新工科視域下基于分層次實驗的材料力學實驗教學改革

章芳芳，朱紅英，黃小峰 （武漢城市學院，湖北 武漢 430083）

當前新工科建設要求打破傳統工科模式，強調“創新+綜合”能力培養，注重高素質和實踐能力培養。為順應時代發展，土木工程專業人才培養方案應以培養學生“創新+綜合”能力為基準，“強基礎、強實踐、重創新”，各門課程教學應踐行新工科要求。任何學科的形成和發展，都離不開實驗和實踐。材料力學實驗，既是材料力學理論形成和完善的基礎，也是驗證其理論正確性、測定材料性能和解決工程問題等的手段。材料力學作為專業基礎課，在土木工程專業人才培養中有著重要地位，尤其材料力學實驗是進一步實現新工科人才培養的關鍵環節。為有效培養學生的創新綜合實踐能力，深化工程意識，材料力學實驗的教學改革至關重要。

1 材料力學實驗教學現狀

目前，我校城建學部材料力學教學現狀如下。

1.1 實驗教學理念不夠與時俱進

材料力學課程總學時64，其中實驗8學時，穿插理論于教學中。在教學安排時，普遍認為材料力學實驗從屬于材料力學課程，是為了理論課程學習后驗證其中的基本原理或測試材料的基本力學性能，不作為一門單獨課程設置。實驗成績也不單獨考核，僅作為材料力學課程平時成績，按一定比例計算。以上實驗教學理念較落后，造成師生對材料力學實驗不夠重視，忽略了實驗是提高學生工程技能的重要途徑，是進一步實現新工科人才培養的關鍵環節。

1.2 實驗內容和教學模式較單一

材料力學實驗大綱中均為演示驗證性實驗，包括低碳鋼和鑄鐵拉伸、壓縮和扭轉實驗；彎曲正應力電測實驗；彎扭組合主應力電測實驗。實驗類型單一、基本原理固定、操作步驟按部就班，脫離了建筑工程實際，不具備探索創新性。

在實驗課堂之初，教師講解具體實踐步驟并進行現場演示，學生圍觀觀看。課堂講解和演示時間較長，使本身學時不多的實驗課堂上能進行實驗的學生組數更有限。填鴨式教學導致學生積極性不高，體現不出創新綜合實踐能力的培養過程。

鑒于上述現狀，本文基于新工科背景下的“創新+綜合”能力，根據本校材料力學實驗教學開展現狀，進行了分層次實驗教學改革與實踐。

2 基于分層次實驗的材料力學實驗教學改革

2.1 強化基本型實驗夯實專業基礎

基本型實驗是材料力學的傳統驗證型實驗，主要用于測定材料力學性能、驗證理論課程中某些基本原理及分析桿件應力和應變等。基本型實驗是分層次實驗的基礎，既可以加深學生對所學基本理論知識的理解，又可使學生熟悉實驗儀器設備掌握基本操作方法，從而為后面的綜合創新實驗做準備。基本型實驗教學流程如圖1所示。

圖1 基本型實驗教學流程

2.1.1 基本型實驗教學內容

基本型實驗設置五項，在相應理論內容學完后安排，分別為低碳鋼和鑄鐵拉伸、壓縮、扭轉實驗、純彎曲正應力和彎扭組合主應力電測實驗。

2.1.2 基本型實驗教學方法

為強化學生對驗證性基本型試驗的掌握，應在有限學時內采用多樣化教學模式提高試驗效率。采用線上線下混合式教學、翻轉課堂等多樣化方式，保證在實驗中體現“全學員化”，課堂以學生為主體。為了保證“全員化”,提高動手實驗效率，在有限課時內全體學生有機會動手操作，采用翻轉課堂教學，以便學生在課堂上有更寬裕的實踐時間。課前實驗教師在學習通平臺發布學習任務點，學生自學實驗指導書和觀看事先錄制的微課，任務點完成情況作為平時成績以便督促學生自主學習。課堂上實驗教師ppt結合板書簡短講解原理和操作，留出更多時間學生操作、記錄數據和指導學生，全程監管學生動手情況。數據處理和實驗報告在課堂上完成，既可避免學生課后相互抄襲影響成績評斷的客觀性，也可以鞭策學生課前認真預習且在課堂用心實驗，提高團隊協作能力。

2.1.3 基本型實驗考核方式

基本型實驗成績考核時，學習通平臺在線任務點預習占20%，動手操作占40%，報告成績占40%。

2.2 引入綜合型實驗培養綜合能力

為凸顯新工科理念，在學生掌握了基本型實驗原理和儀器操作的基礎上，引入綜合型材料力學實驗選題，著力于培養學生的綜合實驗能力，培養學生發現問題探索問題的能力。

2.2.1 綜合型實驗教學內容

綜合型實驗是基本型實驗的延伸，內容設置可多樣化，盡量和建筑工程實例相結合，以適應不同學生需求，提高材料力學知識的掌握。材料力學綜合型實驗選題，可由教師收集整理提供給學生，也可由學生自主提出。選題保證內容與材料力學內容有關聯，能夠在已有的實驗室環境下或自行設計出的小設備下實驗。結合各種材料力學實驗參考資料及實驗室條件，綜合型實驗部分選題見表1所示。

綜合型實驗選題表[3-5] 表1

2.2.2 綜合型實驗教學方法

綜合型實驗旨在是鍛煉學生方案設計和實驗操作的綜合能力，啟發創新思維。該實驗不占用專門的上課學時，采用開放實驗室的方式在課后進行。部分實驗推薦學生結合midas數值仿真軟件對比實驗數據，著力于培養學生的工程軟件應用能力。

教師不在課堂專門講解原理和步驟，主要起引導和指導作用。以學生為主體，學生設計研究為主，不再是觀看直接提供的操作視頻為前提。學生先自行分組，各組根據情況選擇1-2個選題。教師提出實驗目的，說明實驗設備和工具，提供必要的材料或試件，進行必要的答疑和指導。學生在課余查閱資料弄清實驗原理、設計實驗方案、完成實驗操作、記錄實驗數據、處理實驗結果、結果分析、設計和完成實驗報告或實驗論文。

以同面積不同截面形狀下靜定梁抗彎承載力測定實驗為例，介紹該實驗教學方法。

梁板等受彎構件在工程實踐中大量存在，因抗彎承載能力不足而產生破壞的建筑工程事故屢見不鮮。在綜合型實驗中，選題與工程實踐相結合，教師提出以上實驗背景，安排學生進行不同截面形狀在面積相等情況下靜定梁抗彎承載力的測定，設計試驗方案、自主進行應變儀接線、數據處理和結果分析比較。學部實驗室早八點至晚八點開放。

學生組通過思考和查閱資料，綜合型實驗方案設計如下：

①測定實驗彎曲正應力σ

采用鋁合金材質的簡支梁，彈性模量E為72GPa，跨度L為600mm，對同面積的工字形(HW1001006/8)、圓形和矩形（高寬比3：2）截面進行加載實驗，比較彎曲正應力，從而確定抗彎承載力排序。

以基本型實驗中純彎曲正應力實驗原理和電阻應變儀為基礎，在簡支梁試件跨中逐級加載,在試件加載處按照單臂半橋接線法粘貼電阻應變片，初始載荷為0，每級增量載荷△P=100N，加載5次，測得每級加載下的應變值ε。根據公式σ=Eε，得到平均增量實驗彎曲正應力σ。

②理論彎曲正應力σ

簡支梁在跨中集中等增量荷載作用下，最大彎矩出現在跨中處，△M=△P×L/4可計算截面上下緣處的最大正應力作為理論彎曲應力值。理論彎曲應力值公式如下：

σ=△M/W

已知簡支梁跨徑，計算跨中處彎矩和不同截面下抗彎截面模量W，根據上式即可確定出理論彎曲正應力σ。

③Midas軟件數值仿真計算彎曲正應力σ

以Midas數值仿真軟件為輔助工具，建立三種截面形狀下簡支梁的加載模型，進行靜力計算后得到數字仿真應力值σ。Midas仿真模型如圖2所示。

圖2 Midas數值仿真模型

④數據比較和分析

經過實驗計算、理論計算和建模計算，得到同面積不同截面形狀的彎曲正應力數值如表2所示。

簡支梁彎曲實驗應力、理論應力與Midas計算應力和相對誤差 表2

分析表中數值，可見各截面彎曲實驗應力、理論應力與Midas計算應力的最大相對誤差在2%以內，數據有效。

⑤實驗結論

綜合型實驗表明：該實驗方案、實驗裝置、實驗數據處理、Midas建模，均較合理。且根據該實驗可知，同種外載條件下的簡支梁，橫截面形狀不同時，W不同，抗彎承載能力有差異。工字形截面的W最大，抗彎能力最強；矩形截面其次；圓形截面的W最小，抗彎能力最弱。在進行受彎構件工程設計時，在同材料同外載同截面積的情況下，應選擇合理截面形狀，W較大者梁的抗彎承載力較高。

在簡支梁抗彎承載力綜合型實驗過程中，學生不僅鞏固了教材中彎曲正應力計算原理，對教材外的應變片單臂半橋接線、Midas數值仿真軟件應用、工程設計合理措施等有了更深刻的理解，綜合能力得到了質的提升。

2.2.3 綜合型實驗考核方式

綜合實驗最終成果以報告或論文形式提交。綜合成績的確定結合過程表現和報告（或論文）質量。教師在整個實驗過程中進行必要的答疑指導，關注各組員的參與情況。該實驗作為學生課后作業形式，計入學生平時成績。

2.3 設置創新型實驗培養創新思維

創新型實驗為部分有個性化發展需求的學生提供了較好的實驗平臺，開放實驗室，可促進學生通過實驗、研究和分析，來解決實際問題，提高學生團隊合作能力，培養探索創新思維。

創新型實驗涉及結構制作和科研實踐項目等。學生可充分利用開放實驗室的設備，參與校內科技文化節中竹橋、竹房屋結構等制作；參與湖北省大學生結構設計競賽中指定模型的制作；參與教師科研項目進行新材料性能的測定等。也鼓勵學生自擬創新性實驗選題，利用已有設備或自行設計專門小設備，進行研究，為參加校外挑戰杯等比賽做準備。

3 結語

為踐行新工科理念，培養學生“創新+綜合”能力，對材料力學實驗課程進行了教學改革與實踐。筆者以2019級土木工程專業學生為對象，實驗教學遵從漸進性原則，開展分層次實驗教學后，學生反饋效果良好，理論基礎更為扎實，綜合創新能力有了較大提高，對本專業學習產生了更濃厚興趣。構建新工科背景下基本型、綜合型和創新型材料力學實驗教學體系，實現實驗教學深度循序漸進，使學生在掌握基本原理和操作技能的前提下，和組員協作努力并在老師指導下進行綜合創新設計，對提高自身創新和實踐能力，具備基本新工科人才素質，有促進作用，響應了新工科建設要求。