基于翻轉(zhuǎn)課堂的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法探討★

聶書(shū)嚴(yán)， 楊昌棋， 萬(wàn) 玲， 魏 榛， 劉 勇

（1.重慶大學(xué)航空航天學(xué)院， 重慶 400044； 2.中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 712000）

引言

材料力學(xué)是工科院校的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是架于專業(yè)課和基礎(chǔ)課之間的橋梁，對(duì)于后續(xù)課程的學(xué)習(xí)起著重要的作用。同時(shí)，材料力學(xué)也可作為一門(mén)單獨(dú)的學(xué)科解決工程實(shí)際問(wèn)題[1]。材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)是材料力學(xué)課程中不可或缺的部分，它為學(xué)生演示和論證材料力學(xué)理論的正確性，啟發(fā)學(xué)生將理論與實(shí)際工程相結(jié)合，有助于加深對(duì)材料力學(xué)知識(shí)理解和構(gòu)建材料力學(xué)知識(shí)體系。材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在工科專業(yè)的教學(xué)當(dāng)中起著非常重要的作用。

“翻轉(zhuǎn)課堂”是2000年Maureen J.Lage和Glenn J.Platt在論文中提出的[2]。它主要為一種將課堂時(shí)間和課下時(shí)間顛倒的一種新型教學(xué)模式。在這種新的教學(xué)模式下，教師提前準(zhǔn)備課程資料，并錄制視頻，學(xué)生在上課前通過(guò)觀看視頻講解，學(xué)習(xí)課程資料，了解和掌握課程內(nèi)容，再在課堂上交流和完成作業(yè)。隨著模式的逐步發(fā)展，越來(lái)越多的教師都投入到了翻轉(zhuǎn)課程的教學(xué)模式中。劉銳[3]、吳曉娟[4]等均在實(shí)踐教學(xué)中均取得了較好的教學(xué)效果。隨著現(xiàn)代化信息時(shí)代的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)的普及都為翻轉(zhuǎn)課堂式教學(xué)模式提供了越來(lái)越便利的條件。因此，高校結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，提升教學(xué)質(zhì)量勢(shì)在必行。

重慶大學(xué)航空航天學(xué)院力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心承擔(dān)了全校大部分理工科專業(yè)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程，課程每年的上課人次達(dá)8 000以上。而力學(xué)中心在教學(xué)方法上仍然采用講授加現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)教學(xué)模式。這種方法在課堂教學(xué)上呈現(xiàn)出了諸多不足。因此，實(shí)驗(yàn)中心亟待需要結(jié)合翻轉(zhuǎn)課程的教學(xué)模式，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革探索，進(jìn)一步提高材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，將更優(yōu)質(zhì)的教育應(yīng)用于廣大學(xué)生。

1 傳統(tǒng)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題

重慶大學(xué)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程主要開(kāi)設(shè)材料的拉伸、材料壓縮和扭轉(zhuǎn)、電測(cè)法測(cè)純彎梁正應(yīng)力、彎扭組合結(jié)構(gòu)載荷測(cè)定等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)中心每年教學(xué)任務(wù)量大，而只配備了幾名實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師。教師任務(wù)量繁重，每個(gè)班級(jí)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目大體相同，教師必須重復(fù)教授相同課程內(nèi)容。傳統(tǒng)講授加實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式也比較固化，教學(xué)方法陳舊，導(dǎo)致學(xué)生實(shí)驗(yàn)參與率、積極性均不高，實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在諸多問(wèn)題。

1）理論講解占用大量教學(xué)時(shí)間，實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間不足。若是傳統(tǒng)的講授加實(shí)驗(yàn)的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，課程最開(kāi)始要對(duì)學(xué)生講授實(shí)驗(yàn)理論、原理、方法等實(shí)驗(yàn)知識(shí)，時(shí)間約為30～45 min。而且材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)中引伸計(jì)的原理、電阻應(yīng)變片原理、測(cè)試方法、應(yīng)變片的組橋方式以及各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中平面應(yīng)力分析、材料破壞形式、實(shí)驗(yàn)構(gòu)架的結(jié)構(gòu)剖析、各種設(shè)備原理和構(gòu)造等內(nèi)容的介紹均需要時(shí)間進(jìn)行講解。在短短兩節(jié)課內(nèi)完全不能使學(xué)生了解非常透徹。實(shí)踐環(huán)節(jié)往往是現(xiàn)在學(xué)生的薄弱環(huán)節(jié)，動(dòng)手測(cè)試的能力、理論知識(shí)與實(shí)際工程結(jié)合的能力相對(duì)較弱，急需加強(qiáng)。指導(dǎo)教師在日常的教學(xué)中也發(fā)現(xiàn)：理論教學(xué)占用了實(shí)驗(yàn)課堂的部分時(shí)間，在短時(shí)間內(nèi)將相關(guān)知識(shí)灌輸給學(xué)生并不能使學(xué)生很快消化理解知識(shí)，不能融會(huì)貫通、深入理解和掌握實(shí)驗(yàn)原理,只是機(jī)械式地重復(fù)教師教授步驟，完全沒(méi)有對(duì)實(shí)驗(yàn)的分析和思考，達(dá)不到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。

2）以教師為主導(dǎo)，忽視了學(xué)生的主動(dòng)性，學(xué)生積極性不高。教師只研究如何“教”，卻從未研究學(xué)生如何“學(xué)”。課堂上完全以教師為主導(dǎo)，跟隨教師的思路，完全忽視了學(xué)生的思考時(shí)間、接受能力[5]。這種方式下，學(xué)生完全沒(méi)有主動(dòng)性，被動(dòng)接受教師傳播的知識(shí)?！白唏R觀花”式的實(shí)驗(yàn)課程完全沒(méi)有達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、發(fā)散思維的效果。在這種模式的主導(dǎo)下，學(xué)生不活躍，也缺乏表達(dá)自我思維和想法的時(shí)間，對(duì)許多問(wèn)題一知半解。一些接受能力差的同學(xué)看到實(shí)驗(yàn)設(shè)備不知道如何動(dòng)手，而大部分同學(xué)也只是按部就班完成實(shí)驗(yàn)。對(duì)于有難度、有創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)，大部分同學(xué)完全不知道如何下手，花費(fèi)大量時(shí)間現(xiàn)場(chǎng)研究相關(guān)原理和方法。比如彎扭組合結(jié)構(gòu)載荷測(cè)定實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生自己分析結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)分布、用應(yīng)變儀組電橋，至少應(yīng)用2種組橋方式測(cè)定未知載荷。面對(duì)這種有難度、需要有綜合分析能力、扎實(shí)的理論知識(shí)的實(shí)驗(yàn)，大部分同學(xué)都無(wú)從下手，組電橋原理都不能完全理解，也不能獨(dú)立完成應(yīng)力狀態(tài)分析，肯定無(wú)法完成實(shí)驗(yàn)。因此，部分同學(xué)覺(jué)得實(shí)驗(yàn)是一座無(wú)法逾越的大山，直接就失去了興趣，或者在分組中處于觀望狀態(tài)，積極性不高。

3）教師機(jī)械式的重復(fù)課程講授，不利于學(xué)生新知識(shí)的獲取。課堂講解實(shí)驗(yàn)理論是實(shí)驗(yàn)課程中必不可少的環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)中心每年任務(wù)繁重，教師大量時(shí)間花費(fèi)在課前準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)設(shè)備維護(hù)、課程理論講授上，無(wú)過(guò)多的時(shí)間對(duì)課程較新內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)工程實(shí)際問(wèn)題、教學(xué)方法進(jìn)行研究。而且每次重復(fù)的課程內(nèi)容，使教師對(duì)課前備課的積極性不高，上課就是機(jī)械式的重復(fù)前面所講的內(nèi)容。這在一定程度上阻礙了學(xué)生從教師身上獲取最新知識(shí)，了解實(shí)驗(yàn)技術(shù)發(fā)展情況，從而不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。這些都導(dǎo)致了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的不理想、學(xué)生應(yīng)付實(shí)驗(yàn)等等弊端。

2 結(jié)合實(shí)驗(yàn)中心情況，探討材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方法

2.1 教學(xué)模式改革

1）教師提前錄制視頻、編寫(xiě)課件，學(xué)生課前學(xué)習(xí)理論，課堂進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。翻轉(zhuǎn)課堂將傳統(tǒng)的教師為主導(dǎo)的教學(xué)形式完全顛倒為以學(xué)生為主導(dǎo)的教學(xué)形式。在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式下，教師提前將實(shí)驗(yàn)課程相關(guān)講解錄制成視頻，以供學(xué)生學(xué)習(xí)。視頻的錄制可以不用受時(shí)間限制，分為實(shí)驗(yàn)必修環(huán)節(jié)和拓展環(huán)節(jié)，內(nèi)容不僅限于實(shí)驗(yàn)理論，可以包括實(shí)驗(yàn)設(shè)備原理、實(shí)驗(yàn)方法發(fā)展、實(shí)驗(yàn)方法的應(yīng)用、工程實(shí)例舉例和分析等。這種模式避免了教師機(jī)械式教學(xué)重復(fù)，提高了教師上課積極性，同時(shí)給學(xué)生操作、分析實(shí)驗(yàn)錯(cuò)誤和誤差留有足夠的時(shí)間。視頻采用教師負(fù)責(zé)制定期更新，督促教師備課，不斷完善和補(bǔ)充視頻內(nèi)容。視頻的更新和積累使實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容更加豐富完善，拓寬學(xué)生知識(shí)面。學(xué)生學(xué)習(xí)視頻并熟悉相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)知識(shí)后來(lái)到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。

2）建立課前學(xué)習(xí)考核制度，督促學(xué)生課前學(xué)習(xí)。受到“教師教授，學(xué)生學(xué)習(xí)”的教學(xué)模式的影響，學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)基本已成習(xí)慣，主動(dòng)學(xué)習(xí)效果很差。因此，翻轉(zhuǎn)課堂的模式若要在材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中達(dá)到好的效果，必須建立適當(dāng)?shù)恼n前考核機(jī)制，督促學(xué)生課前學(xué)習(xí)。而隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)上學(xué)習(xí)已經(jīng)成為一種新型的學(xué)習(xí)方式。目前，學(xué)院已有教學(xué)網(wǎng)上平臺(tái)：基礎(chǔ)力學(xué)學(xué)習(xí)平臺(tái)。基于平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)中心教師將錄制的視頻上傳至平臺(tái)，并對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置對(duì)應(yīng)的考核試題。試題內(nèi)容不僅包含學(xué)生實(shí)驗(yàn)安全規(guī)范、實(shí)驗(yàn)室管理規(guī)定以及基本的實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)入規(guī)定，也包含本次課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的基本原理、實(shí)驗(yàn)方法、工程實(shí)例等知識(shí)。學(xué)生經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)，并通過(guò)上述試題考核，便可以隨堂進(jìn)行試驗(yàn)。這樣不僅使學(xué)生能夠明白和系統(tǒng)地掌握實(shí)驗(yàn)相關(guān)的知識(shí)體系、實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的安全管理，而且能夠大大提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的安全性，實(shí)驗(yàn)效果也更好。

3）課堂教學(xué)的變化。隨著教學(xué)模式的改變，課堂教學(xué)內(nèi)容也需要發(fā)生應(yīng)有的變化。課堂上，教師不需要像傳統(tǒng)理論一樣花費(fèi)幾十分鐘教授理論，只需花費(fèi)十幾分鐘進(jìn)行總結(jié)，便可放心讓學(xué)生自己動(dòng)手實(shí)驗(yàn)。這種模式下，教師可以對(duì)學(xué)生提出更高要求，比如實(shí)驗(yàn)方法的比較、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析、實(shí)驗(yàn)誤差的分析、實(shí)驗(yàn)結(jié)論啟發(fā)、對(duì)實(shí)驗(yàn)精度要求更高、多提供幾種實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。每一項(xiàng)要求均可促使學(xué)生不斷思考，加深理解。

2.2 教學(xué)內(nèi)容改革

1）結(jié)合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件和內(nèi)容，完善新實(shí)驗(yàn)方案，增加創(chuàng)新性。翻轉(zhuǎn)課程打破了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，較傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課堂模式更加節(jié)省課堂時(shí)間。利用這些時(shí)間，教師可以對(duì)原有試驗(yàn)進(jìn)行改革，增加創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。比如材料拉伸實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的模式比較統(tǒng)一、實(shí)驗(yàn)的可操作性不大，不利于學(xué)生的創(chuàng)新能力、發(fā)散思維的培養(yǎng)。而利用翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式便可以對(duì)實(shí)驗(yàn)加以改進(jìn)，而且不需要擔(dān)心課堂時(shí)間不足的情況。翻轉(zhuǎn)課堂對(duì)耗時(shí)很較長(zhǎng)、技術(shù)含量不高、需求專業(yè)設(shè)備不多、設(shè)備工具便宜便于攜帶的實(shí)驗(yàn)有著非常大的優(yōu)勢(shì)。而應(yīng)變片的粘貼就屬于此類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。因此，材料拉伸實(shí)驗(yàn)便可結(jié)合應(yīng)變片的粘貼技術(shù)（電測(cè)法）測(cè)定材料彈性模量。課前下發(fā)簡(jiǎn)單的工具包，學(xué)生利用課余時(shí)間即可完成應(yīng)變片粘貼的練習(xí)和試件制作的工作。這將傳統(tǒng)的一到兩節(jié)課的內(nèi)容完全放在了課下，大大豐富了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的內(nèi)容，使學(xué)生真正明白實(shí)驗(yàn)試件制作的不易和辛苦，還鍛煉了學(xué)生的對(duì)手能力，使學(xué)生清楚整個(gè)試件實(shí)驗(yàn)的流程，明白實(shí)驗(yàn)操作與理論設(shè)計(jì)的區(qū)別，為今后科研實(shí)驗(yàn)提供便利。壓縮和扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目本身時(shí)間比較緊張，而在翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式下，學(xué)生有充分的時(shí)間討論和規(guī)劃方案，剖析破壞原因，做實(shí)驗(yàn)更得心應(yīng)手。電測(cè)法測(cè)量純彎梁正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)也可以進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)改進(jìn)：實(shí)驗(yàn)中可以將試驗(yàn)機(jī)加載軟件中的載荷隱藏，比較梁在不同高度的正應(yīng)力的同時(shí)，利用這些正應(yīng)力和梁的剛度E來(lái)計(jì)算實(shí)驗(yàn)載荷大小。這個(gè)實(shí)驗(yàn)方案不僅驗(yàn)證了梁在高度方向的變化，還需要學(xué)生對(duì)四點(diǎn)彎曲梁的正應(yīng)力沿高度分布有足夠的理解才能計(jì)算出試驗(yàn)機(jī)的加載力，充分考察了學(xué)生對(duì)理論的掌握程度。結(jié)合“翻轉(zhuǎn)課程”新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，完善新的試驗(yàn)方案，能夠增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新性，把實(shí)踐教學(xué)提升到一個(gè)新高度，為培養(yǎng)創(chuàng)新人才打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2）結(jié)合開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室，嘗試材料力學(xué)創(chuàng)新型實(shí)踐教學(xué)。結(jié)合開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室，基于翻轉(zhuǎn)課的教學(xué)模式，可以嘗試開(kāi)發(fā)新的材料力學(xué)創(chuàng)新型實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目。如應(yīng)用比較廣泛的實(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù)：應(yīng)變片測(cè)量彈性模量、泊松比、應(yīng)變電測(cè)法測(cè)定壓桿的臨界載荷、偏心拉伸實(shí)驗(yàn)等。也可結(jié)合工程實(shí)例，開(kāi)設(shè)趣味教學(xué)項(xiàng)目。比如：利用一張A4紙，制作一個(gè)試件，看誰(shuí)的試件抗拉抗彎能力最強(qiáng)。哪種材料適合橋梁的哪些結(jié)構(gòu)：實(shí)驗(yàn)提供5～6種材料，并有相應(yīng)的壓縮、拉伸、扭轉(zhuǎn)試件，讓學(xué)生剖析哪些材料該用在橋梁哪些部位，并說(shuō)明理由。利用應(yīng)變片、各種不同形狀的彈簧鋼塊制作傳感器，測(cè)量5 t的汽車，汽車可由試驗(yàn)機(jī)來(lái)代替。這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目均可結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式，在課前，學(xué)生觀看教師視頻講解，動(dòng)手制作并初步完成作品，在課堂上現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試評(píng)比，能夠極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性，使其參與的意愿更加強(qiáng)烈，而且能夠?qū)W習(xí)材料力學(xué)的知識(shí)。創(chuàng)新型實(shí)踐教學(xué)不僅能夠?qū)W(xué)生課本所學(xué)到的知識(shí)應(yīng)用于工程實(shí)例中，更能夠加深學(xué)生對(duì)知識(shí)理解和應(yīng)用，讓學(xué)生能夠發(fā)散思維。

3 結(jié)論

在迅猛發(fā)展的信息化時(shí)代，翻轉(zhuǎn)課堂的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式能夠使學(xué)生由單一從課堂獲取固定知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)從互聯(lián)網(wǎng)、圖書(shū)館等多種渠道獲取、掌握更多知識(shí)體系，并能夠使學(xué)生主動(dòng)參與到實(shí)驗(yàn)試件的動(dòng)手制作、實(shí)驗(yàn)測(cè)試中來(lái)，充分激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新性思維。因此，翻轉(zhuǎn)課堂的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容上均具有很大優(yōu)勢(shì)，為完善材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目體系、提高材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量、進(jìn)行創(chuàng)新性實(shí)踐教學(xué)訓(xùn)練提供了很好的理論依據(jù)。

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