材料力學實驗教學改革與創新人才培養

劉雯雯， 杜云海， 王 志， 劉冰雁

(鄭州大學力學與工程科學學院，河南鄭州450001)

0 引言

目前是一個國際化的知識經濟時代，社會對人才的需求也逐漸轉化為對高素質、綜合性人才的需求。因此，加強對學生創新能力的培養成為高等教育的主要任務。與理論教學相比，實驗教學或許更有利于對學生創新能力的培養，實驗室可以讓學生從實踐中發現問題、解決問題并將所學到的知識運用到實際當中去。高校要培養具有實踐能力、創新能力和綜合能力的應用型人才，以適應21世紀社會對人才的需求［1］。

1 實驗教學現狀

傳統的力學實驗教學重理論輕實驗。實驗教學多是以教師按照多年固定的模式向學生傳授實驗知識和方法，使學生對實驗知識形成一種被動的接受，完全依賴于教師的講解完成實驗全過程。從而扼殺了學生的主動性、積極性和創造性，使學生不能自主學習，其創新精神和實踐能力都不能得到充分的發揮，實驗教學達不到培養學生動手能力的目的。

實驗教學內容均以理論驗證性實驗為主的基礎實驗［2-4］。主要有金屬材料的拉伸、壓縮、扭轉以及梁的彎曲正應力和彎扭主應力的驗證性實驗。內容單一，形式固定，工程實驗背景不強，使學生無法與工程實際相聯系，影響了學生的學習興趣和熱情［5］。

隨著高校的擴招，大學生在校人數不斷增多，以往的實驗場地及設備數量遠遠不能滿足現有學生人數的使用要求。從而形成了實驗過程中個別人操作，多數學生觀摩和記錄的現象。這就導致了許多學生抄襲以及對實驗敷衍的心理。另外，實驗室儀器及實驗設備標準老化，也已經不能滿足新時代、新規范的使用要求。這一切都直接影響了實驗的教學效果。

理論來源于實踐，由于教師很少有機會到工地參加實踐，難以對工程實際問題有全面的認識和了解，這樣就無法更好地結合工程實際使實驗內容更豐富起來，從而不能激發起學生對實驗的興趣和積極性。

對于實驗的考核，成績主要源于實驗報告的內容批改。由于設備數量的限制，形成了多人一組，這樣就出現了學生實驗報告相互抄襲，直接導致了學生對實驗教學不重視的態度。

很多學生實驗課結束后，就認為是任務完成了，對實驗數據的處理不夠重視，經常抄襲其他同學的結果，也不對結果進行分析。其實，力學實驗的數據處理和分析是很重要的一部分內容，這要求學生把繁瑣的數據處理完，并和實際目標相比較，分析誤差出在哪里，學會用逐差法、最小二乘法等數據處理方法來處理實驗數據，分析實驗中的不確定度，找到實驗結果不理想的因素，以便改進實驗。

2 實驗教學改革

首先改革傳統的教學模式。改變以往只注重知識的傳授，以灌輸為主的方式。新的教學方法，在教學過程中重視啟發教學，只交代問題的背景、起因和解題思路，讓學生自己開動腦筋，親自動手進行實驗，在實驗中總結并在實驗中發展。正確引導學生探求問題，確定學生在實驗教學中的主體地位［6-10］。

材料力學與工程實際緊密聯系在一起，所以我們可以借用多媒體實驗教學讓學生更生動、更全面直觀的了解現場實際問題，加深學生對知識的了解和應用，調動學生的積極性。使學生真正認識實驗教學的實用性和重要性［11-13］。

材料力學實驗教學內容的改革，除保留原有的傳統實驗教學內容，把實驗內容分為4個層面:

(1)基礎實驗。即金屬材料的拉伸、壓縮、扭轉、剪切和沖擊實驗。此類實驗讓主要學生了解、認識儀器設備的各種性能，能獨立操作完成實驗整個過程，在實驗過程中鞏固深化理論知識。另外在實驗教學中我們還可以結合工程實際，拓展豐富實驗內容。例如，可以對現場實際工程材料的檢測試驗(諸如金屬、非金屬材料力學性能的檢測)引入實驗室。讓學生親自動手參加不同材料力學性能的檢測，從中體會實驗的必要性和重要性，調動起學生的學習興趣和熱情。

(2)綜合性實驗。即梁的純彎曲實驗以及彎扭組合梁的主應力測試。這是一種理論驗證性的實驗。此類實驗可以強化學生對理論知識的理解和應用，并了解、掌握電測法實驗的工作原理及各種組橋的方式和使用方法?？山柚诙嗝襟w試驗教學，使實驗內容結合工程實際，讓學生更生動具體了解現場試驗的測試方法和手段，加深學生對力學實驗的正確認識。

(3)設計性實驗。以現場工程實際情況為背景，模擬現場實際問題，讓學生展開探索、開動腦筋。學生可以根據自己的學習興趣和能力設計不同深度的實驗，并親自動手完成各種實驗。例如可以根據實際的桁架橋，縮小比例，作出相應的桁架模型。學生可以根據現場實際情況，模擬、設計現場各種工況。先進行理論計算，再進行試驗測試并采集數據，把理論數據和試驗數據進行對比，發現并分析數據出現異同的原因，結合所學知識開動腦筋解決問題。學生在實驗過程中可以鍛煉發現問題和解決問題的能力。學習位移傳感器、壓力傳感器、百分表及位移計的使用，掌握電阻應變片的粘貼技術和測試原理以及更多了解電橋電路在實際工程中的應用。

(4)創新性實驗。基于全國大學生創新實驗，由指導教師帶領創新實驗小組學生深入實驗室，對感興趣的材料，比如蘆葦纖維、微注塑制品、設備零部件表面超硬涂層等的力學性能作出研究和初探。從實驗方案的設計到實驗材料的購買和加工，從實驗夾頭的CAD圖紙繪制到實際實驗中的加載、記錄、分析、數據處理等等，都由學生們逐項親自完成。這樣一方面增加了學生的主動性和積極性，在實驗進行過程中培養了學生們的創新能力，另一方面還培養了學生團隊合作的能力。歷時一年到兩年之后，很多同學都發現自己學到了很多書本上學不到的知識，通過分析實驗結果并在期刊上發表文章，也鍛煉了同學們的科研水平，為今后的進一步讀書深造打下了堅實的基礎。

增加、更新設備，做到實驗儀器自動化和現代化。增加實驗組數，減少每組人數，盡量給學生創造親自動手獨立操作的機會。開放實驗室，給學生充分的時間和空間［14-15］。

鼓勵高水平的教師下實驗室，并參與現場實踐。形成教學和實驗互相促進的形式，使教學、科研、實驗及工程實踐相互結合相互促進，提高教師的水平，從而提高教學質量。

改革實驗報告內容和考核制度。實驗報告是衡量學生對實驗內容掌握情況的依據，它反應學生分析問題和解決問題的能力。報告內容應該是更側重于對實驗現象和數據的分析。評定實驗成績以兩部分為主:一是根據每個學生在實驗過程中獨立完成的情況及實驗報告中對實驗現象和數據的分析情況評定成績。二是對積極參加創新和設計性實驗的同學進行加分。采用理論教學和實驗教學的考核成績相結合，其中實驗成績占材料力學總成績的10%。從而促進學生對實驗教學的重視程度。

3 結語

材料力學是土木工程、機械工程專業的基礎，它起著承上啟下的作用，為結構力學、鋼筋混凝土結構以及結構設計原理的學習打下牢固的基礎。材料力學與工程實際緊密的聯系在一起，具有很強的實用性。實驗教學是工科院校教學中的重要環節，它不僅僅是對理論教學知識的鞏固和補充，也為拓寬學生知識面和激發學生創新、設計、實驗搭建了一個服務平臺。通過對實驗教學的改革使我們認識到:只有搞好實驗教學的每一個環節，才能為人才培養目標打下堅實的基礎，才能培養出具有高素質實踐能力、創新能力和綜合能力的應用型人才。

［1］ 彭宜紅，曹 杰，朱永紅，等.抓住實驗教學各個環節，實現對學生知識、能力、素質的綜合培養［J］.實驗技術與管理，2003，20(2):108-111.

［2］ 張如三，王天明.材料力學［M］.北京:中國建筑工業出版社，2006.

［3］ 劉鴻文.材料力學［M］.4版.北京:高等教育出版社，2003.

［4］ 杜云海.材料力學(I)［M］.鄭州:鄭州大學出版社，2012.

［5］ 孫建國.關于材料力學實驗教學改革的設想［J］.力學與實踐，2004(3):88-89.

［6］ 劉萍華.材料力學實驗教學的創新與探索［J］.科技情報開發與經濟，2009，19(21):187-189.

［7］ 萬 鳴.按專業類設置材料力學實驗的教學改革實踐［J］.科技創新導報，2009(2):137.

［8］ 馮英先，徐志洪，董雪花.材料力學實驗教學改革實踐與探討［J］.力學與實踐，2002，24:59-60.

［9］ 官 邑，劉偉綱，袁蘇潔.材料力學實驗教學改革與實踐［J］.實驗技術與管理，2007，24(10):350-352.

［10］ 賈 虎，錢文軍.新形勢下材料力學課程教學改革［J］.南陽師范學院學報，2006，5(12):108-110.

［11］ 馬 建.實驗室創新能力培養的研究與探索［M］.西安:陜西人民出版社，2005.

［12］ 吳明亮，湯楚宙，謝方平，等.材料力學實驗教學改革初探［J］.中國現代教育裝備，2007(12):70-71.

［13］ 趙 婕.加強實驗室開放，提高學生創新能力［J］.西安郵電學院學報，2007，12(1):135-136.

［14］ 趙 冰，杜小明.土木工程專業材料力學實驗教學改革的探討［J］.科技教育，2010，26:187.

［15］ 吳新如，王習術.激發大學生材料力學實驗動手與分析的能動性［J］.力學與實踐，2006，28(6):81-83.