新工科視域下基于分層次實(shí)驗(yàn)的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

章芳芳，朱紅英，黃小峰 （武漢城市學(xué)院，湖北 武漢 430083）

當(dāng)前新工科建設(shè)要求打破傳統(tǒng)工科模式，強(qiáng)調(diào)“創(chuàng)新+綜合”能力培養(yǎng)，注重高素質(zhì)和實(shí)踐能力培養(yǎng)。為順應(yīng)時(shí)代發(fā)展，土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案應(yīng)以培養(yǎng)學(xué)生“創(chuàng)新+綜合”能力為基準(zhǔn)，“強(qiáng)基礎(chǔ)、強(qiáng)實(shí)踐、重創(chuàng)新”，各門課程教學(xué)應(yīng)踐行新工科要求。任何學(xué)科的形成和發(fā)展，都離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐。材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)，既是材料力學(xué)理論形成和完善的基礎(chǔ)，也是驗(yàn)證其理論正確性、測(cè)定材料性能和解決工程問(wèn)題等的手段。材料力學(xué)作為專業(yè)基礎(chǔ)課，在土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)中有著重要地位，尤其材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)是進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)新工科人才培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新綜合實(shí)踐能力，深化工程意識(shí)，材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革至關(guān)重要。

1 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

目前，我校城建學(xué)部材料力學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀如下。

1.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念不夠與時(shí)俱進(jìn)

材料力學(xué)課程總學(xué)時(shí)64，其中實(shí)驗(yàn)8學(xué)時(shí)，穿插理論于教學(xué)中。在教學(xué)安排時(shí)，普遍認(rèn)為材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)從屬于材料力學(xué)課程，是為了理論課程學(xué)習(xí)后驗(yàn)證其中的基本原理或測(cè)試材料的基本力學(xué)性能，不作為一門單獨(dú)課程設(shè)置。實(shí)驗(yàn)成績(jī)也不單獨(dú)考核，僅作為材料力學(xué)課程平時(shí)成績(jī)，按一定比例計(jì)算。以上實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念較落后，造成師生對(duì)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)不夠重視，忽略了實(shí)驗(yàn)是提高學(xué)生工程技能的重要途徑，是進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)新工科人才培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和教學(xué)模式較單一

材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)大綱中均為演示驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，包括低碳鋼和鑄鐵拉伸、壓縮和扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)；彎曲正應(yīng)力電測(cè)實(shí)驗(yàn)；彎扭組合主應(yīng)力電測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)類型單一、基本原理固定、操作步驟按部就班，脫離了建筑工程實(shí)際，不具備探索創(chuàng)新性。

在實(shí)驗(yàn)課堂之初，教師講解具體實(shí)踐步驟并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)演示，學(xué)生圍觀觀看。課堂講解和演示時(shí)間較長(zhǎng)，使本身學(xué)時(shí)不多的實(shí)驗(yàn)課堂上能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的學(xué)生組數(shù)更有限。填鴨式教學(xué)導(dǎo)致學(xué)生積極性不高，體現(xiàn)不出創(chuàng)新綜合實(shí)踐能力的培養(yǎng)過(guò)程。

鑒于上述現(xiàn)狀，本文基于新工科背景下的“創(chuàng)新+綜合”能力，根據(jù)本校材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)展現(xiàn)狀，進(jìn)行了分層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐。

2 基于分層次實(shí)驗(yàn)的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

2.1 強(qiáng)化基本型實(shí)驗(yàn)夯實(shí)專業(yè)基礎(chǔ)

基本型實(shí)驗(yàn)是材料力學(xué)的傳統(tǒng)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，主要用于測(cè)定材料力學(xué)性能、驗(yàn)證理論課程中某些基本原理及分析桿件應(yīng)力和應(yīng)變等。基本型實(shí)驗(yàn)是分層次實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，既可以加深學(xué)生對(duì)所學(xué)基本理論知識(shí)的理解，又可使學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備掌握基本操作方法，從而為后面的綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。基本型實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程如圖1所示。

圖1 基本型實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程

2.1.1 基本型實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

基本型實(shí)驗(yàn)設(shè)置五項(xiàng)，在相應(yīng)理論內(nèi)容學(xué)完后安排，分別為低碳鋼和鑄鐵拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)、純彎曲正應(yīng)力和彎扭組合主應(yīng)力電測(cè)實(shí)驗(yàn)。

2.1.2 基本型實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

為強(qiáng)化學(xué)生對(duì)驗(yàn)證性基本型試驗(yàn)的掌握，應(yīng)在有限學(xué)時(shí)內(nèi)采用多樣化教學(xué)模式提高試驗(yàn)效率。采用線上線下混合式教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂等多樣化方式，保證在實(shí)驗(yàn)中體現(xiàn)“全學(xué)員化”，課堂以學(xué)生為主體。為了保證“全員化”,提高動(dòng)手實(shí)驗(yàn)效率，在有限課時(shí)內(nèi)全體學(xué)生有機(jī)會(huì)動(dòng)手操作，采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，以便學(xué)生在課堂上有更寬裕的實(shí)踐時(shí)間。課前實(shí)驗(yàn)教師在學(xué)習(xí)通平臺(tái)發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)點(diǎn)，學(xué)生自學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書和觀看事先錄制的微課，任務(wù)點(diǎn)完成情況作為平時(shí)成績(jī)以便督促學(xué)生自主學(xué)習(xí)。課堂上實(shí)驗(yàn)教師ppt結(jié)合板書簡(jiǎn)短講解原理和操作，留出更多時(shí)間學(xué)生操作、記錄數(shù)據(jù)和指導(dǎo)學(xué)生，全程監(jiān)管學(xué)生動(dòng)手情況。數(shù)據(jù)處理和實(shí)驗(yàn)報(bào)告在課堂上完成，既可避免學(xué)生課后相互抄襲影響成績(jī)?cè)u(píng)斷的客觀性，也可以鞭策學(xué)生課前認(rèn)真預(yù)習(xí)且在課堂用心實(shí)驗(yàn)，提高團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

2.1.3 基本型實(shí)驗(yàn)考核方式

基本型實(shí)驗(yàn)成績(jī)考核時(shí)，學(xué)習(xí)通平臺(tái)在線任務(wù)點(diǎn)預(yù)習(xí)占20%，動(dòng)手操作占40%，報(bào)告成績(jī)占40%。

2.2 引入綜合型實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)綜合能力

為凸顯新工科理念，在學(xué)生掌握了基本型實(shí)驗(yàn)原理和儀器操作的基礎(chǔ)上，引入綜合型材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)選題，著力于培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題探索問(wèn)題的能力。

2.2.1 綜合型實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

綜合型實(shí)驗(yàn)是基本型實(shí)驗(yàn)的延伸，內(nèi)容設(shè)置可多樣化，盡量和建筑工程實(shí)例相結(jié)合，以適應(yīng)不同學(xué)生需求，提高材料力學(xué)知識(shí)的掌握。材料力學(xué)綜合型實(shí)驗(yàn)選題，可由教師收集整理提供給學(xué)生，也可由學(xué)生自主提出。選題保證內(nèi)容與材料力學(xué)內(nèi)容有關(guān)聯(lián)，能夠在已有的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下或自行設(shè)計(jì)出的小設(shè)備下實(shí)驗(yàn)。結(jié)合各種材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)參考資料及實(shí)驗(yàn)室條件，綜合型實(shí)驗(yàn)部分選題見(jiàn)表1所示。

綜合型實(shí)驗(yàn)選題表[3-5] 表1

2.2.2 綜合型實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

綜合型實(shí)驗(yàn)旨在是鍛煉學(xué)生方案設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)操作的綜合能力，啟發(fā)創(chuàng)新思維。該實(shí)驗(yàn)不占用專門的上課學(xué)時(shí)，采用開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的方式在課后進(jìn)行。部分實(shí)驗(yàn)推薦學(xué)生結(jié)合midas數(shù)值仿真軟件對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，著力于培養(yǎng)學(xué)生的工程軟件應(yīng)用能力。

教師不在課堂專門講解原理和步驟，主要起引導(dǎo)和指導(dǎo)作用。以學(xué)生為主體，學(xué)生設(shè)計(jì)研究為主，不再是觀看直接提供的操作視頻為前提。學(xué)生先自行分組，各組根據(jù)情況選擇1-2個(gè)選題。教師提出實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)設(shè)備和工具，提供必要的材料或試件，進(jìn)行必要的答疑和指導(dǎo)。學(xué)生在課余查閱資料弄清實(shí)驗(yàn)原理、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、完成實(shí)驗(yàn)操作、記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果、結(jié)果分析、設(shè)計(jì)和完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告或?qū)嶒?yàn)論文。

以同面積不同截面形狀下靜定梁抗彎承載力測(cè)定實(shí)驗(yàn)為例，介紹該實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。

梁板等受彎構(gòu)件在工程實(shí)踐中大量存在，因抗彎承載能力不足而產(chǎn)生破壞的建筑工程事故屢見(jiàn)不鮮。在綜合型實(shí)驗(yàn)中，選題與工程實(shí)踐相結(jié)合，教師提出以上實(shí)驗(yàn)背景，安排學(xué)生進(jìn)行不同截面形狀在面積相等情況下靜定梁抗彎承載力的測(cè)定，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案、自主進(jìn)行應(yīng)變儀接線、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析比較。學(xué)部實(shí)驗(yàn)室早八點(diǎn)至晚八點(diǎn)開(kāi)放。

學(xué)生組通過(guò)思考和查閱資料，綜合型實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如下：

①測(cè)定實(shí)驗(yàn)彎曲正應(yīng)力σ

采用鋁合金材質(zhì)的簡(jiǎn)支梁，彈性模量E為72GPa，跨度L為600mm，對(duì)同面積的工字形(HW1001006/8)、圓形和矩形（高寬比3：2）截面進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)，比較彎曲正應(yīng)力，從而確定抗彎承載力排序。

以基本型實(shí)驗(yàn)中純彎曲正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)原理和電阻應(yīng)變儀為基礎(chǔ)，在簡(jiǎn)支梁試件跨中逐級(jí)加載,在試件加載處按照單臂半橋接線法粘貼電阻應(yīng)變片，初始載荷為0，每級(jí)增量載荷△P=100N，加載5次，測(cè)得每級(jí)加載下的應(yīng)變值ε。根據(jù)公式σ=Eε，得到平均增量實(shí)驗(yàn)彎曲正應(yīng)力σ。

②理論彎曲正應(yīng)力σ

簡(jiǎn)支梁在跨中集中等增量荷載作用下，最大彎矩出現(xiàn)在跨中處，△M=△P×L/4可計(jì)算截面上下緣處的最大正應(yīng)力作為理論彎曲應(yīng)力值。理論彎曲應(yīng)力值公式如下：

σ=△M/W

已知簡(jiǎn)支梁跨徑，計(jì)算跨中處彎矩和不同截面下抗彎截面模量W，根據(jù)上式即可確定出理論彎曲正應(yīng)力σ。

③Midas軟件數(shù)值仿真計(jì)算彎曲正應(yīng)力σ

以Midas數(shù)值仿真軟件為輔助工具，建立三種截面形狀下簡(jiǎn)支梁的加載模型，進(jìn)行靜力計(jì)算后得到數(shù)字仿真應(yīng)力值σ。Midas仿真模型如圖2所示。

圖2 Midas數(shù)值仿真模型

④數(shù)據(jù)比較和分析

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)計(jì)算、理論計(jì)算和建模計(jì)算，得到同面積不同截面形狀的彎曲正應(yīng)力數(shù)值如表2所示。

簡(jiǎn)支梁彎曲實(shí)驗(yàn)應(yīng)力、理論應(yīng)力與Midas計(jì)算應(yīng)力和相對(duì)誤差 表2

分析表中數(shù)值，可見(jiàn)各截面彎曲實(shí)驗(yàn)應(yīng)力、理論應(yīng)力與Midas計(jì)算應(yīng)力的最大相對(duì)誤差在2%以內(nèi)，數(shù)據(jù)有效。

⑤實(shí)驗(yàn)結(jié)論

綜合型實(shí)驗(yàn)表明：該實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、Midas建模，均較合理。且根據(jù)該實(shí)驗(yàn)可知，同種外載條件下的簡(jiǎn)支梁，橫截面形狀不同時(shí)，W不同，抗彎承載能力有差異。工字形截面的W最大，抗彎能力最強(qiáng)；矩形截面其次；圓形截面的W最小，抗彎能力最弱。在進(jìn)行受彎構(gòu)件工程設(shè)計(jì)時(shí)，在同材料同外載同截面積的情況下，應(yīng)選擇合理截面形狀，W較大者梁的抗彎承載力較高。

在簡(jiǎn)支梁抗彎承載力綜合型實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生不僅鞏固了教材中彎曲正應(yīng)力計(jì)算原理，對(duì)教材外的應(yīng)變片單臂半橋接線、Midas數(shù)值仿真軟件應(yīng)用、工程設(shè)計(jì)合理措施等有了更深刻的理解，綜合能力得到了質(zhì)的提升。

2.2.3 綜合型實(shí)驗(yàn)考核方式

綜合實(shí)驗(yàn)最終成果以報(bào)告或論文形式提交。綜合成績(jī)的確定結(jié)合過(guò)程表現(xiàn)和報(bào)告（或論文）質(zhì)量。教師在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行必要的答疑指導(dǎo)，關(guān)注各組員的參與情況。該實(shí)驗(yàn)作為學(xué)生課后作業(yè)形式，計(jì)入學(xué)生平時(shí)成績(jī)。

2.3 設(shè)置創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)創(chuàng)新思維

創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)為部分有個(gè)性化發(fā)展需求的學(xué)生提供了較好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，可促進(jìn)學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)、研究和分析，來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題，提高學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作能力，培養(yǎng)探索創(chuàng)新思維。

創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)涉及結(jié)構(gòu)制作和科研實(shí)踐項(xiàng)目等。學(xué)生可充分利用開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備，參與校內(nèi)科技文化節(jié)中竹橋、竹房屋結(jié)構(gòu)等制作；參與湖北省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽中指定模型的制作；參與教師科研項(xiàng)目進(jìn)行新材料性能的測(cè)定等。也鼓勵(lì)學(xué)生自擬創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)選題，利用已有設(shè)備或自行設(shè)計(jì)專門小設(shè)備，進(jìn)行研究，為參加校外挑戰(zhàn)杯等比賽做準(zhǔn)備。

3 結(jié)語(yǔ)

為踐行新工科理念，培養(yǎng)學(xué)生“創(chuàng)新+綜合”能力，對(duì)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行了教學(xué)改革與實(shí)踐。筆者以2019級(jí)土木工程專業(yè)學(xué)生為對(duì)象，實(shí)驗(yàn)教學(xué)遵從漸進(jìn)性原則，開(kāi)展分層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)后，學(xué)生反饋效果良好，理論基礎(chǔ)更為扎實(shí)，綜合創(chuàng)新能力有了較大提高，對(duì)本專業(yè)學(xué)習(xí)產(chǎn)生了更濃厚興趣。構(gòu)建新工科背景下基本型、綜合型和創(chuàng)新型材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度循序漸進(jìn)，使學(xué)生在掌握基本原理和操作技能的前提下，和組員協(xié)作努力并在老師指導(dǎo)下進(jìn)行綜合創(chuàng)新設(shè)計(jì)，對(duì)提高自身創(chuàng)新和實(shí)踐能力，具備基本新工科人才素質(zhì)，有促進(jìn)作用，響應(yīng)了新工科建設(shè)要求。