材料力學設(shè)計性實驗教學之改革

摘"要：針對傳統(tǒng)材料力學驗證性實驗封閉，以教師設(shè)計及講授實驗為主等問題，進行了實驗教學改革。通過學生自主探索標準試件外不同尺寸、類型試件力學性能的設(shè)計性實驗過程，增強學生對傳統(tǒng)及現(xiàn)代材料力學性能的認識。通過開設(shè)金屬材料力學設(shè)計性實驗，由學生自主設(shè)計實驗方案、選擇對比試件、通過控制變量法設(shè)計實驗過程、預(yù)測實驗結(jié)果并對實驗結(jié)果做出分析報告，更新材料力學實驗教學內(nèi)容、方式，將學生由實驗中的被動操作地位轉(zhuǎn)為主動設(shè)計地位。使學生了解科研工作內(nèi)容與基礎(chǔ)方法，提高學生實踐能力、綜合處理能力和小組協(xié)調(diào)能力。

關(guān)鍵詞：材料力學；設(shè)計性實驗；教學改革

0"引言

工程力學包括理論力學和材料力學兩部分。材料力學主要研究構(gòu)件在載荷作用下的強度、剛度和穩(wěn)定性的計算原理和方法［1］。通過該課程學習，使學生具有較強的力學理論分析計算能力和必要的實驗測試分析能力。工程力學實驗即材料力學實驗。通過該課程實驗課程的學習，要求學生了解材料萬能試驗機、扭轉(zhuǎn)試驗機、數(shù)據(jù)采集器、電阻應(yīng)變儀、引伸計等常用儀器設(shè)備的原理，初步掌握常用儀器設(shè)備的使用操作方法。掌握材料力學性能測試的基本方法，了解材料的力學性能，了解工程結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形測試的方法與技術(shù)，了解現(xiàn)代測試技術(shù)手段與方法［2］。

1"材料力學設(shè)計性實驗教改內(nèi)容

1.1"材料力學設(shè)計性實驗?zāi)康募胺椒?/p>

金屬材料力學設(shè)計性實驗?zāi)康模菏箤W生了解實驗設(shè)備的工作原理，測定材料力學性能，與基本理論進行對比，使學生加深對不同材料力學性能的認識，深化對理論的理解；掌握材料力學性能測試的方法，培養(yǎng)學生客觀、科學、事實求是的精神和態(tài)度［3］；通過實驗教學，培養(yǎng)學生設(shè)計開發(fā)實驗方案的能力，增強分析和解決問題的能力［4］。

實驗方法：學生在教師指導(dǎo)下獨立設(shè)計實驗過程并進行試驗。改變傳統(tǒng)實驗教學中由教師設(shè)計實驗方案，學生按要求完成的實驗過程。實驗要求學生掌握萬能材料試驗機、扭轉(zhuǎn)試驗機，電阻應(yīng)變儀等實驗設(shè)備的工作原理，掌握其他常用力學實驗設(shè)備和工具的使用方法，掌握基本的材料力學性能參數(shù)指標的實驗方法，通過拉、壓、扭實驗數(shù)據(jù)分析計算出塑性材料、脆性材料的力學性能指標［5］。在此基礎(chǔ)上，用不同儀器設(shè)備和方法測試材料的力學性能，掌握不同構(gòu)件和簡單結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形的測試方法、技術(shù)并對結(jié)果進行合理分析判斷。

1.2"材料力學設(shè)計性實驗試件的選用

本次實驗教學改革在原有的實驗教學基礎(chǔ)上增設(shè)設(shè)計性實驗，通過教學改革過程，逐步用設(shè)計性實驗項目取代驗證性實驗項目，增強學生對于材料的力學性能的認識。本次實驗教改增加項目為金屬材料力學性能測試設(shè)計性實驗。通過增設(shè)標準試件材料與尺寸種類，由學生自主設(shè)計實驗方案、選擇對比試件，在對驗證性實驗項目試件材料力學性能比對了解的基礎(chǔ)上，通過控制變量法設(shè)計實驗過程、預(yù)測實驗結(jié)果并對實驗結(jié)果做出分析報告［6］。選用對比試件中包含認識金屬材料力學性能差異（鋁、鑄鐵、低碳鋼）、脆性材料（木頭、鑄鐵）與塑性材料（低碳鋼、PP）力學性能差異、實驗時間對試件力學性能的影響（PP）、試件尺寸對相同材料力學性能的影響等。學生可對上述材料力學性能的任一差異設(shè)計實驗方案，并通過理論知識學習來預(yù)判實驗結(jié)果。

2"材料力學設(shè)計性實驗教改方案

本次實驗教學改革周期為兩年，共四個學期。實驗教學改革方案包含以下方面的內(nèi)容。

（1）第一學期完成前期調(diào)研工作。分別為：同類高校相同、相近實驗課程調(diào)研；本校相同、相近實驗項目調(diào)研；學生實驗課程意見調(diào)研。完成材料力學相關(guān)實驗課程改革資料收集整理并形成調(diào)研報告。

（2）第二學期完成拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)設(shè)計性實驗項目實驗指導(dǎo)書、實驗報告書設(shè)計以及具體實驗操作流程設(shè)計；完成新增實驗試樣與耗材市場詢價與比對，完成實驗耗材預(yù)算報告；完成與土木工程學院力學教研室、土木實驗中心相關(guān)實驗教學工作對接，為下學期實驗教學改革試驗與培訓做好準備工作。

（3）第三學期就已制定完成的實驗教學改革方案進行試行工作并形成教學改革反饋和改進方案。

（4）第四學期根據(jù)教學改革內(nèi)容和反饋報告完成教改論文及教改項目結(jié)題報告。

3"材料力學設(shè)計性實驗教改成果分析

3.1"設(shè)計性實驗相比傳統(tǒng)驗證性實驗的優(yōu)勢

教學實驗性質(zhì)可分為驗證性實驗、綜合性實驗、設(shè)計性實驗及虛擬仿真實驗等。驗證性實驗為傳統(tǒng)實驗方式，其特點為實驗過程明確、簡單，對學生實驗過程易于管理，實驗費用相對較低等。缺點為學生僅能掌握對基礎(chǔ)理論的實驗驗證，無法進行進一步的研究和探索。虛擬仿真實驗的優(yōu)點在于能方便、明確地得到實驗結(jié)果，實驗耗材費用低，但欠缺對真實材料的觀察和實驗數(shù)據(jù)比對。綜合性實驗及設(shè)計性實驗更能滿足新時期理工院校對應(yīng)用型人才的培養(yǎng)需求。在設(shè)計性實驗過程中，增強學生自主學習能力，培養(yǎng)學生主動思考、設(shè)計并解決問題的實踐能力。通過自主學習和實踐過程，提高對問題的反思能力，形成基本的科研思維。教師教學也將從指導(dǎo)學生完成實驗過程改為指導(dǎo)學生設(shè)計合理的實驗方案，并對實驗結(jié)果作出拓展性分析。

3.2"成果分析

材料力學實驗教學改革方案試行覆蓋貴州理工學院21個教學班，覆蓋學生人數(shù)共1 050余人。學生實驗成績分析顯示學生實驗報告驗證性實驗項目成績平均分為87分，扣分點主要集中在畫圖的規(guī)范性以及數(shù)據(jù)處理不完善；設(shè)計性實驗項目成績平均分為84分，扣分點集中在對實驗結(jié)果的分析不完善。從實驗報告的完成情況可以看出，92%的學生通過指導(dǎo)可以完成簡單的實驗設(shè)計及分析工作。

由態(tài)勢分析法得出，本次實驗教學改革優(yōu)勢主要反映在實驗教學評價中：91%的學生認為有必要增設(shè)設(shè)計性實驗；88%的學生認為設(shè)計性實驗內(nèi)容更加豐富，能夠調(diào)動學習興趣；90%的學生認為設(shè)計性實驗內(nèi)容有助于了解科研工作內(nèi)容與基礎(chǔ)方法；91%的學生認為設(shè)計性實驗有助于提高實踐能力、綜合處理能力和小組協(xié)調(diào)能力。劣勢主要反映在實驗準備過程中耗材費用增加，實驗過程管理難度加大，實驗風險增高等。在提倡培養(yǎng)學生開放性、創(chuàng)新性的新需求背景下，可通過虛擬與實踐相結(jié)合等方式降低耗材購置成本；制定合理的實驗室管理制度和設(shè)計性實驗操作規(guī)范、流程，培養(yǎng)學生開放的、創(chuàng)新的實驗意識，同時安全、高效地完成實驗內(nèi)容。

4"結(jié)語

本次實驗教學改革，逐步用設(shè)計性實驗取代了傳統(tǒng)材料力學驗證性實驗。通過設(shè)計性實驗改革實驗方法、步驟、實驗教學方式、內(nèi)容，將學生由實驗中的被動操作地位轉(zhuǎn)為主動設(shè)計地位。后期工作中將以虛實結(jié)合等方式降低耗材購置成本并通過設(shè)置開放實驗，學生自主申報項目等方式，進一步深化理解材料力學課程，提高學生科研能力，提高實驗室利用率。

參考文獻：

［1］"張憬，馬文江，尚新春.材料力學扭轉(zhuǎn)實驗的擴展與探討［J］.實驗技術(shù)與管理，2014（7）：209-211.

［2］"葉榮昌，強文江，李成華.材料力學性能實驗課教學改革探索［J］.實驗室研究與探索，2011（9）：150-152.

［3］"李建華，喬箭，陳亮亮.材料力學實驗“互動式”教學模式探索［J］.實驗技術(shù)與管理，2013（12）：188-190.

［4］"劉小蠻，杜國君.材料力學實驗教學思考——會做、會用、會意［J］.力學與實踐，2013（4）：76-79.

［5］"李紅，林雄萍.材料力學實驗課程建設(shè)與教學改革實踐［J］.湖北科技學院學報，2015（1）：24-26.

［6］"逯娟.如何上好《材料力學》中低碳鋼和鑄鐵的拉伸壓縮實驗課［J］.金色年華（下），2012（9）：133.