基于翻转课堂的材料力学实验教学方法探讨★

聂书严， 杨昌棋， 万 玲， 魏 榛， 刘 勇

（1.重庆大学航空航天学院， 重庆 400044； 2.中国兵器工业集团西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712000）

引言

材料力学是工科院校的专业基础课程，是架于专业课和基础课之间的桥梁，对于后续课程的学习起着重要的作用。同时，材料力学也可作为一门单独的学科解决工程实际问题[1]。材料力学实验是材料力学课程中不可或缺的部分，它为学生演示和论证材料力学理论的正确性，启发学生将理论与实际工程相结合，有助于加深对材料力学知识理解和构建材料力学知识体系。材料力学实验教学在工科专业的教学当中起着非常重要的作用。

“翻转课堂”是2000年Maureen J.Lage和Glenn J.Platt在论文中提出的[2]。它主要为一种将课堂时间和课下时间颠倒的一种新型教学模式。在这种新的教学模式下，教师提前准备课程资料，并录制视频，学生在上课前通过观看视频讲解，学习课程资料，了解和掌握课程内容，再在课堂上交流和完成作业。随着模式的逐步发展，越来越多的教师都投入到了翻转课程的教学模式中。刘锐[3]、吴晓娟[4]等均在实践教学中均取得了较好的教学效果。随着现代化信息时代的发展，互联网和计算机的普及都为翻转课堂式教学模式提供了越来越便利的条件。因此，高校结合翻转课堂的教学模式对实验教学改革，提升教学质量势在必行。

重庆大学航空航天学院力学实验教学中心承担了全校大部分理工科专业材料力学实验教学课程，课程每年的上课人次达8 000以上。而力学中心在教学方法上仍然采用讲授加现场实验的传统教学模式。这种方法在课堂教学上呈现出了诸多不足。因此，实验中心亟待需要结合翻转课程的教学模式，对实验教学进行改革探索，进一步提高材料力学实验教学水平，将更优质的教育应用于广大学生。

1 传统材料力学实验教学存在的问题

重庆大学材料力学实验课程主要开设材料的拉伸、材料压缩和扭转、电测法测純弯梁正应力、弯扭组合结构载荷测定等实验项目。实验中心每年教学任务量大，而只配备了几名实验指导教师。教师任务量繁重，每个班级的实验项目大体相同，教师必须重复教授相同课程内容。传统讲授加实验的教学模式也比较固化，教学方法陈旧，导致学生实验参与率、积极性均不高，实验教学存在诸多问题。

1）理论讲解占用大量教学时间，实验操作时间不足。若是传统的讲授加实验的材料力学实验教学模式，课程最开始要对学生讲授实验理论、原理、方法等实验知识，时间约为30～45 min。而且材料力学实验中引伸计的原理、电阻应变片原理、测试方法、应变片的组桥方式以及各个实验项目中平面应力分析、材料破坏形式、实验构架的结构剖析、各种设备原理和构造等内容的介绍均需要时间进行讲解。在短短两节课内完全不能使学生了解非常透彻。实践环节往往是现在学生的薄弱环节，动手测试的能力、理论知识与实际工程结合的能力相对较弱，急需加强。指导教师在日常的教学中也发现：理论教学占用了实验课堂的部分时间，在短时间内将相关知识灌输给学生并不能使学生很快消化理解知识，不能融会贯通、深入理解和掌握实验原理,只是机械式地重复教师教授步骤，完全没有对实验的分析和思考，达不到实验教学的目的。

2）以教师为主导，忽视了学生的主动性，学生积极性不高。教师只研究如何“教”，却从未研究学生如何“学”。课堂上完全以教师为主导，跟随教师的思路，完全忽视了学生的思考时间、接受能力[5]。这种方式下，学生完全没有主动性，被动接受教师传播的知识。“走马观花”式的实验课程完全没有达到培养学生创新能力、发散思维的效果。在这种模式的主导下，学生不活跃，也缺乏表达自我思维和想法的时间，对许多问题一知半解。一些接受能力差的同学看到实验设备不知道如何动手，而大部分同学也只是按部就班完成实验。对于有难度、有创新性的实验，大部分同学完全不知道如何下手，花费大量时间现场研究相关原理和方法。比如弯扭组合结构载荷测定实验，要求学生自己分析结构的应力状态分布、用应变仪组电桥，至少应用2种组桥方式测定未知载荷。面对这种有难度、需要有综合分析能力、扎实的理论知识的实验，大部分同学都无从下手，组电桥原理都不能完全理解，也不能独立完成应力状态分析，肯定无法完成实验。因此，部分同学觉得实验是一座无法逾越的大山，直接就失去了兴趣，或者在分组中处于观望状态，积极性不高。

3）教师机械式的重复课程讲授，不利于学生新知识的获取。课堂讲解实验理论是实验课程中必不可少的环节。实验中心每年任务繁重，教师大量时间花费在课前准备、实验设备维护、课程理论讲授上，无过多的时间对课程较新内容、实验工程实际问题、教学方法进行研究。而且每次重复的课程内容，使教师对课前备课的积极性不高，上课就是机械式的重复前面所讲的内容。这在一定程度上阻碍了学生从教师身上获取最新知识，了解实验技术发展情况，从而不利于学生创新能力的培养。这些都导致了传统实验教学效果的不理想、学生应付实验等等弊端。

2 结合实验中心情况，探讨材料力学实验教学改革方法

2.1 教学模式改革

1）教师提前录制视频、编写课件，学生课前学习理论，课堂进行实验。翻转课堂将传统的教师为主导的教学形式完全颠倒为以学生为主导的教学形式。在翻转课堂教学模式下，教师提前将实验课程相关讲解录制成视频，以供学生学习。视频的录制可以不用受时间限制，分为实验必修环节和拓展环节，内容不仅限于实验理论，可以包括实验设备原理、实验方法发展、实验方法的应用、工程实例举例和分析等。这种模式避免了教师机械式教学重复，提高了教师上课积极性，同时给学生操作、分析实验错误和误差留有足够的时间。视频采用教师负责制定期更新，督促教师备课，不断完善和补充视频内容。视频的更新和积累使实验教学内容更加丰富完善，拓宽学生知识面。学生学习视频并熟悉相应的实验知识后来到实验室进行实验操作。

2）建立课前学习考核制度，督促学生课前学习。受到“教师教授，学生学习”的教学模式的影响，学生被动接受知识基本已成习惯，主动学习效果很差。因此，翻转课堂的模式若要在材料力学实验教学中达到好的效果，必须建立适当的课前考核机制，督促学生课前学习。而随着互联网技术的发展，网上学习已经成为一种新型的学习方式。目前，学院已有教学网上平台：基础力学学习平台。基于平台，实验中心教师将录制的视频上传至平台，并对每个实验项目设置对应的考核试题。试题内容不仅包含学生实验安全规范、实验室管理规定以及基本的实验室准入规定，也包含本次课程实验项目的基本原理、实验方法、工程实例等知识。学生经过学习，并通过上述试题考核，便可以随堂进行试验。这样不仅使学生能够明白和系统地掌握实验相关的知识体系、实验室内的安全管理，而且能够大大提高学生实验操作的安全性，实验效果也更好。

3）课堂教学的变化。随着教学模式的改变，课堂教学内容也需要发生应有的变化。课堂上，教师不需要像传统理论一样花费几十分钟教授理论，只需花费十几分钟进行总结，便可放心让学生自己动手实验。这种模式下，教师可以对学生提出更高要求，比如实验方法的比较、实验结果的分析、实验误差的分析、实验结论启发、对实验精度要求更高、多提供几种实验方法进行试验。每一项要求均可促使学生不断思考，加深理解。

2.2 教学内容改革

1）结合现有实验条件和内容，完善新实验方案，增加创新性。翻转课程打破了传统的教学模式，较传统实验课堂模式更加节省课堂时间。利用这些时间，教师可以对原有试验进行改革，增加创新型实验内容。比如材料拉伸实验项目的模式比较统一、实验的可操作性不大，不利于学生的创新能力、发散思维的培养。而利用翻转课堂的教学模式便可以对实验加以改进，而且不需要担心课堂时间不足的情况。翻转课堂对耗时很较长、技术含量不高、需求专业设备不多、设备工具便宜便于携带的实验有着非常大的优势。而应变片的粘贴就属于此类实验项目。因此，材料拉伸实验便可结合应变片的粘贴技术（电测法）测定材料弹性模量。课前下发简单的工具包，学生利用课余时间即可完成应变片粘贴的练习和试件制作的工作。这将传统的一到两节课的内容完全放在了课下，大大丰富了实验项目的内容，使学生真正明白实验试件制作的不易和辛苦，还锻炼了学生的对手能力，使学生清楚整个试件实验的流程，明白实验操作与理论设计的区别，为今后科研实验提供便利。压缩和扭转实验项目本身时间比较紧张，而在翻转课堂的教学模式下，学生有充分的时间讨论和规划方案，剖析破坏原因，做实验更得心应手。电测法测量纯弯梁正应力实验也可以进行创新实验改进：实验中可以将试验机加载软件中的载荷隐藏，比较梁在不同高度的正应力的同时，利用这些正应力和梁的刚度E来计算实验载荷大小。这个实验方案不仅验证了梁在高度方向的变化，还需要学生对四点弯曲梁的正应力沿高度分布有足够的理解才能计算出试验机的加载力，充分考察了学生对理论的掌握程度。结合“翻转课程”新的实验教学模式，完善新的试验方案，能够增强实验的创新性，把实践教学提升到一个新高度，为培养创新人才打下坚实基础。

2）结合开放式实验室，尝试材料力学创新型实践教学。结合开放式实验室，基于翻转课的教学模式，可以尝试开发新的材料力学创新型实践教学项目。如应用比较广泛的实验测量技术：应变片测量弹性模量、泊松比、应变电测法测定压杆的临界载荷、偏心拉伸实验等。也可结合工程实例，开设趣味教学项目。比如：利用一张A4纸，制作一个试件，看谁的试件抗拉抗弯能力最强。哪种材料适合桥梁的哪些结构：实验提供5～6种材料，并有相应的压缩、拉伸、扭转试件，让学生剖析哪些材料该用在桥梁哪些部位，并说明理由。利用应变片、各种不同形状的弹簧钢块制作传感器，测量5 t的汽车，汽车可由试验机来代替。这些实验项目均可结合翻转课堂的教学模式，在课前，学生观看教师视频讲解，动手制作并初步完成作品，在课堂上现场测试评比，能够极大地调动学生实验的积极性，使其参与的意愿更加强烈，而且能够学习材料力学的知识。创新型实践教学不仅能够将学生课本所学到的知识应用于工程实例中，更能够加深学生对知识理解和应用，让学生能够发散思维。

3 结论

在迅猛发展的信息化时代，翻转课堂的材料力学实验教学模式能够使学生由单一从课堂获取固定知识转变为主动从互联网、图书馆等多种渠道获取、掌握更多知识体系，并能够使学生主动参与到实验试件的动手制作、实验测试中来，充分激发学生创新性思维。因此，翻转课堂的材料力学实验教学模式在实验教学方法、教学内容上均具有很大优势，为完善材料力学实验教学项目体系、提高材料力学实验教学质量、进行创新性实践教学训练提供了很好的理论依据。

参考文献

[1]尚彩霞.专科材料力学课程改革初探[J].华北水利水电大学学报（社会科学版），1998（1）：74-76.

[2]Maureen J.Lage,Glenn J.Platt,Michael Treglia.Inverting the Classroom:A Gateway to Creating an Inclusive Learning Environment[J].The Journal ofEconomic Education,2000，31（1）：30-43.

[3]刘锐，王海燕.基于微课的“翻转课堂”教学模式设计和实践[J].现代教育技术，2014，24（5）：26-32.

[4]吴晓娟，郑仕宏，吴伟.翻转课堂在“现代食品加工新技术”实验教学中的应用[J].农产品加工，2016（14）：73-75.

[5]蔡悦茹.浅谈新课改下的课堂教学和传统教学的优缺点[J].学周刊，2015（21）：13.

[6]张芹.翻转课堂教学模式在高校体育舞蹈课堂中的运用[J].牡丹江师范学院学报（自然科学版），2016（1）：76-77.

[7]雒真.翻转课堂优化“现代教育技术”实验教学的探究[J].江西青年职业学院学报，2013（44）：80-82.