新工科背景下的材料力學實驗教學改革

康穎安 程玉蘭 夏平 王高升 張志偉

[摘 要] 實驗教學是促進學生工程思維、實踐能力和科學素養提高的重要手段。以湖南工程學院材料力學實驗教學實踐為出發點，針對傳統實驗教學中存在的問題，結合新工科背景下人才培養理念，從材料力學實驗內容的延伸與融合、實驗教學思政元素的融入、實驗教學模式的轉變和實驗教師隊伍的建設等方面推動材料力學實驗教學改革，為培養具備實踐能力和創新精神，具有協同合作、求真務實、學習能力等綜合高素養的未來工程人才提供借鑒和參考。

[關鍵詞] 新工科;思政教育;材料力學實驗;實驗教學

[基金項目] 2019年度湖南省普通高等學校教學改革研究項目“新工科背景下工程力學虛擬仿真實驗平臺建設與實驗教學改革”（湘教通〔2019〕291號）;2019年度教育部高等教育司第一批產學合作協同育人項目“新工科背景下材料力學虛擬仿真實驗室建設”（201901273040）;2021年度湖南省線上線下混合式一流本科課程“材料力學”（湘教通〔2021〕322號）

[作者簡介] 康穎安（1972—），女，湖南漣源人，工學博士，湖南工程學院機械工程學院副教授，主要從事材料力學相關的理論和實驗研究。

[中圖分類號] G642.0 ? [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）18-0073-04 [收稿日期] 2021-07-10

隨著新產業的繁榮興起及就業需求的變化，高等工程教育人才培養存在滯后和不匹配等問題，需要進行改革創新。為加快新工科建設，培養具備較強實踐能力、創新能力和學習能力、深度思考能力的新工科人才，高校在培養卓越人才時要做到“融、通、變”的轉變[1]。我校是教育部首批“卓越工程師教育培養計劃”高校之一。為培養卓越的工程技術人才，我校在課程教學模式方面做出諸多改革和創新[2]。

材料力學是實踐性強、與工程實際結合緊密，能解決工程實際問題的一門學科。實驗研究和理論分析在材料力學中同樣重要，材料力學實驗由理論分析向實踐邁進，是培養學生實踐和創新等綜合能力的重要手段[3]。當今社會互聯網、教育教學信息技術迅猛發展。為滿足新工科培養人才的需求，材料力學實驗課程的教學改革需要受到教育工作者的重視。目前，材料力學實驗教學存在以下問題，值得思考和改進。

一、材料力學實驗教學現狀

（一）實驗內容固化，缺乏創新

材料力學性能測試實驗中，通過實驗測定材料的強度指標，如屈服極限、強度極限等;塑性指標，如延伸率、斷面收縮率等，這些材料性能指標是設計構件的基本參數和依據。性能測試實驗作為演示性實驗，常用低碳鋼和鑄鐵作為試件材料，對于一些新型材料、新技術加工的材料力學研究較少涉及。缺乏新的實驗技術，例如依托虛擬仿真技術建設的虛擬仿真實驗尚未被充分利用。

（二）實驗教學重知識傳授，缺乏價值引領

工科學生不僅要掌握專業內容和前沿知識，更需要具備良好的職業道德、社會責任，以及正確的世界觀、人生觀、價值觀。如何在注重專業知識傳授的同時，在實驗教學中培養學生嚴謹的學習作風和堅持不懈的科學精神，以及創新思維、團隊合作精神和實事求是的學習態度，是力學實驗教學改革的重要方向。

（三）實驗教學模式單一，缺乏自主性

為應對新冠肺炎疫情，教師與學生對信息化網絡教學從陌生到熟悉。重新回歸課堂，我校對理論課程的線上線下混合式教學模式進行了積極的探索和實踐。但材料力學實驗教學模式依然以教師為中心的舊模式為主，教師全程講解并示范基本操作。學生只是機械地完成實驗，對實驗目的不明確、實驗內容不清楚、操作過程不細究、實驗結果不了解，學生在實驗中缺乏自主能動性[4]。

教師對學生的實驗成績評價單一且不全面，也是要需要解決的問題。通常教師以實驗報告作為唯一評價依據，而當存在多份實驗報告內容較多雷同時，很難判斷教學目標是否達成。單一的考核方式必將影響學生對實驗學習的積極性。

二、實驗教學改革措施

新工科建設強調科學基礎、交叉融合和實踐教學。新工科實踐要立足基礎科學新發現。為順應時代要求，培養具備較強實踐能力、創新能力等綜合素質的新工科人才，需要對材料力學實驗教學提出更高的要求，在教學內容、教學方法、教學模式等方面進行改革。

（一）實驗內容的延伸與融合

根據材料力學實驗教學大綱，我校開設的材料力學實驗共8學時，包括基礎性實驗、綜合性實驗和創新性實驗。基礎性實驗和綜合性實驗為必修實驗，創新性實驗為選修實驗，同時也是大學生創新訓練項目的一部分。

基礎性力學實驗，包括金屬材料拉伸、壓縮、測彈性模量、扭轉、彎曲等力學性能測定實驗，這些實驗項目的主要目的是使學生掌握常用材料的基本力學性能及測試方法，通過基本實驗技能的掌握，加深對材料力學理論知識的理解。

綜合性力學實驗，包括直梁純彎曲正應力實驗、組合變形構件內力測定、偏心拉伸、壓桿穩定等電測應力分析實驗。這些實驗在受力構件或模型表面直接粘貼應變片來測得各點應力和變形，從而分析構件的應力分布規律和承載能力。在實驗中能夠根據對象特征，選擇研究路線、設計實驗方案，具有實驗數據的獲得和處理能力及綜合設計能力。例如，在偏心塊的拉伸測試分析中，學生獨立設計實驗方案，確定應變片粘貼位置和電橋接線方式。選用夾具，完成拉伸機上偏心試件安裝，加載拉力讓偏心試件承受拉伸與彎曲組合變形，完成實驗。壓桿穩定實驗臨界載荷的測定方案：用電測法測壓桿試樣中間的軸向應變，由應變來確定臨界壓力;當然也可用百分表測試樣中間的撓度來得到臨界載荷。而電測法選擇組橋方案，熟悉電測法組橋技巧。將材料力學理論知識在實際中運用，開拓思維，加強綜合分析能力。

隨著時代的發展，力學與其他學科交叉融合形成新力學分支。材料力學實驗中，引入具有工程背景的實驗項目，延伸材料力學實驗內容，開設力學與材料學、機械工程等交叉學科融合的開放性研究和創新性實驗。新型材料如泡沫金屬、功能梯度材料等力學性能研究。依托“風電運維與測試技術”湖南省工程實驗室，模型葉片在動載荷下應力測試實驗，培養學生科研創新能力。3D打印技術是科技發展的前沿技術，利用3D打印技術，將截面逐層打印出來從而制造出一個拉伸試件耗材。拉伸實驗測試發現：同樣形狀的實體采用不同方向的打印方式，其力學性能表現明顯不同。創新性實驗可以打破學科界限，拓寬視野，加強創新思維意識和能力的培養。

（二）實驗教學思政元素的融入

新工科人才培養需要學科和專業的融合，也需要人才能力的融合。未來的工程人才在具備豐富知識儲備的前提下，還應當具有協同合作、理想信念、科學素養、學習能力等綜合素質。因此，實驗教學也要承擔起思政育人職責，將價值塑造、知識傳授和能力培養三者融為一體。在實驗教學中幫助學生樹立正確科學觀，助力學生掌握科學方法、形成高尚科學精神、提高科學素養、培養實事求是的科學作風。

培養實驗安全防范意識。材料力學實驗中，需要用到電子實驗設備。在使用電子實驗設備時，必須強調實驗設備不能帶電插拔電源線;開機后要預熱10分鐘，待系統穩定后，才可進一步使用;實驗結束，一定要關閉所有電源。在實驗前進行操作規范和安全教育，培養學生正確使用實驗設備，具備良好的安全意識。

培養嚴謹細致、精益求精科學精神。如拉伸試件安裝前，學生動手測量試樣原始尺寸。要求在試件標距的上、中、下部三個位置，沿兩個相互垂直的方向測量試樣直徑，記錄數據，計算且取其中橫截面積較小值。試件尺寸測量，要求學生動手測量，記錄真實數據，不得隨意改動數據。電測法粘貼應變片，則要求學生嚴謹細致，應變片位置、角度和粘合度都需要精益求精的科學精神。

培養正確的人生觀和價值觀。扭轉實驗中，我們發現低碳鋼抗扭力學性能比鑄鐵強。其原因是低碳鋼扭矩較小時，在比例極限內，橫截面上切應力沿半徑線性分布如圖1（a）所示。隨著外力矩增大，橫截面邊緣處的切應力率先到達剪切屈服極限，但是塑性區逐漸向圓心擴展，形成環形塑性區如圖1（b）所示。扭矩繼續增加，直到整個截面幾乎都是塑性區如圖1（c）所示，在扭矩與扭轉角的曲線上出現屈服平臺。而鑄鐵在扭矩作用下發生扭轉變形，只要橫截面邊緣處的切應力到達剪切強度極限，材料就破壞。從低碳鋼應力分布規律來看，這蘊含著部分和整體、個人和集體的哲學原理。部分構成整體，在一定情況下，關鍵部分的性能狀態對整體起決定性作用。個體融入集體，個體的聰明才智才能得到發揮，才能實現個體在社會中的價值。個人利益得到實現，才有利于集體利益的高水平實現?！耙桓曜诱鄄粩?，十根筷子抱成團”，明白團結就是力量的道理。

（三）實驗教學模式的轉變

虛擬仿真實驗以其綠色、經濟和安全，真實模擬實驗對象與環境等優點快速走進大家的視野。相比傳統實體實驗，虛擬仿真實驗有著不可比擬的優勢。許多高校實驗室相繼建設了各具專業特色的虛擬仿真實驗項目[5]。國家虛擬仿真實驗教學“實驗空間”有著優質的實驗資源。我校也建有工程力學虛擬仿真實驗室。實驗教學充分利用虛擬仿真實驗資源，虛實結合、虛實互補，將實體實驗和仿真實驗有機結合，依托學習通材料力學教學平臺，開展線上線下混合式實驗教學模式。

（1）課前。教師通過學習平臺提前一周發布實驗項目內容、實驗目的和實驗資料，學生通過實驗預習，回答問題，了解相關實驗的設備、操作規范和注意事項，完成預習報告。（2）課中。教師理論聯系實際，既有實體實驗操作，又可通過虛擬仿真實驗將材料力學中的力學原理和現象剖開放大展示給學生。例如，低碳鋼拉伸實驗中屈服階段，光滑試件表面出現與軸線約45°傾角的滑移線，這是因為最大切應力引起的。在實體實驗中，學生很難觀察到這一現象，且整個實驗過程是連續的。材料力學性能測試實驗也是耗材、成本比較大的，在壓縮實驗中，由于壓頭部分沒有防護，在壓縮試件壓斷時，可能有蹦出物彈出傷人。這些在虛擬仿真實驗中都能很好地解決，它可多次重復實驗，經濟且安全。學生熟悉仿真實驗，設計實驗方案后，再進行實體實驗操作。并記錄實驗數據，完成數據處理。師生探討、生生合作式學習解決實驗疑問。（3）課后。學生完成實驗思考題、撰寫實驗心得，線上提交實驗報告。教師總結并延伸出力學實驗的新問題，提供拓展性實驗資料，供學生思索和豐富實驗內容，促進學生實踐能力不斷提高。

對學生實踐能力全面、有效的考核方式是約束和促進學生學習的有力手段，可改善學生抄襲實驗報告、實驗積極性不高的問題。材料力學實驗成績由預習報告、實驗操作、實驗報告、線上學習數據等組成。其中預習報告占10%，實驗操作占30%，實驗報告占50%，線上學習數據根據學生實驗課出勤簽到、實驗資料學習次數、討論等進行匯總，其數據由學習通課程平臺數據得出，占10%。對于創新性實驗，學生感興趣并在教師指導下完成實驗，根據研究報告中的實驗內容、數據處理、結果分析和結論，在實驗成績考核中適當加分，讓實驗動手和設計能力強的學生脫穎而出。

（四）實驗教師隊伍的建設

為適應新型的工業化時代，教師需要更新教育理念，實驗教學要起到價值引領、能力達成、知識傳授的作用。教師個人首先要愛崗敬業、為人師表、熱愛學生，同時要有過硬的職業素質和夯實的專業知識，掌握學科前沿發展動態，注重知識結構更新和學識學術水平的提高。

為實現選擇多樣性和特色多樣化的新工科教育，新工科培養體系需要行業與企業的參與，實現產學研融合協同育人。選拔引進有行業背景的骨干教師和研究新材料、新測試方法的新生力量注入。通過企業項目合作和各種教育教學能力培訓，建立起一支高素質的實驗教師隊伍。我校機械設計專業是國家級一流專業建設點，也是卓越計劃實施專業。根據區域經濟發展和產業轉型升級對機械類人才的需求，機械工程學院實行“雙師型”教師隊伍建設方式。為青年實驗教師配備傳幫帶的指導教師;選送優秀教師到國內外知名高校進修;將無工程背景的教師送到企業鍛煉;將具有工程背景的優秀人才引進學校充實到實驗教師隊伍，和企業聯合建立實驗中心。經多年實踐，學生的工程實踐、創新能力明顯增強。學生力學、機械創新大賽等學科競賽成果突出。

結語

實驗教學是培養學生工程思維、實踐能力和創新能力的重要途徑。為培養復合型工程人才，改變現有實驗教學不良現狀，實驗教學改革尤為重要。新工科背景下實驗教學應始終堅持以需求為導向、以學生為中心，讓學生主動學習和參與工程實踐。通過實驗內容的延伸與融合、實驗教學思政元素的融入、實驗教學模式的轉變和實驗教師隊伍的建設等方面推動材料力學實驗教學的改革，培養具備實踐能力和創新精神，同時具有協同合作、求真務實、學習能力等綜合素養的高素質未來工程人才。

參考文獻

[1]孫如軍，李澤，孟德華.新工科背景下應用型人才培養模式研究[J].黑龍江教育（高教研究與評估），2021（3）：51-53.

[2]夏平，陳莘莘，康穎安.基于“卓越工程師”培養的工程力學教學改革研究[J].湖南工程學院學報（社會科學版），2012，22（4）：99-101.

[3]趙清，徐紅玉，王彥生，等.基于工程教育專業認證的材料力學實驗教學改革[J].中國現代教育裝備，2020（19）：36-38+45.

[4]劉紅光.材料力學基本變形自主式教學模式探索[J].實驗科學與技術，2019，17（6）：116-119+142.

[5]曲淑英，周志新，吳江龍，等.工程力學虛擬仿真實驗教學中心資源建設[J].實驗室研究與探索，2017，36（12）：172-175.

On the Teaching Reform of Material Mechanics Experiment under the Background of Emerging Engineering Education

KANG Ying-an， CHENG Yu-lan， XIA Ping， WANG Gao-sheng， ZHANG Zhi-wei

（School of Mechanical Engineering， Hunan Institute of Engineering， Xiangtan， Hunan 411104， China）

Abstract： Experimental teaching is an important means to improve students’ engineering thinking， practical ability and scientific competence. Taking the teaching practice of Material Mechanics Experiment in Hunan Institute of Engineering as the starting point and aiming at the problems existing in the traditional experimental teaching， combined with the concept of talent training under the background of emerging engineering education， we promote the teaching reform of Material Mechanics Experiment from the aspects of the extension and integration of experimental content， the integration of ideological and political elements of experimental teaching， the transformation of experimental teaching mode and the construction of experimental teachers， so as to cultivate practical ability and innovative spirit， which can provide reference for future engineering talents， such as collaborative cooperation， truth-seeking， learning ability and so on.

Key words： emerging engineering education; ideological and political education; Material Mechanics Experiment; experimental teaching