材料力學實驗教學的探索與創新

劉曉明 李明林 鐘建華 鎖要紅

0 引言

材料力學本身的性質決定了實驗教學在材料力學整個教學過程中是必不可缺的重要環節，這是因為大量的材料機械性能的測定是建立材料力學本構關系及理論的基礎。同樣地，材料力學的定律及理論是否符合客觀實踐，也必須通過實驗加以驗證。因此，材料力學實驗對材料力學教學至關重要。

隨著時代發展，目前的材料力學實驗教學逐漸無法滿足本科實驗教學需要，無法調動學生的積極性和主觀能動性，難以使學生的動手能力和創新能力得到真正的培養和提升[1]。本文首先分析當前材料力學實驗教學中存在的問題，然后提出一些改革措施，希望能夠進一步完善實驗教學，提升學生的整體實力。

1 實驗教學現狀

目前材料力學實驗教學存在許多問題，如實驗課時少、學生不夠重視等。結合筆者多年來的實驗教學經驗，以下兩點最為突出。

1.1 教學內容相對簡單

目前，材料力學實驗一般可分為三大類：測定材料機械性質的實驗、驗證材料力學理論的實驗和實驗應力分析。由于材料力學實驗在理論課程中的輔助定位及課時限制，大部分高校的材料力學實驗教學內容還是以演示性實驗與驗證性實驗為主，綜合性和設計性實驗較少甚至沒有。老師基本是采用演示方法授課，學生只是被動接受。此外，學生課前沒有預習，課堂上老師為學生講解實驗內容、實驗儀器、實驗原理和注意事項等，然后按照實驗步驟依次操作演示，一般這個過程就需要1 個課時，留給學生親自動手操作的時間不多。例如拉壓實驗由于設備數量及實驗教師較少的原因，一個班級里只有少數學生可以親自動手操作，這樣最終導致很多學生對實驗過程失去興趣，教學效果明顯大打折扣[2]。

1.2 考核方式過于簡單

目前實驗成績主要分為報告成績和實驗過程成績兩部分。但是在實驗教學實施環節中，因學生人數眾多教師常常無暇顧及所有學生的課堂表現，對學生的實驗過程考核存在一定的難度，所以眾多實驗成績便舍棄實驗過程成績，僅通過實驗報告進行成績評定及考核[3－5]。這種考核方式的最大弊端是學生對材料力學實驗課程不夠重視，課前不預習，在實驗過程中不認真動手操作、不思考、應付老師，課后抄襲其他同學的實驗報告，這樣的考核評定既無法真正客觀地對學生進行評價，又無法使每個學生都通過實驗提高自己的動手能力和實驗技能，最終導致實驗教學效果堪憂。

2 實驗教學改進措施

針對上述材料力學實驗教學中存在的兩個突出問題，本文提出以下改進措施。

2.1 豐富教學內容

2.1.1 在原有實驗的基礎上豐富實驗內容

在拉伸實驗中，除了原有的低碳鋼和鑄鐵棒狀拉伸試樣，還可以增加其他材料（比如鋁合金和塑料等）的棒狀和板狀拉伸試樣，事先對學生進行分組，5 個學生一組，每組學生分配一種試樣。福州大學材料力學性能實驗共有四種不同噸位的萬能試驗機：100KN、200KN、300KN 和 600KN。在實驗前，讓學生根據試樣的大小尺寸、試樣的材料參數計算這種試樣拉斷所需的最大力，來選擇相近噸位的試驗機；然后查閱相關文獻，設計好實驗方案包括控制方式（位移控制、程序控制、應力+ 應變+ 位移控制等）、用戶參數（試樣直徑、試驗厚度等）、結果參數（最大力、抗拉強度、下屈服強度等）、結果輸出的格式等；通過查閱資料對試樣的力學性能和實驗現象有個初步了解，同時將預先錄制的實驗演示視頻事先發給學生觀看，讓他們熟悉設備的工作原理及操作流程，節省課內演示介紹的時間，這樣為學生爭取更多親自動手操作的時間；最后將這些前期工作匯總寫成一份預習報告上交。實驗時，學生根據試樣的外形尺寸選擇相應的不同直徑或厚度的夾具，如圖1 所示，并親自安裝夾具。同時根據之前設計好的實驗方案親自在實驗軟件上編輯實驗方案，并完成實驗。課后安排對實驗現象和數據結果進行分析，將實驗得到的拉伸實驗現象和曲線，與資料給出的這種材料常規的拉伸實驗結果進行對比，觀察自己實驗的特點，提出問題，小組成員一起分析探討，并將其寫在實驗報告上，這樣學生在親自動手實驗和思考的過程中，會形成一些獨特的認識，同時更好的鍛煉了學生的動手能力和解決問題的能力。

圖1 拉伸夾具

2.1.2 增加開放性實驗

傳統應力測試實驗一般是應變片已經事先貼好，學生只需接線測量即可。這樣學生如果在實際工作中需要測量應力時必然不懂如何粘貼應變片，沒有真正起到鍛煉學生動手能力的作用。所以應開設粘貼應變片這樣的開放性實驗，讓有興趣的學生自主選擇，培養學生的動手能力，讓學生真正理解電測法的原理。選擇這個實驗項目的學生可不用再參與其他應力測試實驗。這個實驗項目內容包括：（1）確定測量方案：根據理論分析結果選擇測點位置，根據測點應力狀態和溫度補償原則確定應變片的布置和組橋方案；（2）應變片的選擇：根據被測物體大小選擇最適合大小的柵格的應變片、根據測試環境溫度選擇適合的溫度范圍的應變片等；（3）根據測量精度要求、數據采集數目和速度選擇測量儀器；（4）粘貼應變片：根據試樣材料和測量溫度等選擇黏結劑和黏結工藝，還要考慮導線電阻、分布電容和溫度變化的影響等；（5）測量：接線完畢，先對測量儀器進行調試：預加載再卸載1- 3 次，預調平衡，正式測量時重復加載2- 3 次；（6）測量結果分析及完成報告：分析已采集的數據，并將其轉換成應力或主應力。經過分析處理給出相應結論，例如，給出精度評價或不確定度分析。測量實驗報告應包括必要數據、計算依據與計算結果、精度評價、實驗結論等。

2.2 優化考核方式

實驗成績是對學生整個實驗環節的綜合評價，應反映出學生在實驗過程中的操作能力和解決問題的能力。僅通過實驗報告的考核無法真實反映學生的實驗能力。為了更加公平客觀地評價學生的實驗能力，材料力學實驗的考核應采取預習報告、課堂表現和實驗報告的綜合評價體系，其中預習報告和課程表現各占30%，實驗報告占40%。福州大學的材料力學實驗除了拉壓外，其他實驗均兩人一組配合做實驗。這樣老師不僅可以監督學生實驗過程是否規范，還可以根據學生在實驗過程中的表現，進行過程考核。同時實驗前事先跟學生強調必須在實驗報告上寫上同組成員姓名和學號，不同小組之間的實驗數據是不同的，這樣就需小組兩個成員配合得到自己的實驗數據，增強學生的參與感，有效減少了不同小組間相互抄襲實驗數據的現象。對于像拉壓實驗這種小組成員較多的情況，可根據前面所說的讓學生將前期調研工作寫成預習報告上交，報告中明確標注每位學生的分工，老師根據分工對學生進行提問，給出成績。

3 結論

材料力學實驗是工科的一門重要的專業基礎實踐課程，不僅讓學生體會到理論知識的實際應用，還可培養學生動手創新的能力。本文從實驗教學內容和考核方式兩方面對材料力學實驗進行探索和改革，旨在改善目前材料力學的教學質量、豐富教學內容，提高學生對實驗的積極性和主觀能動性，培養學生動手能力、設計和創新能力，同時也提高學生的科研能力。當然，材料力學實驗教學還有很多問題值得我們探索，對實驗課程教學的探索和改革是一項長期的工作，任重道遠。