問題式教學法在工程力學實驗教學中的應用

吳蒙蒙 楊少紅 吳菁

摘? 要：實驗教學是工程力學課程的重要組成部分，提高實驗教學質量一直是實驗教學改革的焦點，分析現有實驗教學方法的不足，將問題式教學法引入工程力學實驗教學過程中，通過提問的方式達到預習回顧及復習的目的。問題式教學法是一種對邏輯要求較高的教學法，能充分發揮學生的主體作用，引導學生準確高效地完成實驗操作，學生對其認可度很高。以金屬材料拉伸實驗為例，詳細敘述了問題式教學法在實驗教學中的實施過程。問題式教學法在實驗教學中的應用顯著提高了實驗教學效果和學生學習的主動性。

關鍵字：工程力學? 實驗教學? 教學改革? 問題式教學法

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）01（a）-0000-04

Abstract： Experimental teaching is an important part of the course of engineering mechanics. Improve the quality of experimental teaching has always been the focus of experimental teaching reform. For the deficiencies of the existing experimental teaching methods， the problem-based teaching method will be introduced into the engineering mechanics experiment teaching process. Problem-based teaching method requires higher logical thinking， which can promote the initiative of the students. It is recognized by students highly. Taking metal tensile test as an example， the implementation process of problem-based teaching method in experimental teaching is described in detail. The application of problem-based teaching method in experimental teaching has significantly improved the effect of experimental teaching and the initiative of students.

Key Words： Engineering mechanics; Experiment teaching; Teaching reform; Problem-based teaching method

實驗教學是培養大學生工程技術能力和實踐動手能力的重要途徑，實驗教學過程更加重視對學生自主學習能力和創新能力的培養，是工程力學教學過程中的重要環節，其中實驗教學內容、教學方法、教學手段和教學實施過程，對實驗教學的效果都將產生重要影響。工程力學作為理工類專業的一門重要基礎課程，是學生今后學習專業知識的必備基石，且課程具有較強的工程應用性，是解決工程實際問題的重要基礎[1]。工程力學是以工程實踐為主的學科，工程力學實驗課程的學習與實踐對培養學生的動手能力、創新精神及探索欲望有很好的促進作用，使學生初步掌握科學的研究方法及科研思維能力。擁有良好的實驗技能對學生未來的工作學習起著很好的鋪墊作用，因實驗教學更貼近實際工程，問題也最直接，因此有著比理論教學更好的人才培養效果[2-4]。因此，如何進一步改進工程力學實驗教學質量，不斷提升人才培養素質，一直是工程力學實驗教學與改革的焦點問題。

1? 工程力學實驗教學改革的背景

實驗教學的作用主要是驗證理論知識，培養學生的探究、思索及動手能力，要求學生在掌握相應理論知識的同時，還需具有與本專業相關的工程實踐操作能力[1]。而軍校實驗教學是在軍隊院校這個特殊的環境下進行的實踐性教學環節，目的是提高軍校學員的綜合素質[5]。目前各專業實驗課程較普遍應用的教學方式為“教師講授+演示+學生實驗”的模式，整個實驗教學過程中都是老師主導學生進行實驗，忽略學生的主觀能動性，學生只能在老師的組織指導下，小組合作，按照實驗指導書的操作步驟按圖索驥地進行操作，進而驗證相應的理論知識，填寫實驗數據整個實驗操縱下來，對實驗的基本原理及設計思路缺乏認識，導致學生做實驗只為了完成實驗教學任務，拿到相應的實驗成績，至于實驗目的、實驗原理學生一概不知也不關心，只記得試樣在受力過程中被拉伸至斷裂這一現象，而對實驗整個過程的注意事項視而不見，比如實驗對試樣、溫度、應變速率的要求，各種實驗條件選擇不當對實驗結果的影響等，同時，實驗報告抄襲現象嚴重，這也導致學生的動手能力、應用所學知識的能力嚴重不足[6]。這樣的教學方式直接導致學生上完實驗課后，僅能夠在基礎知識和試驗基本操作方面有所了解，難以在能力培養和分析創造能力上有所進步。這樣的實驗教學模式極大地抹殺了學生學習過程中的創新性和批判性思維，打擊了學生對實驗課程的學習興趣。而且目前開設的工程力學實驗項目仍然是集中于對常規材料力學特性的研究和驗證，沒有結合各專業特點有針對性地進行實驗設計，實驗缺少探究性與應用性，致使學生普遍對實驗課的重視程度不足，沒有充分發揮實驗課程開設的教學與實踐意義[7-8]。針對上述問題，本文以我校工程力學實驗課程為例，將問題式教學法引入實驗教學過程，從而達到提高實驗教學質量的目的。

2? 問題式教學法

問題式教學中問題的提出可以用“3W1H”縮寫來描述，3W1H問題式教學法是北大青鳥集團軟件培訓團隊在多年教學實踐中總結出來的一個非常有效且實用的教學方法[9-12]。在實驗教學中，第一個“W”指What，即學生要清楚要做什么實驗，實驗內容是什么，實驗原理是什么，實驗目的是什么，這樣才能在操作實驗過程中有的放矢。第二個“W”指Why，即學生要清楚為什么做這個實驗，為什么這樣做，由此培養學生的辯證思維，從而培養學生舉一反三的能力。第三個“W”指Where，即學生要清楚這個實驗在什么樣的設備上進行，實驗的結果將會應用在什么地方，達到知其然并知其所以然的目的。最后一個“H”指How，即學生要清楚如何做這個實驗，遇到問題如何解決以及實驗過程中有哪些注意事項，充分發揮學生的主觀能動性，進而培養學生獨立解決問題的能力。3W1H教學法清晰地將實驗過程進行模塊劃分，學生通過提前預習實驗指導書，并在實驗前通過回答上述“3W1H”的問題，達到對整個實驗的邏輯結構有個明確的認識，實際做起實驗也就更加得心應手，對實驗過程出現的現象及實驗結果能夠進行合理解釋。因此，相比較傳統的“講+演+做”教學模式，3W1H教學法更能充分發揮學生的主體作用，使學生對實驗思路更加清晰，做實驗過程更加自信從容，更能加深學生對工程力學理論知識的認識，在教學上達到理論指導實踐，實踐加深理論認識的目的。

3? 3W1H問題式教學法在實驗教學中的應用

實驗過程是一種特殊的區別于理論課程的教學實踐環節，它對學生的動手能力要求比較高，整個實驗過程希望學生能夠獨立完成，因此更加有助于培養學生的主觀能動性。本文以工程力學中經典實驗“金屬材料拉伸實驗”為例，詳細地闡述3W1H問題式教學法在實驗教學中的應用過程。

3.1 “What”階段的實施

這是發現問題階段。實驗開始前，學生通過提前預習實驗指導書，了解金屬材料拉伸實驗所用的材料是什么，試樣的標準是什么、實驗的內容是什么，實驗的原理是什么，實驗目的是什么等，進而對整個拉伸實驗有個初步了解。拉伸實驗是材料力學性能測試實驗中最基本、最易操作的實驗，通過拉伸實驗可以得到材料的屈服極限和強度極限，進而得到材料的許用極限，建立材料的強度條件，解決材料強度問題。實驗對典型塑性材料低碳鋼和典型的脆性材料鑄鐵的標準試樣在常溫、緩慢加載的情況通過電子萬能試驗機進行拉伸實驗，試樣在拉力的作用下會發生變形，每一個力都對應一個變形值，這些數值通過電子萬能試驗機的力傳感器和位移傳感器，再經由放大裝置，從而繪制出試樣在拉伸過程中的力-變形曲線（或應變曲線）。不同的材料在拉伸時展現出的力學性能不同，通過分析材料拉伸時的曲線，得到材料的彈性模量E、屈服極限、強度極限等材料力學性能參數，并觀察塑性材料和脆性材料拉伸時不同的實驗現象，了解材料不同的破壞機理。同時老師對學生進行實驗講述時，也要對實驗內容進行有延展性的拓展，例如這個實驗的起源是什么，物理意義是什么，這個實驗的結果會應用在什么問題中，解決什么問題等等，從而增加了實驗的科學性和趣味性，使學生對實驗產生敬畏之心，從而更加重視整個實驗過程。

3.2 “Why”階段的實施

學生回答完“What”后，已經對實驗過程了然于心，但在進行實驗時，希望學生能夠全方位多角度地了解實驗，從而學生也將對實驗過程提出一些疑問，因此接下來就要進入“Why”階段了，即提出問題階段。不同的材料力學性能一般不同，我們為什么只選用兩種金屬材料，實驗過程為什么要緩慢加載，為什么試樣在拉伸過程中低碳鋼會出現滑移線而鑄鐵不會出現，為什么低碳鋼拉伸時的曲線在頸縮階段會出現下降，能否直接通過直接得到材料斷裂時的延伸率等。這些問題是學生從了解實驗到掌握實驗的重要過渡，此時老師應該循序漸進地引導學生自己去找到答案。即雖然金屬材料的種類不勝枚舉，但是總可以將其歸為塑性材料或脆性材料，每一類材料在拉伸過程中所展現的力學性能相似，因此只需要取其中典型的材料來類比得到其他材料的力學性能，而低碳鋼和鑄鐵分別作為作為典型的塑性材料和脆性材料，不僅因其力學現象直觀，而且材料便宜易得，因此被廣泛應用。而緩慢加載目的是要保證實驗是在靜載荷作用下進行的。拉伸時曲線中對應的應力是指的名義應力，即通過試樣實際受力除以試樣的原始面積得到的應力，因為頸縮階段試樣實際面積減小，所以拉斷試樣所需的力就減小，所以名義應力減小，但是試樣在頸縮階段的實際應力是不斷增加的，這些都是老師要向學生講明白的。

3.3 “Where”階段的實施

回答完“What”和“Why” 問題以后，學生對金屬材料拉伸實驗的理論知識已經掌握，接下來就要開始動手實驗了，此時學生首先要指導本次實驗在什么設備上進行，即在哪里進行實驗。實驗所用試樣是按照國家統一標準制定的標準圓試樣，實驗所用的設備是新三思電子萬能試驗機，如圖1所示，該試驗機由上下兩部分組成，上半部分為進行拉伸實驗部分，下半部分為壓縮試驗部分，學生一定要清楚。將試樣按照實驗步驟夾持在試驗機的拉伸部分的上下夾頭處開始實驗，此時學生不需要做任何操作，只需觀察整個拉伸過程中試樣的變化現象，電子萬能試驗機通過自身力傳感器和位移傳感器自動記錄材料在拉伸過程中的力和位移的數值，并繪制出相應的曲線，簡單易操作[13-14]。

3.4 “How”階段的實施

“3W”階段實施完成后，下面就要進入具體實驗操作階段，即“How”階段：如何正確進行金屬材料拉伸實驗，最終完成實驗目的。

首先，測量試樣數據

分上、中、下三處測量低碳鋼和鑄鐵試樣的原始直徑d0;測量試件中間均勻部分的標距長度L0。

再次，安裝試件

先裝上夾頭，再裝下夾頭。

然后，點擊運行按鈕，開始實驗

觀察實驗過程中試樣的變化及拉伸過程中的曲線的變化。

最后，實驗結束，記錄實驗數據，繪制曲線，計算材料的屈服極限、強度極限、彈性模量E、延伸率δ、斷面收縮率Ψ等力學參數，并解釋實驗現象，關閉實驗機。

為了保證實驗數據的準確有效，實驗操作過程一定要按照上述順序進行。

4? 3W1H問題式教學法的應用體會

應用3W1H問題式教學法進行工程力學實驗教學時，教師要引導學生發現問題（What）、提出問題（Why）和解決問題（How），適當延伸實驗教學內容，將實驗目的與工程實際相結合，從而激發學生主動學習的欲望，培養學生進行獨立完成實驗的信心，并鼓勵學生大膽解釋實驗現象，這是學生獲得成就感的絕佳機會。實驗教學的目的就是提高學生動手實踐能力，3W1H教學法解決了傳統教學法的“重理論、輕技能”問題，激發學生去主動思考與實踐，增強了實驗教學的實用性。

5? 結語

3W1H問題式教學法為學生提供了實驗操作過程中一套嚴謹的思維邏輯，學生沿著3W1H步驟進行實驗準備和操作，不僅能更準確高效地完成實驗，更能加深對理論知識的理解，達到事半功倍的目的，3W1H問題式教學法在實驗教學過程中是一種有效的教學方法。

為了進一步提高工程力學實驗教學對人才培養的作用，未來的實驗教學改革還可以從以下兩個方面進行。

（1） 加實驗項目的廣度，將實驗內容與實際工程問題聯系起來，進而充分調動學生學習該課程的興趣。

（2） 增加實驗項目的深度，培養學生分析問題解決問題的能力和創新能力。

參考文獻

[1] 段詩雨.工程力學實驗教學現狀及對策[J].高等教育， 2020（8）：167-168.

[2] 王書法.實驗對大學生學習土力學課程的作用及實現的教學方法研究[J].教育教學論壇，2019（49）： 265-266.

[3] 石培蕾，朱堅民.工程力學實驗教學改革初探[J].實驗室科學，2015，4（18）：92-95.

[4] 應用型人才培養模式下工程力學實驗教學改革研究[J].中國現代教育裝備，2018，8（295）：88-89.

[5] 陳明霜.軍校本科實驗教學質量管理研究[D].國防科學技術大學，2014.

[6] 彭紅兵.應用型人才培養下《材料力學性能》課程教改實踐[J].科技創新導報， 2017（32）： 222-224.

[7] 王海濤.材料力學實驗教學實踐與探索[J].教育教學論壇，2020（12）：271-273.

[8] 馬丹萍.土力學實驗教學改革視域下的實驗室建設[J].科技創新導報，2017（36）：222-223.

[9] 黎海燕.淺談計算機程序設計語言課程中的3W1H教法的應用[J].電腦知識與技術，2011，32（7）：8083-8085.

[10] 葉紅玲，劉趙淼，李曉陽. 理論力學課程中3W1H教學法的應用[J].力學與實踐， 2014，1（36）：98-100.

[11] 姚博，張娟娟.基于“3W1H”教學模式的機械制圖課程教學改革探析[J].教育現代化，2016，7（18）：44-45

[12] 姜俊紅，余長洪，黃金林，等.基于“3W1H”導學法在土力學教學中的應用[J].職業教育，2016， 12（552）：210-211.

[13] 楊少紅，劉燕主編.工程力學實驗教程[M].北京：科學出版社，2016.

[14] 章向明，劉燕，馮貴層主編.工程力學教程[M].北京：科學出版社，2016.