材料力學(xué)實驗教學(xué)改革研究與實踐

張學(xué)義，夏興有，潘信吉，蘆 頡

(哈爾濱工程大學(xué) 航天與建筑工程學(xué)院 ， 哈爾濱 150001)

材料力學(xué)實驗教學(xué)改革研究與實踐

張學(xué)義，夏興有，潘信吉，蘆 頡

(哈爾濱工程大學(xué) 航天與建筑工程學(xué)院 ， 哈爾濱 150001)

在材料力學(xué)實驗的教學(xué)改革中，依據(jù)實驗中心教學(xué)的實際情況，提出了以力學(xué)學(xué)科為依托的建設(shè)方針；確定了“培養(yǎng)創(chuàng)新精神、注重專業(yè)素質(zhì)、提升科學(xué)素養(yǎng)”的驗教學(xué)定位，提出了“認(rèn)識力學(xué)現(xiàn)象、學(xué)習(xí)力學(xué)方法、解決力學(xué)問題”分層次階梯式實驗教學(xué)理念。在定位與理念指導(dǎo)下，中心搭建了開放式實驗教學(xué)平臺和學(xué)生課外創(chuàng)新平臺；構(gòu)建了三個體系即分層次、個性培養(yǎng)的實驗教學(xué)體系、創(chuàng)建以實驗技能測試為主考核體系和搭建立體化實驗教學(xué)資源體系，經(jīng)過不斷地探索與實踐，使得材料力學(xué)實驗教學(xué)取得了顯著的教學(xué)效果。

學(xué)科；教學(xué)改革；材料力學(xué)；實驗

材料力學(xué)課程是工科院校學(xué)生的技術(shù)基礎(chǔ)課，蘊含著豐富的科學(xué)方法和科學(xué)思想，是培養(yǎng)大學(xué)生綜合能力的重要載體。材料力學(xué)實驗和材料力學(xué)理論課互為基礎(chǔ)，相互依存，具有很強的相關(guān)性[1]。材料力學(xué)實驗是理論的基礎(chǔ)，又促進(jìn)了理論的發(fā)展。材料力學(xué)實驗不僅能使學(xué)生受到嚴(yán)格、系統(tǒng)的實驗技能訓(xùn)練，掌握科學(xué)實驗的基本知識、方法和技巧，更重要的是能培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維和創(chuàng)新精神。近年來哈爾濱工程大學(xué)在材料力學(xué)實驗的教學(xué)改革中，以力學(xué)學(xué)科為依托，更新實驗教學(xué)理念，搭建實驗教學(xué)和創(chuàng)新平臺，堅持分層次實驗教學(xué)，重新構(gòu)建實驗成績考評體系，取得很好的教學(xué)效果。材料力學(xué)實驗教學(xué)在2012年“十一五”黑龍江省省級力學(xué)實驗教學(xué)中心驗收中得到省內(nèi)專家的一致好評;同年，以材料力學(xué)實驗為支撐的力學(xué)實驗教學(xué)示范中心被評為工業(yè)與信息化部首批實驗教學(xué)示范中心。

1 依托力學(xué)學(xué)科

力學(xué)學(xué)科是我校的優(yōu)勢學(xué)科，有以院士為帶頭人的學(xué)術(shù)團(tuán)隊，具有本科生、碩士生、博士生、博士后研究人員在內(nèi)的多層次人才培養(yǎng)體系[2]。力學(xué)學(xué)科建設(shè)的一個重要組成部分是進(jìn)行實驗教學(xué)建設(shè)和重點技術(shù)裝備建設(shè)。利用力學(xué)實驗教學(xué)示范中心的現(xiàn)有條件進(jìn)行學(xué)科的研究基地建設(shè)，在學(xué)科建設(shè)時兼顧本科生和研究生的實驗教學(xué)，使實驗教學(xué)有足夠的資源保證；利用力學(xué)學(xué)科的人才和技術(shù)優(yōu)勢，提升材料力學(xué)實驗教學(xué)水平；利用院士實驗室的高精尖設(shè)備，為力學(xué)專業(yè)高年級學(xué)生開設(shè)科研層次實驗課和演示實驗課，使學(xué)生在本科學(xué)習(xí)階段有機會接觸高端的設(shè)備和科研成果，感受濃厚的學(xué)術(shù)氛圍，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2 搭建兩個平臺

2.1 開放式實驗教學(xué)平臺

2.2 學(xué)生課外創(chuàng)新平臺

創(chuàng)新能力反映的是創(chuàng)新主體的動手能力，是創(chuàng)新教育的核心。學(xué)生課外活動是對第一課堂教學(xué)的有益補充，是培養(yǎng)和提高學(xué)生創(chuàng)新能力的重要途徑[5]。設(shè)立創(chuàng)新實驗室，吸引學(xué)生主動參與，實現(xiàn)從科學(xué)知識型向科學(xué)知識實用技能型的轉(zhuǎn)化，強化學(xué)生的實際動手能力和實踐技能的培養(yǎng)，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。使學(xué)有余力的學(xué)生在完成教學(xué)計劃要求的課程基礎(chǔ)上，根據(jù)自己的能力和條件進(jìn)入自選題目的研究，學(xué)生自己進(jìn)行方案論證、設(shè)計、安裝和實驗測試，可以把自己的設(shè)想在實驗室進(jìn)行研究、比較、分析、實驗。這樣就能做到因材施教、因人施教。教師以啟發(fā)、相互交流、自由討論的方式對學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)。不同專業(yè)、不同選題的學(xué)生之間互相學(xué)習(xí)、交流，彼此激發(fā)靈感，在良好的學(xué)術(shù)氣氛下完成實驗和研究工作。成立多個實驗創(chuàng)新小組，實驗室每學(xué)期精選5～7個實驗課題，向全校學(xué)生招收創(chuàng)新小組成員，每個小組4～5名學(xué)生。已經(jīng)連續(xù)多年舉辦的紙橋大賽在學(xué)校內(nèi)產(chǎn)生了廣泛的影響，得到了國內(nèi)主要媒體的關(guān)注。另外，學(xué)生也可自愿成立創(chuàng)新小組，帶著相關(guān)的課題，在實驗室教師的指導(dǎo)下開展研究工作。這樣就可以為學(xué)生提供更多的思考問題空間和動手機會，進(jìn)一步培養(yǎng)、鍛煉、提高學(xué)生的創(chuàng)新意識，使學(xué)生開闊視野和思路，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力[6]。

3 重新構(gòu)建三個體系

3.1 構(gòu)建分層次、個性培養(yǎng)的實驗教學(xué)體系

綜合分析理論力學(xué)和材料力學(xué)等相關(guān)理論課程教學(xué)現(xiàn)狀，考慮到我校力學(xué)學(xué)科的特點和具有的為船舶工業(yè)、海軍裝備、海洋開發(fā)和核能應(yīng)用服務(wù)的辦學(xué)特色，突出分層次、個性培養(yǎng)的理念，構(gòu)建材料力學(xué)實驗教學(xué)新體系。對材料力學(xué)實驗課程內(nèi)容進(jìn)行重組，建立4個實驗教學(xué)層次。基礎(chǔ)層次實驗是從簡單的經(jīng)典實驗開始，使學(xué)生掌握常用儀器設(shè)備的操作方法，熟悉基本實驗設(shè)計原理，培養(yǎng)學(xué)生觀察、記錄實驗結(jié)果及收集整理實驗數(shù)據(jù)的能力。對高年級的優(yōu)秀學(xué)生(包括部分成績不很優(yōu)秀但希望盡早個性化發(fā)展的學(xué)生)，讓他們選擇感興趣的研究方向和課題，利用課余時間直接進(jìn)入科研實驗室工作，使他們在濃厚的科研氣氛中迅速成長。在實驗中只有相關(guān)的研究課題，沒有實驗原理、實驗步驟，只有一系列的問題，給學(xué)生留出了思考和發(fā)揮創(chuàng)造性的空間，學(xué)生必須自己查閱資料，回答這些問題后才能設(shè)計并進(jìn)行相關(guān)的實驗，如固體中波速的測量和沖擊綜合實驗。

將科研成果轉(zhuǎn)化為實驗教學(xué)內(nèi)容，開發(fā)出新的、與當(dāng)前科技發(fā)展緊密相關(guān)的實驗項目，如納米材料的動態(tài)沖擊實驗及陶瓷材料的動態(tài)性能測試實驗等。及時反映力學(xué)實驗的當(dāng)今國內(nèi)外學(xué)術(shù)動態(tài)，把最新進(jìn)展制作成掛板，懸掛在實驗室，隨時更新，以此吸引學(xué)生的注意力，豐富學(xué)生的知識，培養(yǎng)學(xué)生的興趣。

3.2 創(chuàng)建以實驗技能測試為主的實驗成績考核體系

實驗成績是學(xué)生實驗過程和實驗效果的全面反映，同時又是掌握知識和運用知識的一種綜合評價，因此，如何評定實驗成績就顯得至關(guān)重要。實驗成績的考核不僅要充分體現(xiàn)在學(xué)生實驗的全過程，而且應(yīng)該是動態(tài)的和全方位的，同時又應(yīng)該成為激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情的一個載體[7]。隨著實驗教學(xué)改革的不斷深入和素質(zhì)教育的不斷加強，綜合性設(shè)計實驗等新的實驗形式在實驗課中占的比例越來越大，對這些實驗課的成績的評定具有一定的難度。在2012年春季學(xué)期對近1 500名學(xué)生選課的材料力學(xué)實驗，采取重點考核學(xué)生實驗操作能力與基本實驗技能，考核內(nèi)容主要以基本層次實驗和綜合層次實驗為主。在考核前三周把要測試的三個典型實驗在實驗教學(xué)中心的網(wǎng)頁上公布，上課時沒有選這些實驗的學(xué)生在這期間可以到實驗室來完成實驗，其他學(xué)生也可以在這期間到實驗室復(fù)習(xí)相關(guān)實驗設(shè)備。

3.3 搭建立體化實驗教學(xué)資源體系

修訂實驗教材，增加設(shè)計性、綜合性實驗內(nèi)容，所選實驗內(nèi)容不僅具有廣泛性，而且具有啟發(fā)性、研究性和創(chuàng)新性。教材包含基礎(chǔ)層次實驗和綜合層次實驗，主要面向全校機械類、動力類和建筑類專業(yè)選材料力學(xué)實驗課程的學(xué)生。實驗教材中設(shè)置很多啟發(fā)性問題，指導(dǎo)學(xué)生在實驗前、實驗中和實驗后思考、討論，提供解決問題的指導(dǎo)性思路、可參考的文獻(xiàn)資料源，把問題留給學(xué)生自己獨立解決，有利于學(xué)生開闊思路。學(xué)生在實驗中既動手又動腦，用動腦去指導(dǎo)動手。實驗教學(xué)中心補充印刷了材料力學(xué)實驗講義，主要介紹提高層次實驗，不斷充實新的實驗內(nèi)容。

實驗室自制材料力學(xué)實驗中文版CAI課件，課件除了對實驗原理、操作方法作必要的介紹以外，還結(jié)合動畫片和相關(guān)實驗的研究成果進(jìn)行較深入地分析和討論，從而加快學(xué)生對實驗過程的理解，減少教師重復(fù)指導(dǎo)工作量，起到了舉一反三、擴(kuò)大知識面的作用。課件充分體現(xiàn)實驗教學(xué)中以學(xué)生為主體、因材施教、個性培養(yǎng)的教學(xué)理念。加深學(xué)生對實驗內(nèi)容的理解，增強學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，由灌輸式學(xué)習(xí)變?yōu)閷W(xué)生的主動學(xué)習(xí)，將以學(xué)生為中心的教學(xué)思想付諸實驗教學(xué)實踐中。

進(jìn)行虛擬材料力學(xué)實驗室建設(shè)，學(xué)生可在實驗中心網(wǎng)站上下載和觀看。虛擬實驗是實驗的基本原理、設(shè)備結(jié)構(gòu)和功能感官的再現(xiàn)，可加深學(xué)生對實驗的設(shè)計思想、設(shè)計方法和實驗原理的理解。學(xué)生不受時間和空間限制，自行設(shè)計實驗參數(shù)、反復(fù)調(diào)節(jié)，觀察實驗現(xiàn)象，分析實驗結(jié)果，解決了因為實驗設(shè)備和經(jīng)費等客觀條件的制約的問題。材料力學(xué)虛擬實驗系統(tǒng)具有建設(shè)快、成本低、便于管理的特點，能夠發(fā)揮學(xué)生主觀能動性，提高實驗效率，還可以多次重復(fù)實驗；學(xué)生能夠節(jié)省大量的調(diào)試時間，能培養(yǎng)學(xué)生利于現(xiàn)代教學(xué)手段進(jìn)行實驗的能力。

4 結(jié)束語

在材料力學(xué)實驗的教學(xué)改革中，以固體力學(xué)學(xué)科為依托，確定了“培養(yǎng)創(chuàng)新精神、注重專業(yè)素質(zhì)、提升科學(xué)素養(yǎng)”的實驗教學(xué)理念，創(chuàng)建了“認(rèn)識力學(xué)現(xiàn)象、學(xué)習(xí)力學(xué)方法、解決力學(xué)問題”分層次實驗教學(xué)體系，搭建學(xué)生實驗教學(xué)平臺和科技創(chuàng)新平臺，重新構(gòu)建實驗成績考評體系，取得很好的教學(xué)效果。

[1]夏興有，張學(xué)義，鄒廣平.材料力學(xué)研究型實驗教學(xué)的實踐[J].實驗室科學(xué),2008,(4)：42-44.

[2] 鄒廣平,夏興有,張學(xué)義.力學(xué)實驗室開放的實踐與探索[J].實驗室研究與探索,2007,26(4)：141-144.

[3] 孫立民，等.構(gòu)建開放式創(chuàng)新環(huán)境的探索與實踐[J].實驗室研究與探索,2006,25(1)：119-121.

[4] 白云,柴鈺.加強開放式實驗教學(xué) 培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力[J].實驗室研究與探索,2010,29(8)：109-112.

[5] 梁迎春.省級實驗教學(xué)示范中心的建設(shè)模式探索[J].實驗室研究與探索,2011,30(2):88-90.

[6] 李紅陽,王立峰.高校實驗教學(xué)示范中心建設(shè)與創(chuàng)新型人才培養(yǎng)[J].實驗技術(shù)與管理,2010,27(9):111-114.

[7]魏偉,魏嵐婕.加強實驗教學(xué)示范中心建設(shè)，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才[J].實驗室研究與探索,2007,26(8):69-71.

Reform and Innovation for Experimental Teaching of Mechanics of Materials

ZHANG Xueyi, XIA Xingyou, PAN Xinji, Lü Jie

(Department of Aerospace and Civil Engineering, Harbin Engineering University, Haerbin 150001, China)

According to the practice sitiation of experiment center, we put forward to construction plane based materiols mechanics.These covered three areas about experiment teaching.The first was to take the discipline as the centre.The second is to open the laboratory and establish a platform for the students. The third is to prepare different level for different students and to create the new mechanism with centre of operating for exam and to construct the system of 3-d resource for experimental teaching.

discipline; teaching reform; mechanics of materials; experiment

2014-05-25；修改日期:2014-10-23

張學(xué)義(1971-)，男，工學(xué)博士，副教授，主要從事力學(xué)教學(xué)和實驗教學(xué)研究工作。

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.06.037