試論《材料力學》課程實驗教學改革

材料力學是工科院校一門重要的技術基礎課程，它不僅是后繼課、專業課的基礎，而且還具有很強的工程應用性，是工科學生最先與工程實際接觸的橋梁。它的一個重要有機組成部分—材料力學實驗課，在培養學生的工程素質以及實踐能力和創新精神方面有著其他教學不可替代的基礎作用。然而，目前材料力學實驗課普遍存在著許多弊端，（1）材料力學實驗課從屬于材料力學理論課程，實驗多是測量某個物理量或單純的驗證性實驗，內容單一，形式固定，各實驗還配有詳細的實驗指導，學生照搬實驗指導進行實驗，處于被動的狀態；（2）實驗內容與工程實際、高新技術結合較少，實用性較差；（3）實驗手段落后，管理封閉，幾乎沒有創新型試驗，學生學習積極性不高；（4）實驗教學考核體系不完善，許多學生存在“重理論、輕實踐”的錯誤認識。圍繞培養高素質創新型人才的目標，改革傳統材料力學實驗，建立新的實驗教學方法、內容與體系勢在必行。為此，筆者結合自己的實驗教學實踐，就《材料力學》課程實驗教學方法、內容與實驗教學體系等的改革作一些探討。

一、更新實驗教學觀念，以學生為主體

實驗教學觀念的轉變是實驗教學改革的核心，在傳統的實驗教學中，學生處于被動的地位，導致學生沒有學習興趣和創造欲望，限制了學生能力和素質的培養。實驗教學必須讓學生處于主體地位，將過去以教師為中心、學生被動參與轉變為以教師為主導，學生為主體，師生共同探索的方式，調動學生在實驗中的極積性和主觀能動性，才能培養出具有創新能力的大學生。

二、改革材料力學實驗教學內容及體系

傳統材料力學實驗的主要內容有低碳鋼的拉伸實驗、扭轉實驗、直梁彎曲正應力實驗，低碳鋼的拉伸實驗、扭轉實驗為力學物理量和性能的測試實驗。直梁彎曲正應力實驗為應力驗證性實驗，這些實驗對學生加深、鞏固理論知識的理解和掌握是有必要的，但實驗內容單調，較少涉及工程實際問題，沒有展示出現代工程技術的現狀和發展趨勢，對培養學生創新性思維的能力、解決實際問題的能力作用不大。要培養學生創新思維的能力和解決實際問題的能力，必須改革實驗內容并把實驗分為基本型實驗、綜合型實驗和設計型實驗三個層面。

基本型實驗以了解材料的力學性能為知識重點，著重培養學生掌握實驗設備、獨立完成實驗的能力，它是后續實驗的基礎。基本型實驗可保留必要的傳統實驗項目，但要提高實驗的起點，做到在加強實驗的思考性、啟發性和實用性的同時讓學生獨立完成實驗。比如：作為基本型的拉伸實驗不能只限于低碳鋼拉伸，要將其擴充為低碳鋼、鑄鐵、鋁合金、復合材料等多種與當今工程應用密切有關的典型材料的拉伸，實驗時讓學生分組親手完成各自不同材料的拉伸實驗。這樣，在同樣實驗設備的情況下，通過提高實驗的起點，達到了擴充實驗作用的目的。

綜合型實驗是基礎型實驗的補充和延續，著重培養學生的綜合實驗技能、綜合應用力學實驗技術和有關知識分析和解決問題的能力。綜合型實驗重點在綜合上，這類實驗內容可以是本課程各部分的綜合，也可以是不同課程內容的綜合，但切不可是幾個簡單實驗的疊加，綜合型實驗也可通過改革傳統的實驗來做，比如：梁的彎曲正應力實驗，過去是一根矩形直梁，它的應力分布材料力學教材已詳細介紹，對它的實驗現象和實驗結果學生是已知的，這樣的實驗不能培養學生分析問題、解決問題的能力。現把這個實驗改為復合梁應力分析實驗，就得到了綜合型實驗。由下述表1驗證方法可知直梁彎曲正應力實驗只是一個單純的驗證性實驗，但在不需要增添設備的情況下將它改為復合梁應力分析實驗，就成了綜合型實驗，在這個實驗中綜合應用了組合變形、應力與應變分析知識和平衡條件、變形協調方程以及實驗技能和結果等，充分體現了綜合型實驗的綜合性，培養了學生把各相關知識融會貫通和綜合利用的能力，同時也能培養他們的綜合實驗技能，這些是培養創新能力，提高綜合素質不可缺少的。

設計型實驗以工程實際或模擬工程實際為背景，著重培養學生綜合的工程分析能力，是提高學生解決工程實際問題能力的重要途徑，同時對增強學生的社會適應性也非常重要。在這類實驗中，要充分體現設計性，所有實驗都應由學生自行設計、自行實施、自行檢測、自行分析處理。設計型實驗通常選各類支承壓桿穩定性分析。壓桿在工程實際中應用非常廣泛，其穩定性極其重要，大家知道工程結構由于失穩而破壞往往是突發的，并會造成災難性的后果，因此，通過這樣的實例要求學生對工程實際問題要有足夠的重視，進而培養學生嚴謹、規范的實驗作風。實驗時學生要結合工程實際自擬題目，題目確定后，學生要模擬工程結構自制模型、擬定實驗方案，然后進行壓桿穩定性側試及有關的計算研究，整過過程都由學生自行設計獨立完成，這就是一個設計型實驗。這種高度的自主實驗，激發了學生的探索興趣，當有問題時學生們會主動查閱資料模索解決的辦法，鍛煉了學生動手、動腦的能力和獨立分析問題、解決實際問題的能力，同時也加強和鞏固了有關壓桿穩定性方面的理論知識，綜合素質得到顯著的提高。

三、更新實驗教學方法、管理體制和運行機制

傳統材料力學實驗教學基本上采用的是一種封閉的教學思想、陳舊的教學方法、落后的實驗手段，實驗中學生沒有主動權，大家一哄而上、一哄而下，不利于學生創新能力的培養和綜合能力的提高，對此，應對傳統實驗教學方法、實驗室的管理體制和運行機制作如下改革。

（一）將現代化教學手段運用到實驗教學中

要建立以能力培養為中心的實驗教學體系，充分利用多媒體和網絡等現代化教學技術手段是必不可少的。對材料力學實驗，教師可開發網上“實驗教學應用系統”，該系統至少包括師生互動平臺和實驗指導、實驗方案設計、實驗預約子系統。各子系統都有其獨特的作用。實驗指導子系統：將材料力學實驗內容做成多媒體課件掛在實驗指導子系統中，實驗前學生可通過該子系統預先學習到各實驗的有關知識，包括實驗項目、實驗注意事項、實驗目的、實驗設備（包括它的結構和工作原理）、實驗基本方法、常用量具的使用，實驗報告要求等，這些內容通過聲音、文字、圖像、動畫、視頻等多種形式在屏幕上生動、具體的表現出來以后，能很快吸引學生的注意力，調動學生思維，從而使學生很快地掌握實驗的基本原理、操作技能和實驗過程中的要點和難點，為實驗實際操作作好準備。通過該系統還可以將一些工程項目的材料力學性能和應力分析測試的動畫、材料力學的擴充性實驗錄象和材料力學在工程實際應用的最新信息等等展現給學生，開闊學生的視野，激發學生更大的創造能力和創新精神；實驗方案設計子系統：實驗方案設計子系統可用來輔助進行實驗方案設計，該子系統程序可以仿真、檢查、判斷實驗方案設計是否正確，若實驗方案設計有誤，子系統會指出錯誤出在哪，直到設計的實驗方案正確為止。此系統學生還可用來反復操作煅練自己的設計思想、創新思維；實驗預約子系統：實驗方案正確無誤后，可通過該子系統預約實驗項目和時間。將現代化技術應用到材料力學實驗中后突出的特點有：（1）學生可根據自己的學習情況自主地來安排實驗內容的學習，改變了傳統的實驗教學過程中學生所處的被動地位；（2）對實驗內容的動態講解和過程的模擬仿真解決了傳統黑板講解無法講清的問題，使實驗教學變得生動活潑；（3）通過實驗方案設計子系統不僅能將學生的創造性思維發揮到極至，還能填補因實驗條件、設備限制做不到的擴充性實驗，為個性化發展的學生創造了條件。

（二）開放實驗室，為學生自主學習提供方便

開放實驗室就是給學生提供一個寬松的實驗環境，讓學生從實驗時間、空間、內容和過程都有選擇。實驗室開放后，學生的自主性、創造性才能得到體現。我們嘗試的開放性實驗教學過程步驟如下：

第一步：選題。學生根據學校指導性要求確定自己的基本型、綜合型、設計型實驗項目。

第二步：實驗預習。實驗項目確定后，要求學生針對實驗項目預習實驗指導資料，了解實驗目的、實驗注意事項、實驗設備（結構和工作原理）、實驗基本方法、常用量具的使用、實驗報告要求等。

以上兩項涉及的資料校園網“實驗教學應用系統”的實驗指導子系統都有提供。

第三步：查閱資料。由于綜合型實驗、設計型實驗有很多知識點沒有現成結果，學生要完成這些實驗就必須自己去查閱相關資料進行分析。

第四步：實驗方案設計。經過前面的準備，對設計型實驗進行設計。

第五步：檢查論證設計方案。設計型實驗方案設計好后，必須經過校園網“實驗教學應用系統”的實驗方案設計子系統檢查論證是否正確，正確進入下一環節，如果錯誤返回到查閱資料步驟，進一步查閱資料找出問題從新設計，直到正確。在這過程中，也可通過網上師生互動平臺與教師交流獲取幫助。

第六步：預約實驗。通過以上各步驟學生已初步具備實際實驗的條件，就可將有關實驗資料通過校園網“實驗教學應用系統”中的實驗預約子系統提交并預約實驗時間，學校對具體實驗的時間只作彈性控制。

第七步：具體實施。按約定的時間進行實驗，實驗的順序為基礎型→綜合型→設計型，如果實驗做完后還有疑問，可在3-5天內隨時再做。

第八步：實驗報告。實驗操作完后，要寫出實驗報告整過實驗才算完成。

實踐證明，這種具有時間、空間、內容和過程都開放的實驗，能全面提升學生獨立思考的能力、解決問題的能力以及創新精神和綜合素質。

（三）建立材料力學實驗考核制度

由于傳統的材料力學實驗課附屬于其理論課，實驗沒有單獨設考，只在理論課考核時，有極少實驗內容，導致學生不重視實驗學習。為了激發學生參與實驗的積極性，建立一個既與理論教學相匹配，又有利于培養創新型人才的實驗體系，應對材料力學實驗進行單獨考核，辦法如下：

1.材料力學課程的總評成績由課程實驗考核成績和課程理論期末考核成績兩部分組成，實驗考核成績占總評成績的30%，期末理論考核成績占總評成績的70%。為進一步體現對于實際動手能力和創新能力的強調，可以要求實驗不及格者無期末理論考試資格，但應允許補考。缺實驗或實驗報告者實驗成績為不及格。

2.實驗成績由平時成績和書面考試成績構成。平時成績占20%，其中15%主要是對學生參加實驗的態度、作業質量、實驗報告質量及實際操作的掌握程度進行評價；5%用于對實驗創意質量進行評價。書面考試成績占10%，書面考試可預先設定一些思考題，考試就在思考題的范圍。思考題應包括基本題、綜合題和提高題，這些題沒有現成的答案，有的答案在平時實驗的體會中，有的答案在平時實驗的操作中，有的在教材和有關資料的綜合分析中，學生拿到這些題后，就會去查閱資料、相互討論，這樣，一方面加強和鞏固了實驗的基本知識、基本技能，另一方面又提高了學生理論與實踐結合的能力、綜合分析問題和解決問題的能力及協作能力。

（作者單位：貴州廣播電視大學）