基于PBL教学法的材料轴向拉伸实验拓展研究.pdf

ISSN1672-4305CN12-1352/N实 验 室 科 学LABORATORY SCIENCE第 26 卷 第 3 期 2023 年 6 月Vol.26 No.3 Jun.2023 基于 PBL 教学法的材料轴向拉伸实验拓展研究赵红晓,吴 昊,刘五祥(同济大学 航空航天与力学学院;国家级力学实验教学示范中心;国家级力学虚拟仿真实验教学中心,上海 200092)摘 要:实验教学是培养学生实践能力和知识应用能力的重要途径。材料力学实验是高校工科专业必修的一门基础实验课程,根据教育部对实验类金课“高阶性、创新性与挑战度”的要求,对实验教学方法进行改革与创新,教学中采用以问题为导向、以学生为中心的 PBL 教学法。以材料轴向拉伸与压缩实验拓展研究为例,教师给出实验研究方向,学生小组选择研究问题、自行设计实验方案并协作完成。此模式激发了学生做实验的热情和参与度,培养了学生探究式学习的能力、实际工程应用能力和创新研究的能力。关键词:PBL 教学法;实验教学;拓展研究;力学实验中图分类号:O341 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1672-4305.2023.03.012Extension research of material axial tensile experiment based on PBL teaching methodZHAO Hongxiao,WU Hao,LIU Wuxiang(School of Aerospace Engineering and Applied Mechanics;National Mechanics Experimental Teaching Demonstration Center;National Virtual Simulation Experiment of Mechanics Teaching Center,Tongji University,Shanghai 200092,China)Abstract:Experimental teaching is a very important way to cultivate students practical ability and knowledge application ability.Material mechanics experiment is a compulsory basic experimental course for engineering majors in colleges and universities.According to the requirements of“ad-vanced,innovative and challenging”for experimental high quality course by the Ministry of Education,the experimental teaching method is reformed and innovated,and the PBL teaching method is adopted in the teaching which is problem-oriented and student-centered.Taking the experimental expansion study of axial tension of materials as an example,the teacher gave the experimental research direction,and the group of students chose the research problem,and designed the experimental plan by them-selves and completed the experiment in collaboration.This model stimulates students enthusiasm and participation in doing experiments,and cultivates students ability of inquiry learning,practical engi-neering application and innovative research.Key words:PBL teaching method;experiment teaching;extended research;mechanics experiment 收稿日期:2021-07-17 修改日期:2022-04-05作者简介:赵红晓,博士,高级工程师,研究方向为固体力学和实验力学。E-mail:zhx 基金项目:同济大学精品实验项目(项目编号:1330104145)。国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020)明确指出,实验教学中应注重学思结合,倡导采用启发式、探究式、讨论式、参与式教学,帮助学生学会学习1。工科学生工程实践能力和创新能力培养的目标是要使学生具备将构思和概念转化成切实可用、能带来效益的产品和服务的能力2。教育部 2019 年度认定的实验类金课,对实验教学提出了高阶性、创新性和挑战度的“两性一度”要求3,努力打造线下实验金课,开阔学生的视野,增强实际工程应用能力和创新能力。“材料力学实验”是高校工科专业必修的一门基础实验课程。而轴向拉伸实验是测试材料基本力学性能的实验。目前同济大学开设给本科生的实验项目主要是测试低碳钢和铸铁(圆形截面标准试件)在常温静载荷下的拉伸和压缩力学性能。而实际工程中所用的材料复杂多样,并非全是金属,那么这些材料在常温情况下的力学性能如何,是否能够满足结构强度和刚度要求?实验速率是否对材料力学性能有影响?这些是与实际工程应用紧密结合的问题,很有必要进行研究。对传统实验教学方法进行改革与创新,适当地增加实验项目的难度和深度,是实验教学高阶性的要求,拓展实验项目内容,加强工程应用能力培养,教会学生学以致用,融会贯通。PBL(problem teased learning)教学法4-5是以问题为导向、以学习者为中心的教学方法,该模式可以激发学生学习的主观能动性和培养学生团队协作能力。PBL 教学法已在国内高校工学6-7、自然科学8等专业运用,取得了较好的效果。本文对基于 PBL教学模式的材料力学拉伸拓展实验进行了探讨。1 基于 PBL 教学法的材料力学拉伸实验设计“材料力学实验”教学中要求学生要能做、能用、能创新。“能做”就是能够完成基础性实验项目;“能用”即可以利用所学知识,采用正确的实验方法测定材料的力学性能,正确处理实验数据;“能创新”即能够结合材料力学理论知识、实验方法或相关实验标准,对较复杂的问题或实际工程中的问题,根据所学知识查阅相关资料和再学习,自行设计创新实验,确定实验方法,测出力学参数,分析实验数据等。教学中尽可能地给予学生探究式、参与式学习机会,充分调动学生的创新思维。基于 PBL 教学法在拉伸实验教学中的应用,主要从以下三个方面实施。1.1 教师给出轴向拉伸拓展实验子项目在基于问题的材料轴向拉伸实验教学中,以培养复合型拔尖人才为教学目标,紧密结合工程实际去设计问题,教师将轴向拉伸拓展实验项目分为力学性能参数拓展实验、多种材料的拉伸力学性能实验和实验速率对材料力学性能的影响 3 个子项目。以学生为主教师为辅。教师从原来的实验教学的讲解者转变为引导者和辅助者,在教学中适当缩短授课时间,便于留给学生充足的时间去完成自己选择的实验子课题。1.2 学生通过团队学习协作完成课前学生可以根据自己的兴趣选做不同的子项目,34 个学生自由组合为一组,根据自己选择的题目,采用线上线下相结合的混合式学习模式。实验操作前,小组成员先自行学习一下基础力学实验在线课程、资料查询和设计实验方案;在实验课堂上,主要由学生根据各自小组设计方案做实验,鼓励每个学生都参与进行实验操作;实验结束后,小组共同讨论实验过程和实验结果、实验误差和实验失败的原因,并逐步修正实验方案等。教师主要给予学生适当的指导,营造良好的实验操作氛围,关注整个实验操作过程,保证实验项目在小组成员共同努力下顺利完成。1.3 多元化成绩评价方式实验教学除了应具备多样化的教学方法和系统性的培养过程外,还需要科学的成绩考核方法,才能获得理想的教学效果9-10。实验教学考核是评价教学效果的重要手段,客观评定学生的综合实践能力,可以调动学生参与实验研究的积极性。考核评价方式由原来的单一“考勤+实验报告”转向“多元化”综合评价,加大实验方案设计的分数比重,重视实验过程的考核,避免有的学生只记数据、围观、不动手操作、说闲话、看手机及抄实验报告等情况发生。考核评价方式改为“学生实验方案设计 30%+实验操作过程 30%+课堂表现10%+演讲展示 10%+实验报告 20%”的多元化考核,全面考查学生的综合能力,得到学生的肯定。2 材料拉伸实验拓展研究实例本项目着重于对现有拉伸实验项目进行拓展和提高,以开阔学生的视野和培养创新及工程应用能力,主要从力学性能参数拓展、多种材料的拉伸力学性能对比和速率对金属拉伸力学性能的影响 3 个方面进行研究。2.1 力学性能参数拓展实验平时的实验教学中,测试金属材料拉伸时的弹性模量、屈服强度、抗拉强度、延伸率等。一般测试纵向线应变,横向线应变测试很少,更没有测试材料的泊松比,在本文中,扩展了测试树脂的泊松比内容。待测试样形状及尺寸见图 1 所示(拉伸试样:标距:124、横截面 4.825,单位:mm),应变片粘贴位置如图 1 所示。测试的方法采用在试样横向和纵向粘贴应变片的方式,采用单臂桥接的方式连接成桥路,如图 2 所示。将粘贴好应变片和连接好桥路的试样装入电子万能实验机上进行静态拉伸测试,图 1 粘贴应变片的试样(单位:mm)64 赵红晓,等:基于 PBL 教学法的材料轴向拉伸实验拓展研究(注:R1待测应变片,R2补偿应变片)图 2 桥接方式测出试样横向和纵向线应变,而后考察材料的泊松比。在比例极限内,采用增量法加载,测的荷载 F对应下的横向线应变和纵向线应变,采用下面公式(1)进行计算,求其平均值,结果如表 1 所示。E=FA,=(1)表 1 树脂泊松比的测试结果荷载F纵向应变横向应变弹性模量E/MPa泊松比93283-1082738.5160.38162595307-1042578.7190.33876297315-1052566.1380.33333399291-1102835.0520.378007111365-1372534.2470.375342平均2650.5340.36114学生通过亲手粘贴应变片、连接测量桥路以及拉伸测试获得树脂的泊松比,虽然在做的过程中手忙脚乱,但整个实验做下来后,学生觉得收获很大。激发了学生潜在能力和做实验的热情,对粘贴应变有了更加深刻的认识,掌握了电测法的基本应用,提高了动手能力和团队协作,培养了严谨的科学态度和探索能力。2.2 多种材料的拉伸力学性能实验对比分析日常实验项目只测试低碳钢和铸铁的材料力学性能。学生对其他材料的力学性能无法直观了解。教学中除低碳钢、铸铁材料外新增合金材料等更广域的工程材料类型进行拉伸实验测试,扩大材料力学特性测试的范围,更加接近工程实践,提高学生对工程实际所用材料力学性能的理解。考察在相同加载方式情况下不同材料的力学性能,让学生观察和直观了解了不同材料强度、弹性模量、断后伸长率的等力学性能,本实验对 Q235 低碳钢、高强铝合金、硬铝、钛合金、锰钢和铸铁 6 种金属进行了测试,结果如下表 2 所示。表 2 不同材料拉伸力学性能材料屈服强度ReL/MPa抗拉强度 Rm/MPa弹性模量/GPa断后伸长率A/%断面收缩率%Q235 钢336.7423.12210.2531.9664.12高强铝合金548.0610.373.516.4/硬铝80.396.574.950.484钛合金1182.41267.112510.2/锰钢3205542902136铸铁/190/0.48/从表 2 可以看出,低碳钢的塑性最好,有明显的弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段。其它材料就没有,钛合金强度最高,高强铝合金次之,硬铝最低。通过实验学生可以直接了解到不同的材料强度不同,在工程上应用也不同。如铝合金可以用在航空构件、建筑构件,铸铁可应用于机器底座等。改变了以往只做低碳钢和铸铁,试件品种单一的情况,有利于提高学生实验兴趣,扩展学生的知识面和加深对其他材料力学性能的理解。2.3 加载速率对材料力学性能的影响研究拉伸压缩实验有几种加载控制方式:应变速率、应力速率、位移控制和力控制方式。一般实验是采用位移控制和定速率下进行力学性能测试。本项目对其进行拓展,考察金属(低碳钢、铸铁等)在相同加载方式(位移控制)不同位移速率时对屈服应力和抗拉强度等力学参数及其拉伸本构关系的影响。将不同速率下的应力-应变数据进行比较,比较不同速率下的材料性质。本文对低碳钢标准试样在 3、15、30(mm/min)3种不同速率下进行拉伸实验,由表 3 数据和图 3 中曲线可知,曲线变化趋势大致相同,速率对低碳钢的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率等力学参数影响不大,速率为 3 mm/min 时,抗拉强度、屈服强度稍高一些。做出的拉伸曲线屈服阶段更清晰更明显,这是因为屈服阶段速率太快会使试样内部晶格滑移在短时期内变化,屈服阶段变化就不太明显。通过此组实验可以让学生了解到低碳钢拉伸实验需要分段控制速率,比如在弹性阶段和屈服阶段,速率稍微小一些,这样在弹性阶段和屈服阶段采集数据就更均匀些,如果速度太快会使整个弹性段很快过去,在屈服阶段更要速度稳定,以便更好地记录测试数据。到了强化阶段以后,可以适当增加实验速率而不影响抗拉强度,以加快实验时间。74表 3 加载速率对 Q235 钢拉伸力学性能影响试样速率/(mm/min)屈服强度ReL/Mpa抗拉强度Rm/Mpa断后伸长率A/%断面收缩率/%弹性模量105/GPa1329143841.764.72.0221526340241.263.52.2033026439842.367.42.23图 3 不同速率下低碳钢拉伸曲线对铸铁在 10、20、30(mm/min)3 种不同速率下拉伸力学性能进行了测试,可以从表 4 和图 4 得知,20mm/min 的速度铸铁拉伸强度最高,30mm/min 的速度铸铁拉伸强度次之,10mm/min 的速度铸铁拉伸强度最低,但总体上铸铁的抗拉强度和断后伸长率变化不大,速率对其力学性能影响较小。表 4 加载速率对铸铁拉伸力学性能影响试样速率/(mm/min)抗拉强度Rm/Mpa断后伸长率A/%1101421.362201791.263301671.54图 4 不同速率下铸铁拉伸曲线该实验项目是面向全校工程力学、土木工程、交通、能源与动力等工科专业的学生,每年参加实验的学生超过 3000 人,在学生上课期间使用。经过两个学期的 PBL 教学探索取得了良好的效果。通过此项目,使学生在会做基本实验的基础上能够掌握复杂工况下的拉伸力学性能测试方法,提高学生设计性、创新性实验的能力,获得学生的喜爱,调动了学生的参与度,培养了学生的团队协作精神、创造性思维和解决工程问题的能力。3 结语本文就材料的轴向拉伸实验拓展实验进行了研究,基于 PBL 的混合式教学方法充分调动了学生的学习参与度。教学中不断提升实验教学的深度和广度,总结和完善实验项目,整理成典型实验教学案例,着力打造“精品实验项目”和“线下实验金课”,凝练教学经验,以点带面,逐步在其他材料力学实验项目中展开拓展实验研究,为推动高等学校实验教学改革与创新,为创新拔尖人才的培养做出更大的贡献。参考文献(References):1 中华人民共和国教育部.国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020 年)EB/OL.http:/ 陈国定,杨东勇,陈朋.强化工程实践与创新能力培养的微机类课程实验教学J.实验室研究与探索,2017,36(4):171-173.3 中华人民共和国教育部.教育部办公厅关于开展 2019 年线下、线上线下混合式、社会实践国家级一流本科课程认定工作的通知EB/OL.http:/ l4 Neill 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