启发式教学在材料力学实验教学中的运用

2014-03-20黄志来

安徽工业大学学报（社会科学版） 2014年2期

许玲，黄志来

（安徽工业大学机械工程学院安徽马鞍山243002）

一、材料力学实验教学现状

在理工科院校，材料力学是一门非常重要的主干课程，也是一门专业基础课程。而材料力学的实验环节，是引导学生走出纯理论的学习模式，转变成为通过实验方法来探索材料力学问题的学习模式。对于工科学生而言，这一学习模式的转变非常重要，事关能否培养和提高学生的工程实践能力，如：观察自然现象、解决问题、总结归纳等能力。

在材料力学实验教学环节方面，已有许多高校开展了各式各样的教学改革，以其达到提高学生基本素质的目的。[1－5]但国内总体的教学氛围是重理论轻实验，甚至在许多实验教学人员本身都认为自己的工作是从属于理论教学。材料力学实验教学大多是按照多年固定的教学模式，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。同时，许多学生对材料力学实验本身就不重视，认为仅仅是为了获得实验数据，并写一个大同小异的试验报告而已。这主客观两方面的情况，使实验教学很难达到真正培养学生动手能力的教学效果。在一般高等院校中，这类问题更加突出。[6]

二、启发式教学

“启发”一词在中文中，源自孔子的“不愤不启，不悱不发”，这句话就包含有启发式教学思想。对教师而言，就是通过教学这一外因作用，调动学生的学习积极性这一内因。针对传统的灌输式教学的不足，启发式教学在高等学校提倡已有多年了，也被许多学者证实行之有效。[7－8]

针对材料力学实验教学的现状，在当前的教学体制下，在这里运用启发式教学方法，力图使学生在实验教学过程中，感受到实验研究的乐趣，并从中领悟到寻找科学问题答案的基本思维方法，引导学生注重归纳总结问题，运用综合思维和发散思维进行思考，通过求同思维和求异思维去寻找答案。

三、实验课程的实施

在材料力学实验教学过程中，我们始终以 “授之以渔”为宗旨，让学生深入参与教学，充分发挥他们的能动性。核心思想就是，开拓学生思维角度，引导学生科学地独立思考。针对学生遇到的问题，采取“问而不答，答而不断”的原则。[6]“问而不答”是指提出问题但并不给出标准答案，启示他们：“科学界不是每个问题都是有答案，也许答案有好几个，有的到目前止也没有找到”；“答而不断”是指有学生给出了参考答案，但教师并不去直接判断最后的正确如否，让学生自己去判断，培养他们的判断力。下面以常温下材料拉压破坏实验为例，说明如何实施启发式教学。

（一）实验预习

关于实验预习，国内已经有很多重点高校实行在线模拟实验，预习实验步骤和内容，这种方法直观又简单，这对学生迅速熟悉实验操作效果非常显著。但这也容易误导学生机械式的学习实验流程，容易使实验教学变得像流水线似的。我们还是主张以阅读实验指导书的方式进行预习，因为毕竟我们主要的知识来源还是阅读书本，通过阅读掌握新知识的能力是很重要的。实验预习过程，要学生提交一个预习报告，引导学生将新知识进行归纳总结。预习报告形式不限，通常给一个开放性的建议，让学生根据自己的理解，整理一个实验流程图，并标示出自己认为的关键性步骤点。学生要写好预习报告，就得详细了解实验内容。这也有助于学生自主安排实验，并把握实验的关键环节。

（二）实验过程

动手做实验的环节是最难的，学生容易出错的地方会有很多，但这也是培养综合能力的好机会。首先，是进行实验分组，以4～5人一组，每小组定一名组长，由组长负责组织，教师以提供必要的技术支持和负责实验安全为主。这个过程能锻炼学生的协作能力和交流能力。毕竟在现代社会，这种协作能力非常需要的。关于实验的步骤和操作，经过小组讨论后，组长向教师作出说明，教师这时进行适当的专业指导，纠正一些原则性的错误，并提示出一些关键性环节。接下来小组成员分工后，就可以开展实验了。

当学生出现操作问题时，不要责备，这时进行反问，学生能印象更加深加，有利于引导他们积极去思考，养成反思总结的好习惯。实验刚开始，他们将要用游标卡尺对实验材料进行尺寸测量，这时比较容易错的地方是不注意游标卡尺有原始误差。对于材料拉压破坏实验，需要操作万能材料实验机，这是学生第一次操作这类大型设备，对他们而言是个考验。所以在这个环节的一些关键性点，给学生设问一些问题，以引导整个实验过程。比如：为什么要消除机器自重，不消除自重对实验的数据是否有影响？为什么要缓慢加载，加载速率对实验曲线有什么影响？为什么压缩实验结束时需要立即缷压，打开回油阀缷压是否能以关紧进油阀停止加载？测量延伸率时，当断口偏离中间为什么要用断口移中法？

在实验过程中，尽量去调动学生的学习热情，以达到教与学的动态平衡。对学生针对实验的独立构思，想做新的尝试，尽量给以支持。

（三）实验报告

实验报告要求“完整、简练、准确”；但提倡表述形式和内容可以多样化。思路要清晰，明了即可以。可以让学生去思考，用图和表来表述实验结果优点在什么方面？让学生明白，工程问题的处理思路就是把复杂的问题简单化，不拖泥带水，怎么表述更加清晰，就怎么表述。

报告内容要求学生不仅包括实验的数据，还可以写实验中遇到的问题，解决的过程，自己收获了些什么，以及自己在实验过程中犯的错误，理论与实践的相同点和不同点，都可以写进来。为了开拓学生的思维，以加深对理论知识理解，针对一些实验现象，提出一些问题，让学生去思考原因。

试验中观察到，不同材料的试样断裂后断口形状不同，铝合金断口是45°斜面，低碳钢断口呈杯口状，而铸铁断口平整。让学生带着下面的问题去思考：

（1）低碳钢断口处中间平整，其与铸铁的断口相似，两者是否都为脆性断裂？

（2）假如第（1）问是，那么韧性材料发生脆性断裂是怎么回事？

（3）低碳钢的断口边缘呈45°，与铝合金的断面斜度一致，为什么这两者的断口形式相差这么大，导致铝合金发生45°斜面断裂的原因是什么？

寻找这些问题的过程，学生就会明白铝合金与低碳钢的变形机制完全不同，前者是螺旋滑移机制，而螺旋状的升角对应于断口的斜度。学会运用应力状态分析理论去理解，当材料紧缩时，急速的塑性变形，导致紧缩部位从单向拉伸应力状态变成了三向拉伸应力状态。一般情况下，在任课教师的引导下，学生开始理解随着应力状态的改变，材料发生由韧性到脆性的转变。

在实验过程中，有些学生会发现，没能观察到低碳钢屈服时，滑移线出现，他们会去查实并写关于滑移线出现的先决条件。甚至有些学生对低碳钢屈服段的波动原因很有兴致。而铝（铜）没有明显的屈服现象，这也同样能激起学生的求知欲望。

实践过程中发现，学生实验报告曾经千篇一律的现象，有了很大的改善。