模型加载实验在《材料力学》中的应用

孟祥勃丁智沈旭栋

（浙江大学城市学院土木工程系，浙江 杭州 310015）

模型加载实验在《材料力学》中的应用

孟祥勃丁智沈旭栋

（浙江大学城市学院土木工程系，浙江 杭州 310015）

借鉴国际上先进的CDIO工程教育理念，在《材料力学》这门土木工程必修课的教学中，通过让学生自由分组手工制作一个教师指定的力学模型，并在课堂上进行加载实验，可以有效地提高学生对《材料力学》课程知识点的深入理解和感性认识，有利于对学生探索精神、科学思维、实践能力、创新能力的培养。

模型实验；土木工程；材料力学；教学创新

CDIO是国际上一种先进的工程教育理念，改变了理论教学的传统模式，构建以实践为主导的、理论教学与实验教学有机结合的、知识和能力培养一体化的课程教学新体系。借鉴这样一个CDIO理念，在《材料力学》这门土木工程必修课的教学中，通过让学生自由分组手工制作教师指定的桥梁模型，并在课堂上进行加载实验直至破坏，通过模型质量、最大加载质量、挠度等因素综合评定该模型的好坏。模型实验是一种与力学教学十分契合的教学方式，可以有效地提高学生对《材料力学》课程知识点的深入理解和感性认识。

一、材料力学课程存在问题

1、教学模式太过传统，学生积极性不高，参与度不够。

2、整个教学更多地偏向理论化教学，不能给予学生足够的感性认识，不能培养学生一定的实践能力。

3、学生缺乏对一个具体事例的分析能力，这也是这门课程的理论教学不能赋予的。

二、模型实验在材料力学中的应用

其实，模型实验的应用一定程度上与CDIO理念是契合的。教育界对于CDIO理念的认知，即构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），是培养高等工程师的一种十分优秀的教育理念。而模型实验正是这一理念的一种具象表现。具体安排如下：

项目总框架：我们在材料力学的教学过程中植入模型实验这样一个板块，学生按照教师制定的规则和指定的材料手工制作一个力学模型，例如简支梁。在制作过程中，学生们必须在对所学的理论知识有充分的理解和认识的基础上，结合自身的实践能力来完成。

具体实施方法：教师通过理论授课的形式，将材料力学的一些基本知识在课堂上传授给学生们，使学生们对本课程的理论知识具有一定的了解，达到初步掌握的程度。在这样的基础上，我们把模型实验这个板块展开，学生们自由分组，每组3到4人，按照课题要求手工制作模型。除此之外，学生们还应准备一些图片、文字资料，来讲述一下制作过程和成品展示，这一部分内容将在PPT中呈现。

时间安排：该项目通常是在一学期的最后四周展开。从教师给出指定模型和材料后就可以着手准备了。每周除了4个课时的授课外，学生们必须在课外时间里完成模型制作等一系列任务。在最后一周进行加载。

改变评分标准：为了更加体现现代化的要求，我们给PPT展示环节设计了更多的分数。如果学生们可以在PPT展示中加入适量的图片、文字说明和精彩的视频，将制作过程和制作思路清楚地表达出来，这会让评审教师酌情加分。

三、成果与展示

成果展示分成两个内容同时进行。一个是将模型加载直至破坏来测出模型的最大承载力。另一个则是通过PPT展示模型的设计方案，模型的制作方法以及学生们在制作、设计中遇到了什么样的问题，是如何解决的。

下面是一组学生的整个制作过程及成果展示。这一次教师指定的是简支桥梁模型，在中间施加均布荷载。在平时的教学授课中，学生遇到的问题都是清楚的写在书上的问题，已经做了支座、荷载、结构等的简化，而在模型实验这个情境下，学生必须自己分析实例，将实际模型进行力学简化和分析。虽然这并不难，但却可以让学生感受到一种从实际到书面的感觉。这种做法的优点是可以让学生提前理解土木工程那种“从无到有”的感觉，让他们明白自己不像过去那样凭靠感觉去制作，而是经过缜密计算后才制作的。成果展示这样的一个环节主要考验的是学生的表达能力，通过观察学生对于模型的设计、计算、处理等方面来衡量学生是否达到了所设定的学习目标，是否真正掌握了知识的重点、难点。

图1手工模型制作

四、结语

模型实验在材料力学的教学中的应用总体来说还是十分有效的一种创新。首先，它在形式上是一种创新，寓教于乐，让学生在模型制作中理解重点、难点，更深层理解知识。其次，它拓展了学生的能力。模型实验不仅仅考验学生对于本门课程的掌握程度，同时也对学生在组织能力，实践能力，自主探索能力以及语言表达能力等方面有一定的要求。这样的设计也是基于CDIO理念的一种表现，强化了培养高级工程师的手段。最后，在这样的设定下学生的积极性被大大的调动了，将被动学习转变为主动学习，提高课堂的参与度。

[1]程光旭.努力实现人才培养模式改革的新突破[J].中国高等教育，2009，1：24-27.

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1005-5312（2014）17-0248-01