卓越工程師培養計劃背景下材料力學實驗改革與實踐

張應紅，孫永厚，景 暉，李銳鋒，黃 偉

（桂林電子科技大學 機電工程學院，廣西 桂林 541004）

“卓越工程師培養計劃”是高校工程教育改革的一項重大舉措，對全面提高工程教育人才培養質量具有十分重要的作用［1－3］。我校機械設計制造及其自動化專業是教育部批準的第二批“卓越工程師培養計劃”試點專業，其培養方案提出“培養具有從事工程技術工作所需的工程科學技術知識以及一定的人文和社會科學知識，掌握扎實的工程基礎知識和本專業的基本理論知識，擁有解決工程技術問題的操作技能，了解本專業的發展現狀和趨勢，掌握選用適當的理論和實踐方法解決工程實際問題的能力，并具有產品和工程項目設計與管理經驗，具備良好溝通與交流能力，具有職業道德和責任心、較高工程素養和工程創新能力的高層次工程技術人才”的培養目標，而實驗教學正是培養學生具有這些能力的主要教學環節之一［4－6］。

1 材料力學實驗教學現狀

材料力學是機械設計制造及其自動化專業的重要基礎必修課程之一，也是結構力學、機械設計、工程有限元分析和機械振動等課程的基礎，其特點是理論性強，又與工程實際緊密聯系［7］。目前我校的材料力學實驗包括碳鋼與鑄鐵的拉伸、壓縮實驗，彎曲正應力測量，等強度梁的測定，彈性模量的測定，彎扭組合測量薄壁圓筒的主應力與剪應力等5個實驗，共10學時。這些實驗內容和目前國內大多數高校的實驗內容基本一樣，實驗方法呆板、教學手段單一、考核方式陳舊、實驗開設與工程實踐應用存在較大差距，不利于發揮學生的創造能力，不能滿足“卓越計劃”對學生工程能力培養的要求。因此，針對“卓越工程師培養計劃”的培養目標改革材料力學實驗教學具有重要意義。

2 實驗教學改革的探索與實踐

為了提高實驗教學質量，探索適合于“卓越計劃”培養目標要求的材料力學實驗教學內容、方法、手段和考核方式等新的實驗教學模式，在原有的實驗基礎上加入具有工程應用背景和實用性強的實驗內容，對學生進行全方位、多層次的訓練，提高實驗技能和動手能力，加深對基本理論和基本概念的理解和掌握，將所學知識用于解決工程實際問題，在實踐中發現問題、解決問題，從而提升工程素養和創新能力。

2.1 實驗內容改革

目前我校的材料力學實驗都是國內普遍采用的比較經典的實驗，因此對于原有教學模式下的理論教學具有一定促進作用，但是卻不能滿足“卓越計劃”的培養目標。只有通過課程改革，才能匯聚成卓越班學生所需的“貼近工程、貼近實際”的知識體系，才能實現“卓越工程師 ”的培養目標［8］。為此，我們對現有實驗內容進行改進，并增設了部分實驗項目，下面以彈性模量測量實驗和測力傳感器的設計與制作實驗為例進行簡單的介紹。

2.1.1 彈性模量測量實驗的改進

在單向應力狀態下測量應力、應變，是材料力學實驗的基本內容之一。原來的測量方法是教師在板狀試件上貼好電阻應變片，然后學生按要求設計不同的應變電橋橋路來完成彈性模量及橫向變形系數的測量。

原有的實驗具有一定的綜合性、設計性，但是缺乏工程應用的背景，不利于激發學生的學習興趣和創造激情。為此，我們引入曾經為某橡膠機械廠所做的一個應力應變測試項目［9］。該項目是為188全鋼巨胎液壓成型機進行應力測試。該機在硫化過程中需要較大的壓力，結構上采用12根鋼柱來進行鎖模。在生產過程中由于12根鋼柱受力不一致，導致受力較大的鋼柱斷裂。每根鋼柱的成本在10萬元以上，因此給公司帶來巨大的損失。公司經過很長時間的調試都未能解決12根鋼柱受力平衡的問題。后來該公司找到我們，我們通過測量12根鋼柱的應力應變來調整鋼柱頂部鎖緊螺母的方法，成功解決了安裝過程中鎖模柱的力平衡問題。圖1為現場測試圖，圖2為鎖模接口。

圖1 成型機現場測試圖

圖2 成型機鎖模柱

由于該項目中的鎖模柱是單向受力，因此將其引入彈性模量測試具有可行性。于是我們根據硫化機結構及工作原理設計了一個簡化模型及實驗裝置。模型用6根鋼柱模擬鎖模柱，通過螺旋裝置給上模施加載荷，使6根鋼柱處于單向拉力狀態，然后讓學生通過測量每根鎖模柱的應力應變來調整鎖緊螺母，讓每根鋼柱受力平衡，并選擇鋼柱上所貼的應變片進行組橋，測量鋼柱的彈性模量及橫向變形系數。

2.1.2 測力傳感器的設計與制作實驗

很多的物理量都與應力－應變密切相關，目前應變式傳感器普遍用于測量力、重力、壓力、加速度、位移、硬度、扭矩、蠕變等，而應變式測力傳感器是日常生活和工業中應用最為普遍和典型的傳感器之一。將測力傳感器設計與制作引入材料實驗，對學生掌握電測應力的具體應用、增強理論基礎知識、培養創新能力有很好的作用。整個實驗過程包括資料查閱、傳感器設計計算、有限元分析、彈性體加工、應變片粘貼和防護、傳感器標定和實際測量，均由學生自行完成。最后，學生撰寫設計報告并通過答辯介紹自己的設計思路和實驗結果。圖3為學生用有限元分析軟件建立的傳感器模型，圖4為學生制作的幾種傳感器彈性體實物圖。

圖3 傳感器模型

圖4 傳感器彈性體實物圖

2.2 實驗方法

實驗過程中，采用以問題為導向的教學方法［10］，編寫具有針對性訓練的實驗指導書。實驗指導書中去除了詳盡的實驗步驟，只給出實驗目的、實驗要求、應用背景、實驗設備及其使用說明，說明實驗過程中需要注意的事項，以提出問題的方式引導學生通過回答問題逐步深入實驗。列出解決這些問題需要查閱的參考資料，讓學生通過查閱資料、觀看網絡課件、視頻資料及相互交流來解決問題。實驗過程中以學生獨立分析、自主操作為主，以教師指導為輔，強調學生實驗過程的自主化和個性化。鼓勵優秀學生提出獨創性的力學測試問題，教師和學生合作，進行方案設計和完成測試過程，得到一些創新性的實驗結果。

2.3 實驗手段

一方面，為了提高力學實驗的教學效果，實驗過程中充分利用多媒體技術、網絡、視頻等現代化教學手段，建立力學實驗學習網站［11－12］，將課件、動畫、視頻、仿真軟件等資料上傳到網站，學生通過網絡提前預習，遇到問題可以在網上留言，通過論壇、QQ群等進行交流。另一方面，由于力學傳感器實驗所涉及的內容較多，工作量較大，需要學生花大量的時間和精力才能很好地完成，因此實驗采取分批次分散進行的方法。實驗室在一段時間內全天候開放，學生可以充分利用中午、晚上等課余時間進入實驗室進行實驗，給學生比較寬松的時間和環境，充分發揮學生的主觀能動性，將實驗做得更好，收獲更大。

2.4 實驗考核方式的改革

實驗考核是評價學生對實驗基本原理和實驗操作技能掌握程度的重要手段，正確的評價方法可以檢測學生的學習情況和客觀的評價教學效果，同時也會對學生的學習導向產生一定的影響［13］。在力學實驗教學中，我們既要注意對考試結果進行科學的評價，同時也要重視對學生參與實驗的過程進行評價［14］。學生每次實驗的成績由考勤、實驗態度、動手能力、實驗報告等內容構成。

我們將實驗總評成績分為平時成績和考核成績2個部分：平時成績根據5個實驗的難度和綜合性設計實驗的加權系數計算出來，占實驗總成績的60%；考核成績根據考核實驗的實驗報告、儀器操作、創新性、答辯情況等內容進行加權求和得出，實驗考核占總成績的40%。此外，為了提高學生參與實驗的積極性，給一些有惰性的學生制造一定的壓力，將實驗成績作為整個課程成績的30%，如果實驗成績不及格，則理論課成績無論考多少分，總評成績都不及格。

通過一系列的改革，學生普遍認為實驗對他們的能力和素質的提升有很大幫助。

3 結束語

力學問題在工程技術和生產生活領域應用相當普遍，材料力學實驗教學改革是“卓越工程師”背景下實驗課程建設的新探索，著重培養學生在掌握豐富的理論知識的同時能夠靈活運用所學知識去解決工程實際問題。通過改革實驗教學內容、實驗教學方法與教學手段、考核方法等內容，在豐富實驗教學內容的同時提高教學質量，對于培養高素質的工程技術人才具有重要意義。

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