充分利用力学演示实验培养学员创新思维能力

2012-04-02陈卫华崔德立

大学物理实验 2012年6期

陈卫华，崔德立，王洋

（装甲兵技术学院，吉林长春 130117）

卢嘉锡院士指出：“当我们注意面向21世纪培养高等科技人才时，科技和社会发展要求我们培养的人才必须掌握现代科技的最新成就，必须具有较强的能力和宽厚的基础，这就要求教学内容和课程体系现代化”。力学演示实验属于工科本科教育中一门必修的基础课程中的重要环节，它的重要性在于工程力学对自然科学进步的推动作用。学员心中会产生这样的问题：学习工程力学为了什么？有必要费那么大的劲去学这门较难的课呢？教学实践中我们进行了多年探索如何使教学内容与时俱进。工程力学教育需要从多方面进行创新改革。其中“充分利用力学演示实验，提高学员动手能力，观察能力和创新思维能力”是其中一个重要方向[1－3]。

在工程力学教学中为了突出学员的主体地位，培养学员的创新思维能力，教员应对工程力学演示实验进行合理的创新设计，开发工程力学演示实验巧妙的构思和方法，以演示实验为载体，拓宽学员思路，挖掘演示实验内涵，结合现代化的教学手段，通过演示实验活动来培养学员的动手能力、观察能力和创新能力。

1 灵活把握演示实验的教学过程

教学的同时引入演示实验，并且教员随时提出问题，让学员自己动手实践，探索问题产生的机理，进而得出结论。这种方式有利于锻炼学员通过实际操作分析问题和解决问题的能力，进一步培养学员创新的能力，教员也要尽可能的将演示实验变成边教边实验的形式进行教学。

例如，在做《验证力的平行四边形定则》的实验中，教员可让几个学员为一组准备方木板、白纸、弹簧秤（两个）、橡皮条，细绳套（两条）、三角板，刻度尺、图钉（几个）。

让学员们自己亲手验证：一个力F′的作用效果与两个共点力和的共同作用效果都是把橡皮条拉伸到某点，所以F′为和的合力。作出F′的图示，再根据平行四边形定则作出和的合力F的图示，比较F′与F是否大小相等方向相同。学员们做实验的同时进行观察，增强了对知识的理解，还有教员有针对性的提出问题，激发学员学习的积极性和主动性，提高学员们动手、动口、动脑的习惯养成。一边教学一边进行演示实验，不仅仅让学员关注他们感兴趣的现象和事物，而要引导他们逐步深入、扩散思维，进而培养他们的观察能力、动手能力和创新能力。

2 与时俱进，使工程力学演示实验跟上科学发展的步伐

工程力学演示实验对培养学员的创新意识和提高学员的创新能力起着至关重要的作用。教材中的实验不能完全满足教学中培养学员创新能力的需要，在这种情况下，教员可以带领学员一起对演示实验进行改进和创新，对较好的想法或改进观点进行口头表扬或在平时成绩上给予加分。这样，不但加深了学员对知识的理解，而且可激发学员强烈的学习兴趣和动手的愿望，强化学员的探索意识和创新欲望。

例如，材料的拉伸实验是材料力学中最基本实验，通过拉伸实验可以测定出材料一些基本的力学性能参数，如弹性模量，强度，塑性等。但是学院并不具备做拉伸实验的器材万能试验机，因此这个实验只能讲解，不能实验，怎么解决这个问题呢？有想法的教员会将现代的教学方式与传统的教学方式相结合，充分利用多媒体资源，从网络上截取了大量有关万能试验机的一些图片以及动画，然后根据幻灯片对学员进行讲解，这样的做法并没有错误，并且效果还是不错的。但是换一种方法也许效果会更好：我们将万能试验机用多媒体演示之后，其实教员可以组织学员动手做一个近似的万能试验机，演示一下万能试验机的最基本工作原理。取两个弹簧秤，找两个框架，将两个弹簧秤与框架相固联，取来两个千斤顶，放在两个框架中间，这样一个简单的万能试验机模型就呈现在眼前，在直观性、趣味性还是美感上，比课堂上枯燥的讲解效果强得多，还有让学员自己动手设计实验设备，可以更好地培养学员的动手能力和创新能力。

3 使演示实验的层面加深、加宽

通常学员对事物的观察往往是表层的、片面的甚至有时是错误的。而力学知识的表现是多层次、多侧面的。我们的教材中提供的知识往往是单层次、单侧面的实验内容。对于培养学员创新能力，教员需要对实验进行适当的拓展和补充，尽可能地使学员从多层面、多方位去认识力学规律的全貌。

例如，为验证材料的强度不仅跟轴力大小有关还与材料的横截面积有关而做的粗细不同的两根杆件承受相同外力作用的轴向拉伸试验，很多教员只是通过两杆轴力相同，但随着拉力的增大，横截面小的杆件必然先被拉断的这个实验现象，就说明杆件的强度不仅与轴力的大小有关而且与横截面面积的大小有关，实验做完不去进行开发、挖掘，只让学员了解了一个“理所当然的事实”。如果对这个实验进行重新设计，学员先根据以前的经验进行思考“哪根杆件不容易被拉断”，让学员带着问题进行观察，目的是引起学员对这两根粗细不同的杆件受力的重点观察，然后分别演示两根粗细不同但是长度相同、粗杆长而细杆短、细杆短而粗杆长等情况下杆件变化的情形，启发学员对结果与条件关系的深层观察和全面思考，进而培养学员的创新能力。

4 合理设设计实验问题，开发学员创新能力

创新教学的构成要素是研究性、引导性、发现性、归纳性等有机的结合起来，在演示实验中创造性的应用现代的教学方法和教学手段，将多种教学方法和教学手段进行优化组合，为学员创新能力的培养必须创造环境和条件。因此在工程力学教学中除了演示实验和分小组实验之外，在车间进行试件制作等活动中，让学员进行参观，也可以举行创造活动，鼓励学员创新发明。例如，在扭转破坏演示实验中，我们分别做了低碳钢和铸铁的扭转破坏实验，对于铸铁的扭转破坏实验结果铸铁断口是与轴线成450的螺旋面，断面呈闪光的颗粒状组织与拉伸断口的组织相同。这充分表明断裂是由最大拉应力引起的。而最大拉应力先于最大剪应力达到强度极限后发生断裂又说明了铸铁的抗拉能力弱于其抗剪能力。这个实验给学员以深刻的印象，然而实验过后，不少学员提出：铸铁拉伸和扭转的破坏原因是否相同？为什么铸铁扭转断裂较拉伸断裂时有较明显的塑性变形？铸铁扭转试验时试验机转速不变，为什么开始时力盘指针转动很慢，以后却越来越快，据此能否想象出铸铁扭转曲线的形式。如果改变演示实验的一些做法，此时便可自然地引出一个实验设计时的问题情境，结束之后学员便会根据扭转断口说明两种材料的破坏原因，并对它们自身的抗断能力进行比较。依据这个想法开展实验教学，因为实验是学员亲自参与设计的，设计想法明确，学员会对实验所揭示的规律和实验的设计思想均留下了深刻认识。