的理解，增強(qiáng)實(shí)踐能力，達(dá)到理論與實(shí)踐相輔相成的目的，從而提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

關(guān)鍵詞：材料力學(xué)實(shí)驗(yàn);教學(xué)方法;基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)內(nèi)容;改革

材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)是該課程教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)，在解決工程設(shè)計(jì)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等問題時，首先要知道材料的力學(xué)性能指標(biāo)，這些指標(biāo)通?？坎牧狭W(xué)實(shí)驗(yàn)獲得;同時較抽象的理論也可以通過實(shí)驗(yàn)變得更具象，讓同學(xué)們更易理解和接受;再者好的實(shí)驗(yàn)課程是可以培養(yǎng)學(xué)生的思維方式和創(chuàng)新能力的。所以說材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)是實(shí)踐性教學(xué)和啟發(fā)性教學(xué)中必不可少的組成部分，是所有從事力學(xué)教學(xué)的高校教師必須重視的環(huán)節(jié)，因此有必要對材料力學(xué)中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法進(jìn)行研究和探討，以期獲得更有效的教學(xué)方式。首先需要對材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容有更深的認(rèn)識。

1材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)基本內(nèi)容

1.1測定材料力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)

材料力學(xué)公式只能算出桿件在載荷作用下應(yīng)力的大小。為了建立其相應(yīng)的強(qiáng)度條件、剛度條件、穩(wěn)定性條件，則必須通過拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、沖擊、疲勞等實(shí)驗(yàn)來測定材料的屈服極限、強(qiáng)度極限、彈性模量和持久極限等力學(xué)性能。這些材料的力學(xué)性能是設(shè)計(jì)構(gòu)件時所不可缺少的基本參數(shù)和依據(jù)。

1.2驗(yàn)證理論的實(shí)驗(yàn)

將實(shí)際問題抽象為理想的模型（如桿的拉伸、壓縮、彎曲等），再根據(jù)科學(xué)的假設(shè)（如平面假設(shè)、材料均勻連續(xù)性和各向同性假設(shè)等）導(dǎo)出一般性公式，這是研究材料力學(xué)的基本方法，但是這些簡化與假設(shè)是否正確，理論公式是否能在假設(shè)中應(yīng)用，都需要通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。此外，對于一些近似解答，其精確度也必須通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)后才能在工程設(shè)計(jì)中使用。

1.3實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析

在工程實(shí)踐中，很多構(gòu)件的形狀和受載情況比較復(fù)雜，單純依靠理論計(jì)算不能解決或難以解決其內(nèi)部應(yīng)力大小和分布的情況，因而近幾十年來發(fā)展了實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析，即用實(shí)驗(yàn)方法解決應(yīng)力分析問題。其內(nèi)容包括：電測法、光測法、脆性涂層法、云紋法、聲彈法等。目前實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析的方法很多，材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)中介紹應(yīng)用較廣的電測法實(shí)驗(yàn)。

隨著科技的進(jìn)步和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的更新?lián)Q代，材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容也變得越來越豐富，在完成拉壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲等基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容后，可結(jié)合工程實(shí)際增設(shè)組合變形等綜合實(shí)驗(yàn)，以及采用新型測試方法進(jìn)行一些創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的豐富和創(chuàng)新可以極大程度地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，更利于提高學(xué)習(xí)效果。

2材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的不足

目前材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程主要存在以下幾個問題：（1）因?qū)W時限制造成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容過于簡單和單調(diào)，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)，而且只是作為理論教學(xué)的輔助手段并不能充分激發(fā)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的積極性;（2）實(shí)驗(yàn)設(shè)備嚴(yán)重缺乏，分組實(shí)驗(yàn)時人數(shù)過多，使很多學(xué)生只能“看”實(shí)驗(yàn)而不能動手參與;（3）實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式還比較傳統(tǒng)，沒有很好的使用多媒體等現(xiàn)代化的技術(shù)手段;（4）在教學(xué)過程中，采用灌輸式的授課方法，忽視了學(xué)生的主體地位，不利于學(xué)生自主能力的培養(yǎng)。因此，必須對材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行全面深入地改革，在現(xiàn)有資源條件下，調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)他們發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，以適應(yīng)高校應(yīng)用與創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的要求。

3材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

3.1實(shí)驗(yàn)教學(xué)向傳授實(shí)驗(yàn)思想和實(shí)驗(yàn)方法轉(zhuǎn)變

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)都是教師向?qū)W生講解實(shí)驗(yàn)原理，告知實(shí)驗(yàn)步驟，學(xué)生按部就班完成實(shí)驗(yàn)，這種灌輸式的教學(xué)方法不能有效的激發(fā)學(xué)生的主動性，嚴(yán)重限制了學(xué)生獨(dú)立思考和自主創(chuàng)新的能力，所以我們要向啟發(fā)式教學(xué)轉(zhuǎn)變，只向?qū)W生講授實(shí)驗(yàn)原理和采用的方法，具體實(shí)驗(yàn)方案及步驟可由學(xué)生獨(dú)立思考、自主設(shè)計(jì)，這將極大增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，提高綜合能力。

3.2增加綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過于偏重基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，與學(xué)科發(fā)展前沿聯(lián)系不緊密，也不利于學(xué)生自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，因此要對實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革，增加綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。通過對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的調(diào)整和整合，不僅要使學(xué)生更加透徹的掌握書本上的理論，更要提高學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新能力。但在追求實(shí)驗(yàn)的綜合性和設(shè)計(jì)性的同時，也不能忽視實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的關(guān)系，否則將忽略學(xué)生的主體作用，與培養(yǎng)應(yīng)用型人才的目標(biāo)背道而馳。

3.3嚴(yán)控實(shí)驗(yàn)小組人數(shù)，做到合理化分工

材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)課鑒于實(shí)驗(yàn)設(shè)備等實(shí)驗(yàn)條件的限制，大多實(shí)行分組實(shí)驗(yàn)，這就難免造成個別同學(xué)渾水摸魚，抄襲實(shí)驗(yàn)報告的現(xiàn)象，如果組內(nèi)人數(shù)過多，真正動手參與實(shí)驗(yàn)的只能有少數(shù)幾人，這也不利于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力。但若一組人數(shù)過少，可能會增加實(shí)驗(yàn)時間，實(shí)驗(yàn)的各個環(huán)節(jié)人手不夠。所以合理分配小組人數(shù)是教師要仔細(xì)考慮的問題，爭取做到每人負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)的一個環(huán)節(jié)，讓大家都能真正的動起手來，認(rèn)識到互相協(xié)作的重要性。

3.4引入虛擬實(shí)驗(yàn)體系，增加有限元分析

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中普遍存在的現(xiàn)象是設(shè)備和人員不足，為了不影響教學(xué)效果，可將力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，該系統(tǒng)不僅能仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而且能仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)備和操作過程。操作者除了用鼠標(biāo)代替手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作外，整個實(shí)驗(yàn)過程與真實(shí)實(shí)驗(yàn)沒有區(qū)別。同時，隨著有限元軟件的發(fā)展，也可以讓學(xué)生將力學(xué)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行有限元分析，數(shù)值模擬的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論解進(jìn)行對比分析，使學(xué)生盡早掌握科研的三種手段（理論分析、數(shù)值計(jì)算、實(shí)驗(yàn)），并能在以后的工作和學(xué)習(xí)中融會貫通，為社會培養(yǎng)高素質(zhì)的應(yīng)用型人才。

3.5實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要注重與后續(xù)課程的連續(xù)性

料力學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以根據(jù)學(xué)生專業(yè)進(jìn)行調(diào)整，例如對土建專業(yè)學(xué)生來說薄壁結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)和彎曲是比較重要的，而機(jī)械專業(yè)的學(xué)生更加重視軸的扭轉(zhuǎn)，這些結(jié)構(gòu)的精確計(jì)算需要用到彈性力學(xué)的知識，同時在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中可以加入微觀缺陷的萌生和演化，這涉及后續(xù)的斷裂力學(xué)和損傷力學(xué)，這樣材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)將不再是單一的基礎(chǔ)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，也將成為后續(xù)課程之間銜接的橋梁。

材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)不僅具有傳授材料力學(xué)知識為驗(yàn)證力學(xué)理論服務(wù)的作用，更為重要的是肩負(fù)著全面培養(yǎng)掌握科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本技能、基本方法和獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)解決、分析工程實(shí)際問題的綜合能力。實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的靈活使用和教學(xué)手段的先進(jìn)性是一堂好的實(shí)驗(yàn)課的重要標(biāo)志。為提高材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)出高素質(zhì)、強(qiáng)能力的新型人才，就必須對實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法及教學(xué)手段等進(jìn)行改革與創(chuàng)新。

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：

省級教學(xué)研究項(xiàng)目（2019jyxm0175）;

精品線下開放課程（2019kfkc050）。

作者簡介：趙麗霞（1980—），吉林磐石人，碩士研究生，講師，主要研究方向?yàn)閯討B(tài)斷裂力學(xué)。