面向創(chuàng)新人才培養(yǎng)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究

曾鳴 王鈺文 石明江 湯歷平

摘要：根據(jù)當(dāng)前創(chuàng)新人才的需求，在充分分析了當(dāng)前高等學(xué)校力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)所存在的問(wèn)題基礎(chǔ)上，提出了力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容應(yīng)與工程背景相結(jié)合，同時(shí)，設(shè)計(jì)了新的因材施教培養(yǎng)模式，以及“虛”“實(shí)”結(jié)合的教學(xué)方式，并且對(duì)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放進(jìn)行了探索，從而促進(jìn)了力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、模式的創(chuàng)新，為其他實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)改革提供指導(dǎo)和借鑒。

關(guān)鍵詞：力學(xué)實(shí)驗(yàn)；教學(xué)改革；因材施教；虛實(shí)結(jié)合；實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）33-0111-02

一、引言

力學(xué)是高等學(xué)校工科專業(yè)的一門基礎(chǔ)課，具有顯著的理論性和工程性特點(diǎn)。力學(xué)實(shí)驗(yàn)是力學(xué)理論教學(xué)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是理論教學(xué)向工程實(shí)際的延伸，在培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力方面具有重要作用，是高等學(xué)校培養(yǎng)高質(zhì)量工程技術(shù)人才的關(guān)鍵。然而，出于各種原因，在不少工科院校中存在重理論、輕實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象。本文通過(guò)深入分析當(dāng)前力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中存在的問(wèn)題，結(jié)合工程實(shí)際和現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，對(duì)力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容建設(shè)、課程管理、設(shè)備改造等多個(gè)方面提出切實(shí)可行的改革方案，以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量人才培養(yǎng)目標(biāo)。

二、目前存在的問(wèn)題

1.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容固定。多年來(lái)，力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容主要包括金屬材料拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、直梁彎曲正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)，這類實(shí)驗(yàn)均以驗(yàn)證為主，內(nèi)容相對(duì)單一，形式較為固定。然而這些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)大多只能讓學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)設(shè)備的基本操作、熟悉實(shí)驗(yàn)過(guò)程，對(duì)理論課所學(xué)內(nèi)容有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，但是并不能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，不能讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有更深層次的思考。

2.實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式單一。傳統(tǒng)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大多沿用老師講授，學(xué)生被動(dòng)灌輸?shù)慕虒W(xué)方式，學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)，且完全依賴于老師所講解的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒎椒ê筒襟E，極大地限制了學(xué)生的創(chuàng)造性和自主性，與目前所提倡的素質(zhì)教育和創(chuàng)新性人才培養(yǎng)大相徑庭。不僅無(wú)法培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，而且也不能夠發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

3.實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量不高。力學(xué)為全校性基礎(chǔ)課，學(xué)生選課人數(shù)眾多，但實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和設(shè)備數(shù)量非常有限，遠(yuǎn)不能滿足目前的使用需求，由此造成了同一組學(xué)生個(gè)別人操作、多數(shù)人觀摩的現(xiàn)象，很多學(xué)生并沒(méi)有真正按照要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。與此同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)處理和分析不重視，經(jīng)常出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告相互抄襲的問(wèn)題，然而對(duì)于力學(xué)實(shí)驗(yàn)而言，實(shí)驗(yàn)后的數(shù)據(jù)處理和分析是一項(xiàng)十分重要的工作，需要學(xué)生找出誤差產(chǎn)生的原因及處理方法。

4.實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊。由于力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器的年代相對(duì)較久，逐漸開(kāi)始不能夠滿足新時(shí)代的使用要求。例如，我校一直采用的JNSG-144型教學(xué)用扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)，采用渦輪減速器手動(dòng)加載，通過(guò)彈簧測(cè)矩裝置測(cè)量扭矩，用戶觀察扭矩和扭轉(zhuǎn)角刻度盤讀取數(shù)值。實(shí)驗(yàn)時(shí)，扭矩由尼龍線傳遞到度盤上，在線輪位置容易出現(xiàn)斷線的情況，需要經(jīng)常對(duì)設(shè)備重新接線，使用費(fèi)時(shí)費(fèi)力。扭矩和扭轉(zhuǎn)角讀數(shù)由度盤反映，造成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差較大，實(shí)驗(yàn)效果不理想，無(wú)法完成教學(xué)大綱規(guī)定的教學(xué)任務(wù)。

三、針對(duì)這些問(wèn)題的改進(jìn)

1.內(nèi)容上與工程背景相結(jié)合。與枯燥的理論驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)相比較，學(xué)生更容易接受貼近工程應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，因此，在傳統(tǒng)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，可以增加一些更生動(dòng)、更直觀的實(shí)際工程問(wèn)題，通過(guò)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，使其能夠更加扎實(shí)地掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)[1]。例如，在基本的金屬材料拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)等實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，增加一些實(shí)際工程中所采用的金屬、非金屬材料的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生從多種途徑增強(qiáng)對(duì)基本理論知識(shí)的理解和應(yīng)用，不僅能夠使得實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更加豐富并且貼近實(shí)際，而且能夠進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力。

2.因材施教的培養(yǎng)模式。對(duì)于全體學(xué)生，只需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中列明的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?nèi)容和步驟，完成相應(yīng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)即可。而對(duì)于學(xué)有余力且希望深入探索的學(xué)生，開(kāi)展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，并給予相應(yīng)的學(xué)分獎(jiǎng)勵(lì)，以達(dá)到提高學(xué)生積極性和個(gè)性化培養(yǎng)的目的[2]。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)應(yīng)采用“三不固定”的自主式學(xué)習(xí)方式，即：一沒(méi)有固定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。學(xué)生的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以是自己想要探明的相關(guān)問(wèn)題，也可以是教師根據(jù)自身研究方向所總結(jié)出來(lái)的相關(guān)內(nèi)容。二沒(méi)有固定的實(shí)驗(yàn)方案。學(xué)生在確定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容后，可根據(jù)實(shí)際情況組建創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)，并確定團(tuán)隊(duì)成員各自的分工及具體的實(shí)驗(yàn)步驟，待老師認(rèn)可實(shí)驗(yàn)方案后進(jìn)行相應(yīng)實(shí)驗(yàn)。三沒(méi)有固定的考核方法。學(xué)生實(shí)驗(yàn)完成后，可以采用書面報(bào)告、口頭報(bào)告、小論文等多種形式進(jìn)行考核。這樣的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，是以學(xué)生自身的興趣作為出發(fā)點(diǎn)，自主地進(jìn)行選題、組織、設(shè)計(jì)和匯報(bào)等一系列實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生協(xié)調(diào)組織、創(chuàng)新，以及分析、解決問(wèn)題能力的目的。

3.“虛”“實(shí)”結(jié)合的教學(xué)方式。結(jié)合力學(xué)專業(yè)特點(diǎn)，建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，打破傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)在時(shí)間和空間上的限制，充分發(fā)揮虛擬實(shí)驗(yàn)所具備的低消耗、操作可逆、可完成綜合實(shí)驗(yàn)等優(yōu)勢(shì)，將力學(xué)實(shí)驗(yàn)采取“虛”“實(shí)”結(jié)合的方式進(jìn)行。這里需要強(qiáng)調(diào)的是，實(shí)物實(shí)驗(yàn)具有虛擬實(shí)驗(yàn)不可替代的地位，因此，需要將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)綜合進(jìn)行。建成后的力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可進(jìn)行拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、彎扭組合、小梁彎曲、壓桿穩(wěn)定等多種實(shí)驗(yàn)。

4.實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放。在學(xué)期初，由實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心統(tǒng)一管理并發(fā)布本學(xué)期的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放情況，對(duì)于各類開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)由導(dǎo)師和學(xué)生共同進(jìn)行預(yù)約，經(jīng)過(guò)安全的儀器設(shè)備基本操作，以及實(shí)驗(yàn)規(guī)程培訓(xùn)后，即可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。以“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目”“互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽”等一系列競(jìng)賽項(xiàng)目為依托，形成以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的實(shí)踐教學(xué)模式，學(xué)生可以從自己的興趣出發(fā)申請(qǐng)相應(yīng)的比賽項(xiàng)目。與此同時(shí)，需要規(guī)范實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放的管理[3]。目前，我校已建立了較為完善的大型設(shè)備開(kāi)放共享管理平臺(tái)，通過(guò)該平臺(tái)，教師和學(xué)生可對(duì)相關(guān)儀器和設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)上預(yù)約，實(shí)驗(yàn)室管理員可以對(duì)儀器設(shè)備的開(kāi)放情況進(jìn)行管理。共享管理平臺(tái)的使用，不僅促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)室資源的共享，而且創(chuàng)立了良好的開(kāi)放性實(shí)踐教學(xué)運(yùn)行機(jī)制。

5.設(shè)備升級(jí)改造。利用中央及地方各種項(xiàng)目資助平臺(tái)，或者學(xué)校設(shè)備自研自制專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助，籌措必要的資金，對(duì)年久失修的設(shè)備進(jìn)行檢查、測(cè)試、維修和升級(jí)改造，盡量提高現(xiàn)有設(shè)備的完好率和使用率。我校改造后的新型教學(xué)用扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)NJNSG-144采用拉力傳感器替代彈簧測(cè)量裝置，加工聯(lián)接桿把拉力傳感器安裝在試驗(yàn)機(jī)力臂上，通過(guò)拉力傳感器測(cè)量力臂在該位置的拉力大小，根據(jù)力矩計(jì)算公式M=L*F即可求出扭轉(zhuǎn)力矩。扭轉(zhuǎn)角通過(guò)旋轉(zhuǎn)光電編碼器測(cè)量，在減速器齒輪輸出軸上安裝聯(lián)軸器連接編碼器，編碼器每旋轉(zhuǎn)1°時(shí)便產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，采集產(chǎn)生的脈沖信號(hào)即可計(jì)算出試件扭轉(zhuǎn)的角度。信號(hào)測(cè)量初步選用智能顯示儀，智能顯示儀要求兩通道以上，分別讀取模擬信號(hào)和脈沖信號(hào)。

四、結(jié)語(yǔ)

在創(chuàng)新教學(xué)思想指導(dǎo)下，探索和實(shí)踐力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方法。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容方面，提出將傳統(tǒng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)與工程背景相結(jié)合；培養(yǎng)模式方面，設(shè)計(jì)不固定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)方案以及考核方法的“三不固定”自主式學(xué)習(xí)方式；教學(xué)方式方面，建議實(shí)物實(shí)驗(yàn)應(yīng)與虛擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合；同時(shí)，提出實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放和老舊設(shè)備升級(jí)改造相關(guān)思路。通過(guò)以上教學(xué)改革內(nèi)容，不僅能夠有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和動(dòng)手能力，而且能夠使得實(shí)驗(yàn)室最大限度地發(fā)揮其功能，促進(jìn)全體師生的學(xué)習(xí)和科研工作，對(duì)其他相關(guān)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究具有一定的參考價(jià)值。

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