材料力學性能實驗教學探究

劉亞輝 周魚躍 李宇昂 倪增磊 彭進

摘? 要? 以本科課程材料力學性能必做硬度實驗為研究對象，分析傳統實驗教學存在的問題和不足，運用現代教學工具和理念，從學生實際情況出發，對教學材料、課堂內容和成績評定三方面進行了系列改進。以期提高學生解決問題的動手實踐能力和探究性思維，對工科實踐教學具有普適借鑒意義。

關鍵詞? 實驗教學；教學過程；材料力學性能；硬度實驗

中圖分類號：G642.423? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2023）10-0139-03

Study on Experimental Teaching of Material Mechanical Properties： Taking Hardness Expe-riment as Example//LIU Yahui， ZHOU Yuyue， LI Yuang， NI Zenglei， PENG Jin

Abstract? The hardness experiment， which is the com-pulsory experiment of undergraduate course Material Mechanical Properties， is taken as the research object. Problems and deficiencies in the traditional experiment teaching process is analyzed. Modern tea-ching tools and ideas are used to carry on a series of improvements. Relevant improvements is taken，starting from the actual situation of students， which mainly include teaching materials， classes and grades. It is expected that students ability to solve problems with exploratory thinking and hands-on practice could be enhanced. The improvements have universal reference significance for engineering practice teaching.

Key words? experiment teaching; teaching process; material mechanical properties; hardness experiment

Authors address? College of Materials， North China?University of Water Conservancy and Electric Power， Zhengzhou， China， 450046

0? 引言

近年來，依據國務院發布的《統籌推進世界一流大學和一流學科建設總體方案》戰略決策，隨著高等教育工程教育認證工作的不斷推進，高校課堂的教學理念和教學方法取得了一系列的改革創新成果，逐步由傳統課堂的“教師講授為主”轉變為“以學生為主體，教師為主導”的現代教育教學理念，以便更好地調動學生學習的主動性和創造性，逐步達成與國際接軌的高等教育工程教育認證目標。

廖獻就等[1]對比分析對分課堂和翻轉課堂兩種教學模式的異同。多位學者對新型課堂的實施方案和效果進行了探究及應用，驗證了翻轉課堂、對分課堂及混合課堂等能有效調動學生積極主動地參與課堂知識的學習[2-5]。東北師范大學的朱文輝[6]對翻轉課堂過度技術化進行反思，認為翻轉課堂應讓學生先解決問題后進行教師教授，重在改造教師的教學理念。張太萍等[7]基于工程教育認證從課程大綱、課堂教學和實踐環節三方面對機械制造技術基礎課程進行了教學研究，指出了教學過程質量監控的重要性。關于理論教學改革的研究主要基于上述新型課堂模式展開。而實驗教學更側重于培養學生的實踐能力，劉志慧等[8]基于OBE成果導向理念提出了包含“思考—設計—實驗—討論”四個環節的TDED實驗教學模式。但TDED模式側重于綜合實驗教學的開展，理論課內的基礎實驗教學直接采用該模式，存在基本知識傳授不夠完備的風險。張鵬等[9]進行了彈塑性力學課程的研究性實驗教學，旨在幫助學生理解課程知識點，對實驗課堂的實踐環節如何開展未做詳述。

本文以材料力學性能課程中的硬度實驗為例，聚焦教學全過程，探究能夠更好地服務專業學科應用的基礎實驗教學實施方案。

1? 教學目標剖析

材料力學性能在材料成型及控制工程本科培養方案中屬于專業基礎課程。該課程配套實驗對后續專業課的學習、學科綜合實踐和畢業設計具有很強的支撐作用。依據畢業要求，該門課程需要達成培養目標：1）了解材料性能試驗設備的使用原理和方法，理解其局限性；2）能夠分析并計算復雜工程問題，包括設計實驗、分析與解釋數據，以及通過信息綜合得到合理、有效的結論。

上述教學目標回答了學生“為什么學”這一首要問題。分解到硬度實驗的教學活動中，應使學生明確硬度值與其他力學性能之間存在一定的經驗關系。硬度實驗因操作便捷而成為工業材料、半成品和零件的重要質檢方法和科研領域的重要指標。通過硬度實驗課的學習，能從應用和分析層面理解三種壓入法硬度測試各自的特點和局限性，并能夠根據實際試樣的形狀、厚度、材質等特點選擇和設計合理的硬度測試方法。

2? 學情分析改進

2.1? 學生現狀分析

從學生實驗前對硬度測試的已知、未知、能知、想知四個方面，結合布魯姆認知領域的教育目標分類法，對學生的學習情況進行分析，如表1所示。華北水利水電大學材料成型及控制專業共分焊接和模具兩個專業方向。在開設本門專業基礎課期間，學生尚未劃分專業方向。為激發學生的認知積極性，要求學生課前搜集焊接接頭和沖壓模具相關零件的材質和硬度技術要求并寫入實驗報告。

2.2? 教學材料改進

理論課教材分三小節，分別講述了布氏、洛氏和維氏硬度測定的原理、方法、特點及應用。理論課上對比總結三者的特點和適用范圍，學生難以理解。傳統的實驗指導書主要包括實驗目的、實驗原理、儀器設備、試樣、實驗操作步驟、數據記錄分析六個部分。對實驗指導書進行以下改進。

2.2.1? 刪除冗余重復

實驗原理在理論課教材中已詳細交代，此處刪除實驗原理部分，可避免重復信息干擾學生閱讀，促進學生主動拾取理論課遺忘的知識點。

2.2.2? 精簡操作步驟

過于詳細的操作步驟容易導致學生機械地、按部就班地對照操作，錯過對操作步驟內涵的思考和理解。

2.2.3? 豐富試樣種類

選取Q235、45#、T10原材料的退火態及正火態試樣，分別設置5 mm，10 mm和15 mm三種厚度，共18種真實試樣。將傳統對已知材料打硬度的驗證性實驗變更為鑒定未知材料的探究性實驗。材質和厚度的不同導致硬度測試過程中壓頭和標尺選擇不同，需要學生仔細查閱相關標準并進行反復實驗和探索。該過程增加了實驗的創新性和挑戰度，訓練學生結合實驗現象運用相關理論知識進行感知、思考和靈活運用。

2.2.4? 新增思考提升

讓學生思考所用硬度測試設備的局限性，查閱當前硬度測試的應用發展等新趨勢，提升實驗教學的高階性。

3? 教學過程優化

傳統的硬度實驗教學過程如表2所示。學生參與的環節僅為第7、8項，學生參與度低；實驗過程分組操作，因同組成員間存在理論知識、動手能力和學習積極性等的差異，易造成個別學生跟不上進度而搭便車的現象；第6項儀器使用演示環節，僅課堂上演示一遍，學生不易形成操作記憶；第8項撰寫實驗報告環節與實驗課堂教學環節時段斷開，易造成報告數據填寫與實驗脫節。針對上述問題進行以下改進。

3.1? 擴充課前準備

更新實驗指導書。明確實驗課堂的組織形式、成績分布和實驗報告撰寫要求。課前將儀器操作視頻和安全注意事項放入學習通共享平臺，要求學生提前自學，從而給課堂教學騰出互動交流時間。

3.2? 采用翻轉課堂

將實驗報告的撰寫提到實驗課堂教學之前，作為課前必做預習，彌補參加實驗的學生理論知識掌握參差不齊的不足。課前準備環節每組選派一名學生參與實驗材料分發和實驗儀器的檢查歸位，提高學生參與度，培養學生動手能力。

3.3? 課中增進互動

隨機挑選學生講解實驗原理和儀器基本操作。實驗課中填寫并整理實驗報告，教師組織討論并當堂提交，增進師生互動、生生互動，發現不足便立即糾正，克服報告數據填寫與實驗操作脫節問題，形成知識獲取和能力提升的閉環反饋。

3.4? 課后教學反思

教師基于學生的課堂表現和實驗報告作答情況進行持續改進。改進后的硬度實驗教學活動流程見表3，學生參與環節提高至八項。

4? 成績評定重設

傳統硬度實驗教學過程僅在環節9將實驗報告成績作為學生的實驗成績，不足以全面反映學生參與實驗的真實情況。表3運用學習通，將實驗成績權重設置為：初步撰寫實驗報告10%、觀看儀器操作視頻10%、課堂表現20%、實驗報告數據整理分析60%。完善后的成績評定標準關注過程考核環節，能有效激發學生參與學習的積極性，同時能對整個實驗教學效果進行全面客觀的評價。

5? 結束語

以工科的硬度實驗為例，基于成果導向，明確實驗教學目標，通過學情分析和教學過程梳理，對實驗教學全過程實施內容、時間和空間的調整和完善，提升了基礎實驗教學的探究性和趣味性，為后續培養專業綜合實踐能力奠定了堅實基礎。

6? 參考文獻

[1] 廖獻就，黎燕，黃幼異，等.淺談對分課堂和翻轉課堂教學模式的對比[J].課程教育研究，2018（10）：157.

[2] 田媛，席玉婷.高校混合課堂教學模式的應用研究[J].中國大學教學，2020（8）：78-86，96.

[3] 趙富春，湯亞，倪亞紅，等.“翻轉課堂”模式下學生課堂學習參與度量表編制[J].江蘇高教，2021（4）：66-72.

[4] 黃尊地，常寧，李志偉.“金課”建設背景下基于“對分課堂”理念的研討式教學設計探索[J].大學教育，2021（8）：41-43.

[5] 王詩云，王曉遠，王利巖.OBE教育理念下，以應用為背景推進數學基礎課程教學改革：以復變函數為例[J].中國多媒體與網絡教學學報，2021（6）：237-239.

[6] 朱文輝.翻轉課堂過度技術化的反思[J].課程·教材·教法，2020，40（6）：59-65.

[7] 張太萍，郝用興，仝玉萍，等.基于工程教育認證的機械制造技術基礎課程教學改革研究[J].中國教育技術裝備，2019（10）：95-96，107.

[8] 劉志慧，李愛華，牛懷磊.TDED實驗教學模式探究[J].實驗室研究與探索，2021，40（1）：180-183.

[9] 張鵬，王傳杰，朱強，等.彈塑性力學課程研究性實驗教學探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2021，40（3）：149-152.