工程力学实验教学改革研究

2014-02-06杨洪武杨汉文汤正良

中国现代教育装备 2014年9期

杨洪武杨汉文汤正良匡建

华中科技大学湖北武汉 430074

实验教学是工程力学课程教学中的一个重要环节，传统的教学方法主要是教师先示范，然后学生按操作规程进行实验，获取实验数据后撰写实验报告，学生的主观能动性得不到发挥，不利于动手能力和探索精神的培养。虽然许多高校改革了工程力学实验教学模式[1,2]，采用启发式、引导式教学，但是随着时代的发展，这些方法也显示出一些不足之处：或教学模式有一定局限性，不是通用的教学模式，或教学手段较为陈旧，需要引入现代化教学方式，提高效率。针对工程力学教学中存在的不足之处，根据教学基本要求和培养目标，结合笔者的实践，从课程的教材编写、教学方法、教学手段、考核方式等方面进行了改革。

1 编写适合本校学生特色的实验指导书和实验报告手册

实验指导书是针对不同专业，不同院系的学生特点编写的，内容全面，非力学专业的六次实验只占其中的小部分，而且设计的实验内容有的与实验指导书不完全相符，部分学生在预习时往往会混淆，搞不清或搞错书上的实验内容，或者预习的内容和将要在实验室做的内容存在差异。因此有必要重新编写实验指导书，解决以上问题。

我们在新编写的实验报告手册中，根据实验内容，编写了六次实验的实验目的、实验原理、实验步骤、注意事项、处理内容以及需要回答的问题。学生在预习时目标明确而且不必抄写书上已有的内容，节约了时间，提高了效率，又明确了实验应该注意的问题，规范实验操作，避免损坏仪器，犯不必要的错误。设计实验后需要回答的基本问题能使大部分学生掌握实验基本原理和现象。这样，学生在完成实验报告以后，能够比较全面地处理实验数据，避免各种疏漏，同时也便于教师批改评分。

2 采用课堂授课与基础实验相结合的方式

启发式、引导式教学以学生为主体，强调教学的互动性，除了传授知识，更加重视学生能力培养和素质提高，有利于创新型人才的培养。在现代教学理念指导下，传统的单向灌输式教学方法已被摒弃，更多的教师采用启发式、引导式教学方法培养国家迫切需要的创新型人才。为在实验教学中更好地开展启发式、引导式教学，必须有师生互动的教学平台。在传统实验课上，由教师讲解并演示实验，由于时间短，难以实现师生互动。课堂教学是教师与学生集中交流互动最有效、最可行的方式，因此我们尝试开展一定学时的课堂教学，探讨适合课堂授课与基础实验相结合的启发式、引导式教学方式。鉴于不同院系、不同学科对实验要求不同、对非力学专业学生尝试采用4学时课堂授课与12学时基础实验相结合的方式，把预习和实验方案设计移到课堂教学中。目前，4个学时课堂教学内容为：实验原理和目的，实验设备的结构和功能，实验方案设计以及主要实验现象的解释。课堂教学能让学生做到心中有数，为实验操作做好充分准备，可以达到事半功倍的效果。课堂教学方式要基于引导、启发，要注重联系实际，激发学生的兴趣。例如在电测基础实验中，不但要给学生讲清楚应变片基本工作原理，而且还要告诉学生应变片的用途。拉伸实验中的引伸计，扭转实验中的小角度扭角仪都使用应变片做传感器。在弯扭组合实验中，我们可以通过变换桥路来启发学生设计不同的实验方案，分离测量弯曲正应变、扭转切应变、弯曲切应变。通过对比常见两种梁：薄壁圆筒和矩形梁，拓展分析两种状态下弯曲正应力、扭转切应力、弯曲切应力，使学生融汇学过的材料力学知识，加深对实验原理的认识，同时给学生提供独立思考和解决实际问题的机会，从而全面提升学生综合运用理论解决实际问题的能力。

在启发式、引导式教学中，教师由主讲者转变为引导者，学生由听讲者转变为积极主动参与者。教师应有针对性地按实验中的重点、难点设问、置疑，鼓励和引导学生通过积极思维得出结论。不仅要使学生学会验证课程的基本公式，掌握材料的基本性能，更重要的是通过实验研究过程的训练，掌握如何寻找所需要的知识，掌握如何综合应用这些知识解决问题。大学实验不是简单地到实验室动动手按照教师的演示模仿并获取实验数据，而是要重视整个实验过程，从预习到实验，再到撰写实验报告，每个阶段都要认真对待。预习过程，包括设计实验，是实验操作成败的关键因素。只有经过认真思考，发现问题，运用所学知识主动地去解决问题，才能培养独立解决问题的能力，才能在实验中独立操作，提高动手能力。实验报告的撰写可以让学生掌握处理实验数据的方法，而且经常需要学生应用相关的理论解释一些实验现象，只有认真思考并综合应用所学知识才能很好地完成。

3 多媒体在工程力学实验课堂教学中的实践

现代化的多媒体教学有很多优点，直观、生动、形象的画面给学生深刻印象，尤其是其信息量大的特点，可轻易把许多复杂的设备、操作展示出来，因此非常有利于开展实验演示教学。充分应用多媒体教学可以有效提高课堂效率，提升教学质量。过去10年，许多高校由于学生人数显著增多，实验设备、人员配备跟不上，实验室容纳学生人数有限，教师主要是板书授课，在实验台前给学生演示实验。学生挤在实验台前，由于人数众多，地方狭窄，无法仔细观摩教师讲解与示范，效果大打折扣。使用多媒体教学可以有效解决类似问题。随着时代发展，实验室大多配备了多媒体设备，普及多媒体教学已经没有障碍。

在课堂讲授中，不再罗列实验步骤、注意事项，而应着重讲授实验原理，对知识面较宽，理论知识较难较深的部分，要深入浅出，着重讲其实质、性质。由于公式、示意图较多，有限的课时内无法完成板书，用多媒体教学将具有很大优势，可以将板书无法完成的任务完美实现。例如：在理论力学综合实验中，既有三线摆微幅摆动测量均质圆盘转动惯量，又有悬臂梁振动固有频率测试内容。一个是单自由度周期振动，一个是连续体无限自由度周期振动。悬臂梁的主振型书中只给出结论和固有频率的计算公式，其原理并未给出。笔者用PPT课件简要讲述其假设、推导及其性质，使学生对梁的振动有深刻的认识。在用橡胶锤头敲击时，属于冲击激励。而冲击函数属于非周期函数，通过对冲击激励的傅里叶变换理论讲解，使学生懂得周期振动、非周期振动的区别与联系，从理论认识上得到提高。时域冲击实际上是给出了无限宽频率激励，只有激励频率接近梁的固有频率才会发生共振，从而深刻解释了实验操作原理。

在实验课讲授时，可以将多媒体与实验演示有机结合起来。有些高校教师录制实验演示过程，在学生实验操作前播放，这样虽然省去了教师重复讲解，但是类似于放电影的教学也易使学生抓不住重点，缺乏师生之间的互动。在笔者制作的多媒体课件中，图片主要涉及实验设备、实验操作软件等，制作时用高清晰数码相机拍摄，软件操作图片则采用拷屏方式，并辅之以文字说明。以低碳钢拉伸实验为例，操作步骤、注意事项以及软件操作的使用借助多媒体讲授，尤其是软件操作，在投影仪上放大讲解远比学生挤在计算机屏幕前观看效果好，而且我们将不同阶段的操作图制作出来，并合理地进行标注讲解，重点突出，层次分明，让学生容易记忆和理解。在操作难度较大的地方辅之以动画演示，动画要做到直观、生动，静态文字与动画要搭配合理，力图在有限时间内完成讲解，不宜过多占用学生的动手操作时间。而试样装夹、引伸计安装等则可以给学生演示，增加感性认识。传统的实验演示时，由于讲解的内容较多较快，尤其是实验操作和注意事项烦琐，学生往往容易遗忘和疏漏，用多媒体讲课则可以在讲授以后，把要强调和注意的内容在屏幕上展示出来。每个实验台前都配有计算机，在做拉压、扭转综合实验时，可以把多媒体课件置于计算机桌面，方便学生查阅。

4 改革实验成绩评定方式

实验成绩是对学生整个实验环节的综合评价，应反映出学生在实验过程中操作能力和解决问题的能力。目前有的高校对学生实验成绩的评定以实验报告成绩为依据，这样做的弊端很多，不能全面真实地反映学生的实验水平，因为有的学生不做预习，实验时不知如何操作，但是通过抄袭其他学生的实验报告同样可以得到很好的成绩。为此，有的高校在此基础上增加了实验态度和实验操作评定环节，但是由于学生人数众多，教师无法实时跟踪评定每个学生的实验操作，实施起来有较大难度，难以对每个学生做到客观、公正的评价。为了考查学生的真实掌握情况，我们对考核方式进行改革，增加试卷考查方式，考查学生对实验原理、实验现象的掌握以及实验报告的处理情况。改革后的实验成绩评定内容除了实验态度、实验操作和实验报告3部分以外，还增加了考试成绩评定方式。考试题目须与实验内容紧密结合，如在弯扭组合实验中，实验报告要求学生对所测数据与理论值进行误差分析。在考题中，我们模拟实验设计受横向力的薄壁环或矩形梁构成的悬臂梁，要求学生从理论上进行应力应变分析，并将实验数据与理论计算出的应力应变对比，做误差分析。这样不仅考查了学生完成实验、处理实验报告的质量，而且拓宽了学生思路，培养了独立解决问题的能力。在考题中，我们设计出各种实验现象，让学生分析判断。例如：画出铸铁扭转断裂断口，铸铁压缩破坏断口、两者曲线类似，容易混淆；或者解释铸铁扭转断口形貌及原因，这些都能很好地考查学生在实验中是否认真观察、仔细思考，能很好地评价学生的实际水平。