力学实验教学改革的探索与实践.pdf

西南交通大学学报（社会科学版）2023 年 2 月 JOURNAL OF SOUTHWEST JIAOTONG UNIVERSITY Feb.2023 第 24 卷 （Social Sciences)Vol.24 增刊第 2 期 实验教学 力学实验教学改革的探索与实践 王曰国（中南大学土木工程学院力学系）摘 要：力学实验课在普通高校高适应人才培养中起着关键的作用，与理论教学并重，是培养学生动手实践能力、分析问题和解决问题能力的重要手段。针对目前存在的力学教学实验问题，结合多年的教学经验，提出一些改革探索与实践。关键词：力学；教学改革；实验教学 作者简介：王曰国,高级实验师，主要从事力学实验教学工作。材料力学是工科高等院校十分重要的专业基础课，涉及机械工程、土木工程、航空航天等许多专业【1-5】。该课程的本质是探寻不同类型材料对于各种外力的承受能力以及内部变化，从而进一步分析各种材料的强度、刚度和稳定性。因此，在课堂理论教学的基础上，它非常强调与之对应的各种材料力学性能实验。大学生的培养不仅要求学生具有扎实的理论基础，还要有较强的动手能力和创新思维能力。实验教学就是培养大学生的动手能力和创新思维的重要手段，同时良好的实验教学过程，不仅能够提高学生对基本理论知识的掌握，而且能够激发学生的学习兴趣，培养其分析和创新能力。一、目前力学实验课程现状 力学实验，根据现行课程设置和教学大纲要求，我校和大多数兄弟院校一样，力学实验按照不同专业要求，实行层次教学【6】。其中针对基本层次的如面向能源动力、环境控制、化学化工和电类等专业，只是理论教学课程内设置实验课程教学，开设材料的拉压和扭转力学性能测试实验，或者增加纯弯梁的正应力验证的电测实验，目的是培养学生掌握基础力学实验基本原理和测试技术，使他们能够初步学习力学实验分析方法。针对土木、交通和机械类专业，为了强化基础力学实验教学，实验独立设课，除了开设拉压、扭转和纯弯梁正应力电测实验等基本实验以外，还增加了压杆稳定和简支梁频率测试实验，同时拓展了电测实验，增加了弯扭组合实验。首先，目前不管是理论教学课程内设实验课程，还是独立设置实验课程，都存在着实验教学课时少，在整个课程体系中处于从属地位，只是作为理论教学的辅助手段【2】；因为不管是拉压、扭转还是纯弯梁正应力电测实验等，都只有两节课的时间，根本不能满足为充分培养学生动手能力的要求。第二，因为实验作为辅助手段的定位，难以引起学生足够的重视和兴趣，许多学生实验预习深度不够甚至不预习，进行实验时带有很大的盲目性【7】。第三，教学方法仍旧为灌输式教学，教师按部就班地讲解实验目的、实验设备、实验原理和实72 西南交通大学学报（社会科学版）第 24 卷 验步骤，然后为学生演示实验操作过程，老师的讲解甚至都用了一整节课的时间，本来两节课的实验时间就已经严重不足，这样学生真正动手做实验的时间更加可怜了。第四，电子万能试验机和电子扭转试验机因设备较大型的限制，所以台套数有限，每组的学生人数相对较多，很难保证让更多的学生亲自动手。在教学过程中，忽视了学生的主体地位，导致多数学生只注重理论课的学习，以一种应付了事的态度去对待实验，不能充分发挥其学习的积极性，在实验中玩手机，等待同学做完实验后，抄实验数据回去应付实验报告了事。第五，有些实验目的或者说实验要求值得商榷的，在金属材料低碳钢的拉压和扭转实验中，基本上都是要求每组学生拿到试样，从启动测试软件开始，接着选择老师已事先设置好的相应材料的实验方案，清零初始值，安装试样，施加初始载荷，安装引伸计或者扭角计，然后变形或扭角清零点击开始实验，试样屈服后摘下引伸计或扭角计，接着加快实验速度直至试样破断，记录相应参数回去写实验报告用，在这实验过程中值得商榷是：本人认为学生做实验目的并不是单纯地为测试结果，并且这个测试结果事实上可以说是不准确的，只是一个定性概念而已，因为由于成本的考量，估计绝大多数院校的电子万能试验机也好，电子扭转试验机也好，其中使用到的力传感器、扭矩传感器、引伸计、扭角计和游标卡尺等都不太可能满足规范要求定时进行标定，并且本人认为，在实验过程中，应该关注的是操作步骤中那些会增加误差，该如何避免，为什么要这样操作才能提高测试精度等。第六，目前工科院校材料力学实验不管是用来验证学生在课堂上所学的理论公式和结论，还是测试金属材料力学性能指标，都是传统的按部就班式，学生被动地、机械地按照实验步骤去进行实验，得到实验数据，完成一个千篇一律、没有任何差别的老师设计好表格的实验报告，这样的实验不仅没有激发甚至禁锢了学生的思维，不利于其创新能力的培养【8-10】。二、力学实验课程的改革及探索 首先，力学实验教学不仅仅是理论教学的延伸和补充，加深学生对理论知识的理解，为了培养大学生更加适应工程能力的需要，以避免大学毕业生到工程部门工作之后需要较长的适应时间，实验教学不应处于从属地位，所以应该转变观念，同时呼吁尽可能地增加实验课时；目前，可以通过多媒体方式将实验目的，实验原理，实验设备的介绍甚至包括实验设备的使用和实验操作步骤等制成PPT挂到实验管理平台上，让学生提前预习，可以节约点时间，把有限的两节课时间尽可能地留给学生自己动手操作实验。其次，为了激发学生学习兴趣，调动学生自主学习积极性，可以直白地告诉学生力学实验不是简单的一门课程学习，而是一个能够挣钱养家的技能培养和训练，通过材料力学性能测试实验的训练，就可以在工程项目中承揽材料力学性能的检测业务，如桥梁工程中预应力梁中所使用的钢绞线，就必须按比例抽样进行拉伸实验，测定钢绞线的极限抗拉强度、屈服强度、弹性模量和最大力伸长量等力学性能指标；又如汽车转动轴等需要测量抗扭强度。通过纯弯梁正应力测试的验证实验，掌握电测原理，学会应变片粘贴、如何组合电桥等，就能在混凝土梁强度研究、钢构件强度校核、既有桥梁使用评估、新桥的成桥检测等工程项目中大显身手。第三，要以学生为主体，改变以往填鸭式教学模式，发挥学生学习的主动性，激发他们的学习兴趣，减少教学过程中教师讲授环节的时间，把更多的时间留给学生，培养他们独立完成实验的能力；以低碳钢扭转力学性能测试实验为例，要测的是低碳钢的极限强度、屈服强度和剪切弹性模量，实验教学中实验原理只简单介绍现有仪器设备能直接测定的参数，贴近最新实施的国家标准规范，该用什么样的计算公式得到要测定的低碳钢的力学性能指标（强度和弹性模量）。实验中为了保证同组的每个学生都能动手操作，先做的学生从选择实验方案开始，到安装完扭角仪开始实验，还在低碳钢的线弹性阶段就强行结束实验，然后换另一个学生来操作，直到同组的最后一个学生才将试样扭断，记录实验结果。这样因为试样经多次扭转肯定会对实验结果有一定影响，但没关系，因为学生做实验要得到的增刊第 2 期 73 王曰国 力学实验教学改革的探索与实践 并不是低碳钢的本身力学性能指标（实际上，绝大多数院校都一样，所用的电子扭转试验机、扭角计、扭矩传感器和游标卡尺等因成本原因且也没必要严格按照国家标准规范进行定期标定），而是要学会怎样测定低碳钢的力学性能指标的方法，比如试样安装，初始扭矩该在安装试样之前还是之后清零，之后又能不能清零，扭角计又应该怎样安装，对实验结果有什么影响，测定剪切弹性模量为什么要采用增量法等，在学生操作过程中老师给予启发，激发学生思考并应用到实验操作过程中。在实验完成以后，启发学生通过观察到低碳钢扭转发热以及低碳钢和铸铁扭断后断口形状不同，用理论知识来解释。这样做实验，既可以充分利用有限的设备，解决了设备台套数不够的问题，同时，让学生能够相互提醒操作注意事项，使得所有学生都能够主动积极完成实验，再也不是纯粹的应付了事。最后，力学实验成绩考核方式也需要改革，以前，力学实验是以网上提交的预习报告作为平时成绩，参加实验签到后网上完成的实验报告作为期末成绩，两项按比例综合作为最终的实验成绩，实验报告都是些填空题和表格计算题，方便了不重视实验课的、做实验时站在边上不动手、甚至躲在一边玩手机的学生抄袭实验报告的便利，这样子，实验教学已经失去了其培养学生动手实践能力的意义。因此，考核方式应该增加学生自己实验操作过程的描述，包括实际操作时错误的或者说是不规范的，会产生什么后果，并解释原因，然后又是如何纠正的。这样子，如果没有自己亲自动手完成实验，就描述不了过程，实验报告也不会千变一律的，大家都一样，避免了学生相互抄袭，从而促使学生自己独立完成实验，做到真正培养学生动手实践能力的意义。参考文献：1 王海涛，材料力学实验教学实践与探索J.教育教学论坛.2019,12:271-273 2 翟诚，贾艳东等，材料力学教学改革的探索J.实验室科学.2015,18（6）:155-157 3 李雯，工程力学、材料力学实验课程综合性项目教学改革J.科研与教学.2020,4:195-196 4 许玲，黄志来 启发式教学在材料力学实验教学中的应用J 安徽工业大学学报(社会科学版)，2014，31(2)：124125 5 黄兴，张东升等，基础力学实验教学改革及其管理体系建设与实践J.实验室研究与探索，2018,37（4）：214-216 6 邓宗白，周克印等，基础力学实验教学改革J.中国大学教育，2005,5:33-34 7 董钢，基于工程能力导向的基础力学实验教学J.中国冶金教育，2018,6:72-73 76 8 蔡传国本科力学实验中的创新思维培养方法探索J力学与实践，2013，35(6)：9596 9 刘雯雯，杜云海等材料力学实验教学改革与创新人才培养J实验室研究与探索，2013，32(6)：332333 10 刘红彬，王建强等提高工程力学实验教学质量培养学生创新能力J河北农业大学学报(农林教育版)，2014，16(3)：48 Practice and Exploration of experimental teaching reform of mechanics Wang Yueguo（Department of Mechanics College of civil engineering of Central South University）Abstract:The mechanics experimental course have a crucial effect on the cultivation of highly adaptable talents in the common university.Equal importance should be attached to both the mechanics experimental course and the theoretical teaching and the mechanics experimental course are the important actions of cultivating the ability of participating practical activities and analyzing the problems and resolving the problems.For the problems that existed in the experimental teaching of mechanics at present，combining with the teaching experience in these years，putting forward some reform exploration and practice.Key words:mechanics;teaching reform;experimental teaching