材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)教學(xué)探究

劉亞輝 周魚(yú)躍 李宇昂 倪增磊 彭進(jìn)

摘? 要? 以本科課程材料力學(xué)性能必做硬度實(shí)驗(yàn)為研究對(duì)象，分析傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題和不足，運(yùn)用現(xiàn)代教學(xué)工具和理念，從學(xué)生實(shí)際情況出發(fā)，對(duì)教學(xué)材料、課堂內(nèi)容和成績(jī)?cè)u(píng)定三方面進(jìn)行了系列改進(jìn)。以期提高學(xué)生解決問(wèn)題的動(dòng)手實(shí)踐能力和探究性思維，對(duì)工科實(shí)踐教學(xué)具有普適借鑒意義。

關(guān)鍵詞? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)過(guò)程；材料力學(xué)性能；硬度實(shí)驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.423? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2023）10-0139-03

Study on Experimental Teaching of Material Mechanical Properties： Taking Hardness Expe-riment as Example//LIU Yahui， ZHOU Yuyue， LI Yuang， NI Zenglei， PENG Jin

Abstract? The hardness experiment， which is the com-pulsory experiment of undergraduate course Material Mechanical Properties， is taken as the research object. Problems and deficiencies in the traditional experiment teaching process is analyzed. Modern tea-ching tools and ideas are used to carry on a series of improvements. Relevant improvements is taken，starting from the actual situation of students， which mainly include teaching materials， classes and grades. It is expected that students ability to solve problems with exploratory thinking and hands-on practice could be enhanced. The improvements have universal reference significance for engineering practice teaching.

Key words? experiment teaching; teaching process; material mechanical properties; hardness experiment

Authors address? College of Materials， North China?University of Water Conservancy and Electric Power， Zhengzhou， China， 450046

0? 引言

近年來(lái)，依據(jù)國(guó)務(wù)院發(fā)布的《統(tǒng)籌推進(jìn)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)總體方案》戰(zhàn)略決策，隨著高等教育工程教育認(rèn)證工作的不斷推進(jìn)，高校課堂的教學(xué)理念和教學(xué)方法取得了一系列的改革創(chuàng)新成果，逐步由傳統(tǒng)課堂的“教師講授為主”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙詫W(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)”的現(xiàn)代教育教學(xué)理念，以便更好地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，逐步達(dá)成與國(guó)際接軌的高等教育工程教育認(rèn)證目標(biāo)。

廖獻(xiàn)就等[1]對(duì)比分析對(duì)分課堂和翻轉(zhuǎn)課堂兩種教學(xué)模式的異同。多位學(xué)者對(duì)新型課堂的實(shí)施方案和效果進(jìn)行了探究及應(yīng)用，驗(yàn)證了翻轉(zhuǎn)課堂、對(duì)分課堂及混合課堂等能有效調(diào)動(dòng)學(xué)生積極主動(dòng)地參與課堂知識(shí)的學(xué)習(xí)[2-5]。東北師范大學(xué)的朱文輝[6]對(duì)翻轉(zhuǎn)課堂過(guò)度技術(shù)化進(jìn)行反思，認(rèn)為翻轉(zhuǎn)課堂應(yīng)讓學(xué)生先解決問(wèn)題后進(jìn)行教師教授，重在改造教師的教學(xué)理念。張?zhí)嫉萚7]基于工程教育認(rèn)證從課程大綱、課堂教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)三方面對(duì)機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程進(jìn)行了教學(xué)研究，指出了教學(xué)過(guò)程質(zhì)量監(jiān)控的重要性。關(guān)于理論教學(xué)改革的研究主要基于上述新型課堂模式展開(kāi)。而實(shí)驗(yàn)教學(xué)更側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，劉志慧等[8]基于OBE成果導(dǎo)向理念提出了包含“思考—設(shè)計(jì)—實(shí)驗(yàn)—討論”四個(gè)環(huán)節(jié)的TDED實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。但TDED模式側(cè)重于綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開(kāi)展，理論課內(nèi)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)直接采用該模式，存在基本知識(shí)傳授不夠完備的風(fēng)險(xiǎn)。張鵬等[9]進(jìn)行了彈塑性力學(xué)課程的研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，旨在幫助學(xué)生理解課程知識(shí)點(diǎn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)課堂的實(shí)踐環(huán)節(jié)如何開(kāi)展未做詳述。

本文以材料力學(xué)性能課程中的硬度實(shí)驗(yàn)為例，聚焦教學(xué)全過(guò)程，探究能夠更好地服務(wù)專(zhuān)業(yè)學(xué)科應(yīng)用的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施方案。

1? 教學(xué)目標(biāo)剖析

材料力學(xué)性能在材料成型及控制工程本科培養(yǎng)方案中屬于專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程。該課程配套實(shí)驗(yàn)對(duì)后續(xù)專(zhuān)業(yè)課的學(xué)習(xí)、學(xué)科綜合實(shí)踐和畢業(yè)設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的支撐作用。依據(jù)畢業(yè)要求，該門(mén)課程需要達(dá)成培養(yǎng)目標(biāo)：1）了解材料性能試驗(yàn)設(shè)備的使用原理和方法，理解其局限性；2）能夠分析并計(jì)算復(fù)雜工程問(wèn)題，包括設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、分析與解釋數(shù)據(jù)，以及通過(guò)信息綜合得到合理、有效的結(jié)論。

上述教學(xué)目標(biāo)回答了學(xué)生“為什么學(xué)”這一首要問(wèn)題。分解到硬度實(shí)驗(yàn)的教學(xué)活動(dòng)中，應(yīng)使學(xué)生明確硬度值與其他力學(xué)性能之間存在一定的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。硬度實(shí)驗(yàn)因操作便捷而成為工業(yè)材料、半成品和零件的重要質(zhì)檢方法和科研領(lǐng)域的重要指標(biāo)。通過(guò)硬度實(shí)驗(yàn)課的學(xué)習(xí)，能從應(yīng)用和分析層面理解三種壓入法硬度測(cè)試各自的特點(diǎn)和局限性，并能夠根據(jù)實(shí)際試樣的形狀、厚度、材質(zhì)等特點(diǎn)選擇和設(shè)計(jì)合理的硬度測(cè)試方法。

2? 學(xué)情分析改進(jìn)

2.1? 學(xué)生現(xiàn)狀分析

從學(xué)生實(shí)驗(yàn)前對(duì)硬度測(cè)試的已知、未知、能知、想知四個(gè)方面，結(jié)合布魯姆認(rèn)知領(lǐng)域的教育目標(biāo)分類(lèi)法，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行分析，如表1所示。華北水利水電大學(xué)材料成型及控制專(zhuān)業(yè)共分焊接和模具兩個(gè)專(zhuān)業(yè)方向。在開(kāi)設(shè)本門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課期間，學(xué)生尚未劃分專(zhuān)業(yè)方向。為激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知積極性，要求學(xué)生課前搜集焊接接頭和沖壓模具相關(guān)零件的材質(zhì)和硬度技術(shù)要求并寫(xiě)入實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

2.2? 教學(xué)材料改進(jìn)

理論課教材分三小節(jié)，分別講述了布氏、洛氏和維氏硬度測(cè)定的原理、方法、特點(diǎn)及應(yīng)用。理論課上對(duì)比總結(jié)三者的特點(diǎn)和適用范圍，學(xué)生難以理解。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)主要包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、儀器設(shè)備、試樣、實(shí)驗(yàn)操作步驟、數(shù)據(jù)記錄分析六個(gè)部分。對(duì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)進(jìn)行以下改進(jìn)。

2.2.1? 刪除冗余重復(fù)

實(shí)驗(yàn)原理在理論課教材中已詳細(xì)交代，此處刪除實(shí)驗(yàn)原理部分，可避免重復(fù)信息干擾學(xué)生閱讀，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)拾取理論課遺忘的知識(shí)點(diǎn)。

2.2.2? 精簡(jiǎn)操作步驟

過(guò)于詳細(xì)的操作步驟容易導(dǎo)致學(xué)生機(jī)械地、按部就班地對(duì)照操作，錯(cuò)過(guò)對(duì)操作步驟內(nèi)涵的思考和理解。

2.2.3? 豐富試樣種類(lèi)

選取Q235、45#、T10原材料的退火態(tài)及正火態(tài)試樣，分別設(shè)置5 mm，10 mm和15 mm三種厚度，共18種真實(shí)試樣。將傳統(tǒng)對(duì)已知材料打硬度的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)變更為鑒定未知材料的探究性實(shí)驗(yàn)。材質(zhì)和厚度的不同導(dǎo)致硬度測(cè)試過(guò)程中壓頭和標(biāo)尺選擇不同，需要學(xué)生仔細(xì)查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)和探索。該過(guò)程增加了實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度，訓(xùn)練學(xué)生結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象運(yùn)用相關(guān)理論知識(shí)進(jìn)行感知、思考和靈活運(yùn)用。

2.2.4? 新增思考提升

讓學(xué)生思考所用硬度測(cè)試設(shè)備的局限性，查閱當(dāng)前硬度測(cè)試的應(yīng)用發(fā)展等新趨勢(shì)，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的高階性。

3? 教學(xué)過(guò)程優(yōu)化

傳統(tǒng)的硬度實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程如表2所示。學(xué)生參與的環(huán)節(jié)僅為第7、8項(xiàng)，學(xué)生參與度低；實(shí)驗(yàn)過(guò)程分組操作，因同組成員間存在理論知識(shí)、動(dòng)手能力和學(xué)習(xí)積極性等的差異，易造成個(gè)別學(xué)生跟不上進(jìn)度而搭便車(chē)的現(xiàn)象；第6項(xiàng)儀器使用演示環(huán)節(jié)，僅課堂上演示一遍，學(xué)生不易形成操作記憶；第8項(xiàng)撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告環(huán)節(jié)與實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)環(huán)節(jié)時(shí)段斷開(kāi)，易造成報(bào)告數(shù)據(jù)填寫(xiě)與實(shí)驗(yàn)脫節(jié)。針對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行以下改進(jìn)。

3.1? 擴(kuò)充課前準(zhǔn)備

更新實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)。明確實(shí)驗(yàn)課堂的組織形式、成績(jī)分布和實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫(xiě)要求。課前將儀器操作視頻和安全注意事項(xiàng)放入學(xué)習(xí)通共享平臺(tái)，要求學(xué)生提前自學(xué)，從而給課堂教學(xué)騰出互動(dòng)交流時(shí)間。

3.2? 采用翻轉(zhuǎn)課堂

將實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫(xiě)提到實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)之前，作為課前必做預(yù)習(xí)，彌補(bǔ)參加實(shí)驗(yàn)的學(xué)生理論知識(shí)掌握參差不齊的不足。課前準(zhǔn)備環(huán)節(jié)每組選派一名學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)材料分發(fā)和實(shí)驗(yàn)儀器的檢查歸位，提高學(xué)生參與度，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力。

3.3? 課中增進(jìn)互動(dòng)

隨機(jī)挑選學(xué)生講解實(shí)驗(yàn)原理和儀器基本操作。實(shí)驗(yàn)課中填寫(xiě)并整理實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師組織討論并當(dāng)堂提交，增進(jìn)師生互動(dòng)、生生互動(dòng)，發(fā)現(xiàn)不足便立即糾正，克服報(bào)告數(shù)據(jù)填寫(xiě)與實(shí)驗(yàn)操作脫節(jié)問(wèn)題，形成知識(shí)獲取和能力提升的閉環(huán)反饋。

3.4? 課后教學(xué)反思

教師基于學(xué)生的課堂表現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告作答情況進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。改進(jìn)后的硬度實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)流程見(jiàn)表3，學(xué)生參與環(huán)節(jié)提高至八項(xiàng)。

4? 成績(jī)?cè)u(píng)定重設(shè)

傳統(tǒng)硬度實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程僅在環(huán)節(jié)9將實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)作為學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績(jī)，不足以全面反映學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的真實(shí)情況。表3運(yùn)用學(xué)習(xí)通，將實(shí)驗(yàn)成績(jī)權(quán)重設(shè)置為：初步撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告10%、觀看儀器操作視頻10%、課堂表現(xiàn)20%、實(shí)驗(yàn)報(bào)告數(shù)據(jù)整理分析60%。完善后的成績(jī)?cè)u(píng)定標(biāo)準(zhǔn)關(guān)注過(guò)程考核環(huán)節(jié)，能有效激發(fā)學(xué)生參與學(xué)習(xí)的積極性，同時(shí)能對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果進(jìn)行全面客觀的評(píng)價(jià)。

5? 結(jié)束語(yǔ)

以工科的硬度實(shí)驗(yàn)為例，基于成果導(dǎo)向，明確實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，通過(guò)學(xué)情分析和教學(xué)過(guò)程梳理，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)全過(guò)程實(shí)施內(nèi)容、時(shí)間和空間的調(diào)整和完善，提升了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探究性和趣味性，為后續(xù)培養(yǎng)專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)踐能力奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

6? 參考文獻(xiàn)

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