基于创新型人才培养的《工程力学》实验教学实践

吴 菁，刘 燕

(海军工程大学 理学院，武汉 430033)

基于创新型人才培养的《工程力学》实验教学实践

吴 菁，刘 燕

(海军工程大学 理学院，武汉 430033)

针对传统工程力学实验教学中存在的问题，结合实验教学实践，对该实验课程的教学模式和教学方法进行改革与创新的探索。同时，为了加强学生的实践能力和创新能力培养，构建了“理论_实验_实践”的实验教学内容和体系。

工程力学；实验；研究性教学；创新人才培养

《高等教育法》明确规定：“高等教育的任务是培养具有创新精神和实践能力的高级专门人才。”前教育部长周济也曾强调：“深化改革，提高质量，必须坚持以培养创新性人才为重点”[1_2]。提高学生的创新精神和创新能力是时代的要求，也是提高教学质量的重点和难点。《工程力学》实验教学是紧密联系实际，培养学生掌握科学方法和提高动手能力的有效平台，是培养学生创新意识和实践能力的重要环节。《工程力学》实验作为《工程力学》课程的重要组成部分，在培养学生认识工程现象和分析工程问题的能力方面有着不可替代的作用。它能全面提高学生综合素质，有助于其他后续课程的学习。

1 传统工程力学实验教学现状

《工程力学》兼具基础学科和应用学科的双重特点，《工程力学》实验课程必须重视理论联系实际。它对培养学生的工程素养，帮助学生建立工程概念起着重要的作用。但传统实验教学观念比较封闭和单一，力学实验仍是以验证性实验为主，实验教学的重心也是放在加深相关理论课知识点的理解上。其现状特点主要表现在：(1)在实验课程设置上，重理论轻实践。《工程力学》实验课程完全依附于理论课程，实验多为验证性实验，缺乏激发学生创造力的设计性和综合性课题实验;(2)在教材内容上，对实验内容、实验步骤描写过细，学生按部就班地按照实验指导书操作，写出实验报告就算完成了实验任务。虽然学生参与了实验课程，但却处于被动学习状态;(3)在实验教学上，教师过分强调对理论知识的复习和巩固，片面地重视实验操作技能的训练，学生只是单一模仿;(4)在实验教学效果上，学生极少进一步思考已学实验，实验课程没有充分调动学生学习兴趣，甚至阻碍了学生创新思维和创新能力的培养。

如何在现有实验室的空间和资源条件下，充分调动和激发学生学习的主动性和积极性，进一步提高学生实际动手的操作技能，从根本上变学生被动学习为主动求知，培养学生独立发现问题、分析问题和解决问题的能力，成为亟待解决的问题。在现代高等教育思想的引导下，我们尝试将创新性教育融入到《工程力学》实验课程的教学过程中，使学生的力学综合素质得到提高。

2 由教向学的教学模式转变是创新型人才培养的基础

深入挖掘新的生动形象的实验教学内容，融入日常生活中工程力学知识的运用以及工程力学所要解决的工程问题。使学生对课程有新鲜感，一定程度上产生工程责任感，激发学生的学习兴趣，调动他们的自觉性和主动性，使得学生变“要我学习”为“我要学习”。

1)通过列举一些司空见惯的生活现象，如用废弃的PVC管演示压杆失稳;用扭转粉笔观察断口样貌，来解释脆性材料扭转破坏原因等。我们身边处处都有力学问题，这些问题中均包含着一定的力学原理，并在《工程力学》实验中充分体现。

实例1：在进行金属材料拉伸实验课前，在课堂上首先拿出一袋常见小零食问学生，为什么这些食品包装袋的外边缘做成锯齿形或者有个小缺口呢？同时将哑铃状拉伸试件作为类比，提出试样的过渡区为何设计成圆弧状呢？以此加深学生对拉伸实验中试件外形设计应考虑应力集中问题的认识。

实例2：《三国演义》中，由于赤兔马被马忠设下的“绊马索”绊倒，使关羽为汉蜀事业忠义千古的故事。就这一故事问学生：马匹是否有可能冲断绊马索，逃出敌人设下的陷阱呢？紧接着再进行冲击实验的学习，学习衡量构件抗冲击能力的抗冲击韧度的测量方法。如此可将冲击问题形象化，将抗冲击韧度概念具体化。举这些实例的关键在于教师平时的积累。有了这些鲜活的实例，学生的兴趣自然会提高，求知欲望自然会更迫切。

2)结合重大工程事故，说明《工程力学》课程的实际意义及重要性，同时可培养学生严谨的科学态度，唤起学生的责任意识和质量意识。

事故1：1912年4月10日，“泰坦尼克号”这一当时世界上最大的超豪华客轮，在它的首航撞上冰山，造成了和平时期最大的航海事故。这一事故的原因是什么呢？究其原因是设计者没有考虑到温度对金属材料力学性能的影响。抛砖引玉地让学生明确温度对材料的力学性能的影响，理解试验环境对工程力学实验的影响，树立严谨的实验观念。

事故2：1907年加拿大548 m长的魁北克大桥倒塌，事故原因就是由于施工时两根压杆的失稳引起的。如何通过实验测得压杆的临界力呢？此时，学生迫切地希望有效快速地测量杆件的临界力。这不正是“我要学习”吗？通过这些惨痛的工程事故，学生会切实感受到他们不仅仅是在做实验，而是在从事着关乎工程安全的大事，进而明确进行《工程力学》实验的重大意义。

3 研究性教学方法是创新型人才培养的关键

研究性教学是注重培养人才创新精神和创造能力的一种全新的教学方式。它是知识传授与探索相结合，激发学生求知欲和创造性的教学方法。在这样的教学方法下，学生是知识加工消化的主体，教师只是建构知识体系的帮助者。学生面对问题必须结合所学知识，搜集信息、获取资料，融合在一起后主动思考，在教师的协助下解决问题。针对《工程力学》实验课探究性、自主性和开放性的特点，完全可以将研究型教学方法运用到《工程力学》实验课上，自觉地将创新教育寓于教学过程中[3_5]。

3.1 与时俱进，更新授课内容

根据学生所学专业等实际情况，教师应密切关注《工程力学》实验课程、《理论力学》课程、《材料力学》课程及相关专业课程的国内外学术研究动态，及时更新授课内容。教师应从学科的理论高度把握讲授课程的内容。深入浅出地结合《工程力学》实验课程讲解前沿知识的产生背景、研究方法和存在问题等，激发学生追求真理、崇尚科学、勇于探索的热情。笔者就曾在学生完成金属材料(铸铁和低碳钢)拉伸实验后，介绍新型智能材料——炭黑水泥基复合材料。目前国内外研究进展表明该材料具有力电效应，即该材料电阻变化与受力之间存在联系，且现象明显，但该材料力场与电场间有怎样的关系还未明确。

基于此，笔者指导学生利用现有的实验仪器(电子万能试验机)和所学的实验方法，测量该新材料(炭黑水泥基复合材料)的弹性模量、泊松比等力学性能，其实验成果将为后续研究力场_电场本构关系提供基本的材料性能参数。研究性教学不仅巩固了《工程力学》实验的基础知识，还让学生体验到学科前沿触手可及，增强了求知主动性。

3.2 依托网络，组织小课题研究

积极利用现代化网络教学手段，开展多种形式的课外交流学习。网络使得教师与学生之间，学生与学生之间没有了时间和空间的限制，大家可以在网络这个无限的平台上，共同探索和研究。目前，笔者已完成的基于校园网的“工程力学实验教学系统”就是这样一个平台。这一系统除了基础实验课程的在线安排实施外，专门为研究型教学开发了一个板块，该板块共包含讨论区、专题区和成果区(教学实施流程简图如图1所示)。(1)根据所学基本实验和当前最热门问题，大家可以在网络讨论区畅所欲言。(2)教师根据讨论区内容结合课程实际和自身科研方向，精选出具有代表性的话题放入专题区，成立小型课题组。管理员将各课题组指导教师信息、研究方法及内容放入专题区。学生根据兴趣自由分组，登录到系统专题区，成为专题区内某一课题中的一员。(3)各指导教师指导本组学生查阅相关文献资料，研讨问题，明确阶段性任务，制定实验方案，着手实验，最后给出自己的评价观点。各组指导教师期末将各组研究的结论在成果区展示。这些成果包括专利成果、学术论文、竞赛获奖甚至是学生的心得体会等。这样真正实现研究性教学，提高教学质量和教学效益。

图1 教学实施流程简图

笔者就测量炭黑水泥基复合材料电阻变化实验曾成立了一个专题兴趣组。课题小组由五名学生自发组成。教师将当前国内外研究进展在网上提供给学生，让组员每人拟定一种实验方案。对比分析几种实验方案的优劣后，选定一个最优方案着手实验。最后在师生配合下，学生自己动手得到了完美的力——电阻变化曲线，并最后将规律结论成文发表。这一实验是金属材料拉伸实验的延伸与推广，又是电测实验和力测实验的融合，更是学生创新能力激发与培养的尝试，可谓达到了多赢的效果。

4 “理论_实验_实践”的教学内容是创新型人才培养的核心

传统实验课实验内容单调，从实验仪器设备的准备到实验步骤的制定等各方面均是教师进行，缺乏学生的参与。而学生的创新思维和能力在实验课中特别是在实践环节内可以得到较大提升。为此可以将《工程力学》实验分为理论课辅助、基础实验和实践创新三个阶段。通过理论课辅助阶段提高学生动手能力，利用基础实验阶段实现学生综合应用能力的培养，通过社会实践、科研训练和实验竞赛使学生获得创新思维的训练和提升[6_7]。

1)理论课辅助阶段。伴随理论课的学习，开展以力学基本量的测量与实验仪器使用为核心内容的实验课。如金属材料拉伸、压缩、扭转实验和材料剪切弹性模量G测定等。其目的在于加深学生对理论概念的理解，了解如电子拉压试验机和电子扭转试验机等基本的实验仪器的使用方法，掌握基本的力学试验方法。

2)基础实验阶段。该阶段实验包括如光弹实验、电测实验(纯弯曲梁正应力测定)等实验，目的在于熟练掌握如静态电阻应变仪等仪器设备的使用。学生在课前预习的基础上，按实验指导书步骤，熟悉基本的分析问题和解决问题方法，完成实验内容。在该阶段，学生所学不再仅仅拘泥于课本或实验室的教学设备，为参与简单的实际工程测量(如管道应力测试等)奠定基础。

3)实践创新阶段。该阶段的教学内容包括组建各类课题组和参与力学实验竞赛。如学生根据兴趣参与小型课题组，将前两个阶段所学知识融入到实践中，探究和解决新问题。教师可在学生中选拔出理论知识扎实、动手能力强且有极大热情的学生参与每年的各类力学竞赛。

5 结束语

创新性教育应一点一滴地渗透到《工程力学》实验教学实践中。教师在传授不断更新的知识内容的同时，激发学生独立思考和创新意识，重视培养学生收集处理信息的能力、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力、语言文字表达能力以及团结协作和社会活动的能力。

[1]周济.实施“质量工程”贯彻“2号文件”全面提高高等教育质量[J].中国大学教学，2007(3)：4_8.

[2]吴树青.深化高等教育改革增强创新能力促进创新型人才培养[J].清华大学教育研究，2007(10)：1_7.

[3]范钦珊，陈件平.研究型大学需要研究型教学[J].中国大学教学，2009(11)：8_10.

[4]刘亮成，许秀英，刘健.研究型教学的探讨与尝试[J].实验室研究与探索，2011，30(10)：293_295.

[5]刘小兰.研究型教学对于创新人才培养的价值[J].黑龙江教育：高等教育与评估，2007(Z1)：101_102.

[6]陈锋，吴明晖，颜晖.影响应用型人才培养质量的关键环节讨论[J].中国大学教育，2011(5)：23_25.

[7]王颖.高校实践教学与创新人才培养探讨[J].新技术，2007(2)：72_74.

Teaching Practice of Engineering Mechanics EXperiment Based on the Cultivation of Innovation Talents

WU Jing，LIU Yan
(College of Arts and Science，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China)

This paper analyzes the existing problems in the traditional engineering mechanics experiment.Based on teaching practice，we explored the reform and innovation of experimental instruction from the perspective ofmodel and approaches.Meanwhile，a new experiment course content and the system，which is〝theory-experiment-practice〝，is constructed in order to cultivate the practical and innovative ability of students.

engineeringmechanics;experiment;research teaching;creative students training

G40_012；G642.42

A

10.3969/j.issn.1672_4550.2014.01.052

2012_07_11

吴 菁（1981_），女，硕士研究生，讲师，研究方向：复合材料及其结构。