材料力学实验教学改革与创新人才培养

2013-04-10刘雯雯杜云海刘冰雁

实验室研究与探索 2013年6期

刘雯雯，杜云海，王志，刘冰雁

(郑州大学力学与工程科学学院，河南郑州450001)

0 引言

目前是一个国际化的知识经济时代，社会对人才的需求也逐渐转化为对高素质、综合性人才的需求。因此，加强对学生创新能力的培养成为高等教育的主要任务。与理论教学相比，实验教学或许更有利于对学生创新能力的培养，实验室可以让学生从实践中发现问题、解决问题并将所学到的知识运用到实际当中去。高校要培养具有实践能力、创新能力和综合能力的应用型人才，以适应21世纪社会对人才的需求［1］。

1 实验教学现状

传统的力学实验教学重理论轻实验。实验教学多是以教师按照多年固定的模式向学生传授实验知识和方法，使学生对实验知识形成一种被动的接受，完全依赖于教师的讲解完成实验全过程。从而扼杀了学生的主动性、积极性和创造性，使学生不能自主学习，其创新精神和实践能力都不能得到充分的发挥，实验教学达不到培养学生动手能力的目的。

实验教学内容均以理论验证性实验为主的基础实验［2-4］。主要有金属材料的拉伸、压缩、扭转以及梁的弯曲正应力和弯扭主应力的验证性实验。内容单一，形式固定，工程实验背景不强，使学生无法与工程实际相联系，影响了学生的学习兴趣和热情［5］。

随着高校的扩招，大学生在校人数不断增多，以往的实验场地及设备数量远远不能满足现有学生人数的使用要求。从而形成了实验过程中个别人操作，多数学生观摩和记录的现象。这就导致了许多学生抄袭以及对实验敷衍的心理。另外，实验室仪器及实验设备标准老化，也已经不能满足新时代、新规范的使用要求。这一切都直接影响了实验的教学效果。

理论来源于实践，由于教师很少有机会到工地参加实践，难以对工程实际问题有全面的认识和了解，这样就无法更好地结合工程实际使实验内容更丰富起来，从而不能激发起学生对实验的兴趣和积极性。

对于实验的考核，成绩主要源于实验报告的内容批改。由于设备数量的限制，形成了多人一组，这样就出现了学生实验报告相互抄袭，直接导致了学生对实验教学不重视的态度。

很多学生实验课结束后，就认为是任务完成了，对实验数据的处理不够重视，经常抄袭其他同学的结果，也不对结果进行分析。其实，力学实验的数据处理和分析是很重要的一部分内容，这要求学生把繁琐的数据处理完，并和实际目标相比较，分析误差出在哪里，学会用逐差法、最小二乘法等数据处理方法来处理实验数据，分析实验中的不确定度，找到实验结果不理想的因素，以便改进实验。

2 实验教学改革

首先改革传统的教学模式。改变以往只注重知识的传授，以灌输为主的方式。新的教学方法，在教学过程中重视启发教学，只交代问题的背景、起因和解题思路，让学生自己开动脑筋，亲自动手进行实验，在实验中总结并在实验中发展。正确引导学生探求问题，确定学生在实验教学中的主体地位［6-10］。

材料力学与工程实际紧密联系在一起，所以我们可以借用多媒体实验教学让学生更生动、更全面直观的了解现场实际问题，加深学生对知识的了解和应用，调动学生的积极性。使学生真正认识实验教学的实用性和重要性［11-13］。

材料力学实验教学内容的改革，除保留原有的传统实验教学内容，把实验内容分为4个层面:

(1)基础实验。即金属材料的拉伸、压缩、扭转、剪切和冲击实验。此类实验让主要学生了解、认识仪器设备的各种性能，能独立操作完成实验整个过程，在实验过程中巩固深化理论知识。另外在实验教学中我们还可以结合工程实际，拓展丰富实验内容。例如，可以对现场实际工程材料的检测试验(诸如金属、非金属材料力学性能的检测)引入实验室。让学生亲自动手参加不同材料力学性能的检测，从中体会实验的必要性和重要性，调动起学生的学习兴趣和热情。

(2)综合性实验。即梁的纯弯曲实验以及弯扭组合梁的主应力测试。这是一种理论验证性的实验。此类实验可以强化学生对理论知识的理解和应用，并了解、掌握电测法实验的工作原理及各种组桥的方式和使用方法。可借助于多媒体试验教学，使实验内容结合工程实际，让学生更生动具体了解现场试验的测试方法和手段，加深学生对力学实验的正确认识。

(3)设计性实验。以现场工程实际情况为背景，模拟现场实际问题，让学生展开探索、开动脑筋。学生可以根据自己的学习兴趣和能力设计不同深度的实验，并亲自动手完成各种实验。例如可以根据实际的桁架桥，缩小比例，作出相应的桁架模型。学生可以根据现场实际情况，模拟、设计现场各种工况。先进行理论计算，再进行试验测试并采集数据，把理论数据和试验数据进行对比，发现并分析数据出现异同的原因，结合所学知识开动脑筋解决问题。学生在实验过程中可以锻炼发现问题和解决问题的能力。学习位移传感器、压力传感器、百分表及位移计的使用，掌握电阻应变片的粘贴技术和测试原理以及更多了解电桥电路在实际工程中的应用。

(4)创新性实验。基于全国大学生创新实验，由指导教师带领创新实验小组学生深入实验室，对感兴趣的材料，比如芦苇纤维、微注塑制品、设备零部件表面超硬涂层等的力学性能作出研究和初探。从实验方案的设计到实验材料的购买和加工，从实验夹头的CAD图纸绘制到实际实验中的加载、记录、分析、数据处理等等，都由学生们逐项亲自完成。这样一方面增加了学生的主动性和积极性，在实验进行过程中培养了学生们的创新能力，另一方面还培养了学生团队合作的能力。历时一年到两年之后，很多同学都发现自己学到了很多书本上学不到的知识，通过分析实验结果并在期刊上发表文章，也锻炼了同学们的科研水平，为今后的进一步读书深造打下了坚实的基础。

增加、更新设备，做到实验仪器自动化和现代化。增加实验组数，减少每组人数，尽量给学生创造亲自动手独立操作的机会。开放实验室，给学生充分的时间和空间［14-15］。

鼓励高水平的教师下实验室，并参与现场实践。形成教学和实验互相促进的形式，使教学、科研、实验及工程实践相互结合相互促进，提高教师的水平，从而提高教学质量。

改革实验报告内容和考核制度。实验报告是衡量学生对实验内容掌握情况的依据，它反应学生分析问题和解决问题的能力。报告内容应该是更侧重于对实验现象和数据的分析。评定实验成绩以两部分为主:一是根据每个学生在实验过程中独立完成的情况及实验报告中对实验现象和数据的分析情况评定成绩。二是对积极参加创新和设计性实验的同学进行加分。采用理论教学和实验教学的考核成绩相结合，其中实验成绩占材料力学总成绩的10%。从而促进学生对实验教学的重视程度。

3 结语

材料力学是土木工程、机械工程专业的基础，它起着承上启下的作用，为结构力学、钢筋混凝土结构以及结构设计原理的学习打下牢固的基础。材料力学与工程实际紧密的联系在一起，具有很强的实用性。实验教学是工科院校教学中的重要环节，它不仅仅是对理论教学知识的巩固和补充，也为拓宽学生知识面和激发学生创新、设计、实验搭建了一个服务平台。通过对实验教学的改革使我们认识到:只有搞好实验教学的每一个环节，才能为人才培养目标打下坚实的基础，才能培养出具有高素质实践能力、创新能力和综合能力的应用型人才。

［1］彭宜红，曹杰，朱永红，等.抓住实验教学各个环节，实现对学生知识、能力、素质的综合培养［J］.实验技术与管理，2003，20(2):108-111.

［2］张如三，王天明.材料力学［M］.北京:中国建筑工业出版社，2006.

［3］刘鸿文.材料力学［M］.4版.北京:高等教育出版社，2003.

［4］杜云海.材料力学(I)［M］.郑州:郑州大学出版社，2012.

［5］孙建国.关于材料力学实验教学改革的设想［J］.力学与实践，2004(3):88-89.

［6］刘萍华.材料力学实验教学的创新与探索［J］.科技情报开发与经济，2009，19(21):187-189.

［7］万鸣.按专业类设置材料力学实验的教学改革实践［J］.科技创新导报，2009(2):137.

［8］冯英先，徐志洪，董雪花.材料力学实验教学改革实践与探讨［J］.力学与实践，2002，24:59-60.

［9］官邑，刘伟纲，袁苏洁.材料力学实验教学改革与实践［J］.实验技术与管理，2007，24(10):350-352.

［10］贾虎，钱文军.新形势下材料力学课程教学改革［J］.南阳师范学院学报，2006，5(12):108-110.

［11］马建.实验室创新能力培养的研究与探索［M］.西安:陕西人民出版社，2005.

［12］吴明亮，汤楚宙，谢方平，等.材料力学实验教学改革初探［J］.中国现代教育装备，2007(12):70-71.