獨立學院土木專業(yè)材料力學課程實驗教學研究與探討

張旭光 王秀振 李莉 肖明葵

收稿日期：2013-01-12

作者簡介：張旭光（1986-），男，重慶大學城市科技學院土木工程學院助教，碩士，主要從事地圖學與地理信息系統(tǒng)研究，（E-mail）36258802@qq.com。

摘要：針對獨立學院本科培養(yǎng)應用型人才的定位要求，總結(jié)傳統(tǒng)教學中存在的不足，結(jié)合獨立學院學生的特點，有針對性地探討改善實驗課教學質(zhì)量，提高實驗課教學效果的解決方法，探索適合獨立學院學生力學實驗課程的教學方法。

關(guān)鍵詞：材料力學；實驗課；教學方法；獨立學院

中圖分類號：G642423文獻標志碼：A文章編號：10052909（2013）05012504材料力學作為土建類學科的一門技術(shù)專業(yè)基礎(chǔ)課程，其教學直接影響專業(yè)課的學習。材料力學實驗課程是材料力學課程的重要組成部分，通過實驗課程可以更好地把理論與實踐緊密結(jié)合。學生通過自主動手，現(xiàn)場操作實驗，用所得的實驗數(shù)據(jù)與理論值進行對比，對公式進行驗證，了解不同材料的力學特性，可培養(yǎng)學生獨立思考問題、處理問題、以及實踐動手的能力，同時也可加深學生對材料力學理論內(nèi)容的理解[1]。

然而，材料力學實驗課程的教學在許多院校得不到重視。部分學生認為，實驗課可有可無，做實驗只是抄抄數(shù)據(jù)，寫寫實驗報告。學生對動手做實驗失去興趣，只看不做，或者隨意操作，應付了事。長此以往，隨著學生對實驗課重視程度的降低，開出的實驗課也難以達到預期的目的[2]。如何增強學生對材料力學實驗課的重視程度，激發(fā)學生的積極性，讓學生在實驗過程中開動腦筋、鍛煉分析解決問題和實際動手的能力，是材料力學實驗課程改革的方向和目的。

一、各類高校材料實驗課程開展現(xiàn)狀

材料力學課程是土建類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，全國相關(guān)院校相關(guān)專業(yè)普遍開設(shè)該門課程。由于各高校辦學培養(yǎng)目標和生源的差異，各類院校開設(shè)該課程的具體情況也不盡相同。985、211等重點大學，整體師資力量雄厚、辦學歷史悠久，力學實驗教學方案相對成熟。獨立學院招收的學生一般為三本生源，進校分數(shù)線與一二本學校生源存在差異，培養(yǎng)目標也不盡相同，如果生搬硬套他們成功的經(jīng)驗，往往事與愿違，達不到預期的教學效果，相反還會導致拔苗助長，不符合獨立學院的人才培養(yǎng)目標。在一些重點大學，材料力學由理論課教師和實驗課教師分別教授。雖然這樣可以減輕教師的工作強度，發(fā)揮各自的專長，但是在實施過程中，往往會出現(xiàn)由于教師之間溝通不暢，導致理論教學與實踐有所偏差。

高職高專學校的人才培養(yǎng)目標是培養(yǎng)面向生產(chǎn)一線的技能型應用型人才，由于該類學校定位側(cè)重于學生實踐技能的培養(yǎng)，通常只要求學生掌握具體的實驗操作方法和技能，與實驗相應的理論基礎(chǔ)教學部分往往被忽略[3]。

獨立學院是由普通本科高校（申請者）與社會力量（合作者，包括企業(yè)、事業(yè)單位，社會團體或個人和其他有合作能力的機構(gòu)）合作創(chuàng)辦的進行本科層次教育的高等教育機構(gòu)。由于社會經(jīng)濟發(fā)展迅速，普通一本、二本院校的教學資源已不能滿足社會需求，為了普及大學本科教育，提升國民教育水平，提高整體國民素質(zhì)，獨立院校順應時代發(fā)展應運而生。

獨立學院的培養(yǎng)定位介乎于一本、二本院校和高職高專之間。如何根據(jù)自身特點，形成自身的課程體系尤為重要。目前獨立學院材料力學實驗課主要存在如下問題。

高等建筑教育2013年第22卷第5期

張旭光，等獨立學院土木專業(yè)材料力學課程實驗教學研究與探討

其一，獨立學院主要側(cè)重于培養(yǎng)應用型人才，動手能力的培養(yǎng)尤其重要，但又有別于高職高專只重視實際操作的做法。大多數(shù)獨立學院辦學時間較短，在很多方面沿用母體學校的教學模式，教師過分強調(diào)理論闡述，而忽視了在實驗中培養(yǎng)學生的動手能力[4]。所開設(shè)的實驗課程大多屬于驗證性實驗，以至于學生知道實驗的目的是驗證某一定律，然后根據(jù)相應實驗步驟按圖索驥得出實驗結(jié)論，無論最終實驗數(shù)據(jù)正確與否都不會改變實驗結(jié)論的正確性。在這種現(xiàn)實情況下，學生對實驗操作漸漸沒有了預期，積極性也隨之降低。

其二，獨立學院辦學時間較短，招生規(guī)模大，部分課程安排不夠仔細，同一天內(nèi)有可能連續(xù)做幾門課程的實驗，學生在短時間內(nèi)難以消化，加之實驗室建設(shè)不夠完善，相應實驗課的配套儀器不齊全，使得大多數(shù)時間學生只能看，不能動手操作，力學實驗直接變成演示性實驗，嚴重影響實驗課的教學效果。

隨著科技的進步以及時代的發(fā)展，材料力學實驗也應該相應改善。傳統(tǒng)單一式的教學方法已遠遠不能滿足現(xiàn)代教學的需求，需要對實驗進行適當創(chuàng)新，探索適合獨立院校實驗課教學的新路。

二、獨立院校材料力學實驗課的探索

獨立學院材料力學實驗課程改革首先需要改革實驗內(nèi)容、教學手段和方法，應該與母體學校及高職高專有所區(qū)別?；讵毩W院培養(yǎng)目標的定位要求，筆者經(jīng)過實踐調(diào)查，初步探索了一些行之有效的教學方法，在實踐教學中收到了良好的效果。

（一）實驗內(nèi)容的改革

一般傳統(tǒng)的材料力學教學實驗內(nèi)容主要針對低碳鋼和鑄鐵的拉壓試驗，但是對于土木工程專業(yè)，今后工作將面臨的不僅有低碳鋼和鑄鐵這兩種材料，還會接觸大量的非金屬材料，如混凝土、木材、石材等。這些材料的力學性能實驗對于學生學習專業(yè)課程以及今后從事相關(guān)工作意義重大，因此，筆者建議在材料力學實驗教學中增加混凝土抗壓實驗，以滿足學生專業(yè)課程學習的需求[5]。

（二）問題式實驗教學方法的實踐

獨立學院的定位要求側(cè)重于培養(yǎng)學生的動手能力。根據(jù)相關(guān)理論知識，通過學生自主動手達到突出實踐操作、理論與實踐相結(jié)合的效果。下面以低碳鋼拉伸試驗為例闡述如何達到該效果。

低碳鋼拉伸試驗是傳統(tǒng)的教學實驗，是通過測定低碳鋼的屈服極限、強度極限、延伸率和面積收縮率等各項參數(shù)指標，繪制應力應變曲線圖，通過曲線圖了解材料在受拉時力與變形的關(guān)系（如圖1）。在材料力學課程中，對低碳鋼的力學性能作了詳盡的講解，學生在實驗前就了解低碳鋼在受拉時其變形要經(jīng)歷彈性階段、屈服階段、強化階段和頸縮階段等4個階段，實驗可以讓學生更為直觀地看到低碳鋼拉伸時的這種力學性質(zhì)。因此，實驗往往以觀看實驗結(jié)果為主。為此，設(shè)計了問題式實驗教學方法，以期在這一實驗過程中培養(yǎng)學生的觀察能力、分析能力和動手能力。

圖1低碳鋼應力應變曲線

在實驗課開始初，首先布置課前預習作業(yè)：“思考低碳鋼拉伸實驗目的是要驗證哪些力學特性，通過觀察哪些參數(shù)指標進行驗證，并將它們一一列舉。”接著，讓學生詳細閱讀理論內(nèi)容，自己分析總結(jié)，然后分組提問。由于學生對理論內(nèi)容已經(jīng)非常熟悉，因此第一問題很容易回答。對于后一個問題，正確的答案是通過對屈服極限、強度極限、延伸率和面積收縮率等指標進行測定，繪制相應曲線來觀察其中的關(guān)系。而學生的回答通常不夠全面，漏掉某個指標參數(shù)。這些問題反映出學生對理論知識不夠熟悉或者理解不夠深入，針對此要著重加以講解。以上兩個問題在材料力學教材中都有詳細的介紹，通過課前提問的方式，既可以進一步熟悉理論知識，有針對性地答疑，又避免了面面俱到的講解，節(jié)約了時間[6]。

接下來，進一步追加提問：“在實驗過程中怎么獲取這4個指標參數(shù)？”并讓學生分組討論。此問題是對此實驗原理的進一步升華。如果學生通過思考，分組討論，最終能夠很好地回答出該問題，那么此次實驗就達到了應有的效果。

為了讓學生更好地掌握實驗儀器的操作方法和相關(guān)注意事項，教師首先應親自演示實驗操作過程，讓學生知道通過實驗操作獲取相應指標，以便學生在自己動手操作時可以有重點的、有目的地進行觀察[7]。

首先，開動電源，打開液壓式萬能實驗機。在夾具上安裝試件，同時明確告知學生：“當液壓式萬能試驗機的上下夾具夾好鋼筋后，禁止開動上下升降按鈕”，并讓學生思考原因。該問題直觀性很強，只要認真觀察都能回答。學生通常都是圍繞“對儀器或者是試件有損壞”等進行回答。然后給出正確答案：由于萬能試驗機的夾具在夾緊鋼筋后，按上下升降按鈕會使得夾具瞬間損壞，甚至由于鋼筋的突然斷裂導致不可預知的危險，所以禁止開動上下升降按鈕。

接下來開啟送油閥。在送油的過程中，提示送油速度的快慢對所加荷載的影響，然后讓學生著重注意軟件上圖像在4個階段的變化情況。在彈性階段，可以提問：“為什么曲線呈線性？”由于教材中已經(jīng)作出相應解答：“此階段試件所受拉力在彈性范圍之內(nèi)，所以形變基本成線性；如果去掉外力，則試件會恢復到原來長度?！苯^大多數(shù)學生能馬上回答出答案。此問題可以加深對彈性階段圖像的認知。在屈服階段，可以讓學生思考“曲線為什么呈上下波動狀態(tài)”。經(jīng)討論后給出正確答案：荷載相同的情況下，由于試件突然變長，使桿端出現(xiàn)了微小位移，導致圖像出現(xiàn)微小波動。這樣大大加深學生對曲線形狀的理解。同時要引導學生關(guān)注此階段圖上應變值明顯增加的位置，讓學生回憶此點是什么點。有學生回答：“屈服點”。然后接著問：“屈服點有什么作用？”學生開始回憶理論知識，想到屈服點所對應的應力就是屈服極限，進而解決了第一個參數(shù)指標“屈服極限”如何獲得的問題。在強化階段，重點觀察曲線的轉(zhuǎn)折位置，以同樣方法讓學生找到“強度極限值”。當進入頸縮階段后，立刻讓學生觀察鋼筋的變化，此時，會看到鋼筋慢慢變細，最終被拉斷。

在實驗操作過程中，通過提問、思考、回答的方式已經(jīng)解決了如何觀察“屈服極限”“強度極限”兩個參數(shù)指標。接下來重點引導學生如何獲取剩余兩個參數(shù)指標。首先提問：試件延伸率的定義是什么？學生回答：延伸率是試件斷裂的長度和原長度的百分比。追加提問：根據(jù)這一定義怎么獲取數(shù)據(jù)？學生思考：由于原試件標距已知，只要獲取斷后試件標距即可。此時只需提醒游標卡尺的用法以及斷后試件標距的測量方法。面積收縮率也可用同樣方法獲得。這樣通過有針對地提出問題、重點觀察實驗、引導思考方向、學生自主回答四個步驟，既可輕松獲取了4個參數(shù)指標，又達到了教學相長、相互促進的目的。之后，還可以繼續(xù)提問：“低碳鋼拉伸實驗為靜力實驗，必須要保證所加荷載均勻，那么用什么方法可以達到均勻的效果？”這個問題剛開始看來似乎沒有頭緒，但實際并不難回答，在演示過程中已經(jīng)給了相應提示，部分學生通過回憶可以想到“送油的速度影響荷載的大小”。那么，稍加思考便可以進一步得到：“只要送油速度均勻，荷載便可以均勻增加?！蓖ㄟ^這些方法既讓學生牢記了實驗過程中的注意事項，又加深了對實驗理內(nèi)容的理解。

接下來讓學生自由分組自行實驗，由于之前的演示實驗已經(jīng)把相關(guān)問題及注意事項用問答的方式解決，學生印象十分深刻，因此，在自己動手操作實驗時就相對容易。分組實驗后，接著讓學生根據(jù)所測數(shù)據(jù)，繪制相應曲線圖。此時發(fā)現(xiàn)，每一組所繪制的圖像與理論圖像都存在差異。可以讓學生思考：“為什么有差異？”并作為課后思考題，在下節(jié)理論課前給予正確答案。學生經(jīng)過思考，大多圍繞儀器操作誤差（送油的速度）和所測實驗數(shù)據(jù)誤差等方面進行回答。除了這些原因之外，重點提示材料本身的質(zhì)量問題，使得最終答案更為全面。通過這些方法既可以延續(xù)學生思考實驗的熱情，又避免了實驗課學生盲目、隨意的情況發(fā)生。

三、結(jié)語

問題式教學主要是針對獨立學院的學生特點探索出的一條行之有效的方案，它不同于一二本大學教師單邊講授、學生單邊實驗的方式，也不同于高職高專只注重動手，而忽視理論教學的模式。通過提出問題——思考問題——回答問題的方法，不僅增進了教師與學生之間的互動，同時也鍛煉學生的動手能力和思考能力，大大改善了獨立院校材料力學實驗的教學效果。

參考文獻：

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On the teaching method of experiments of mechanics of

materials for civil engineering in independent colleges

ZHANG Xuguang， WANG Xiuzhen， LI Li， XIAO Mingkui

（City College of Science and Technology， Chongqing University， Chongqing 402160， P. R. China）

Abstract： Based on the requirement of cultivating applicationoriented talents， we concluded existent problems in the traditional teaching process and proposed some solutions by considering characteristics of independent colleges. The solutions can improve the teaching quality in the experimental teahing of mechanics of materials course in independent colleges.

Keywords： mechanics of materials； experiment； teaching method； independent colleges

（編輯梁遠華）