新工科视域下基于分层次实验的材料力学实验教学改革

章芳芳，朱红英，黄小峰 （武汉城市学院，湖北 武汉 430083）

当前新工科建设要求打破传统工科模式，强调“创新+综合”能力培养，注重高素质和实践能力培养。为顺应时代发展，土木工程专业人才培养方案应以培养学生“创新+综合”能力为基准，“强基础、强实践、重创新”，各门课程教学应践行新工科要求。任何学科的形成和发展，都离不开实验和实践。材料力学实验，既是材料力学理论形成和完善的基础，也是验证其理论正确性、测定材料性能和解决工程问题等的手段。材料力学作为专业基础课，在土木工程专业人才培养中有着重要地位，尤其材料力学实验是进一步实现新工科人才培养的关键环节。为有效培养学生的创新综合实践能力，深化工程意识，材料力学实验的教学改革至关重要。

1 材料力学实验教学现状

目前，我校城建学部材料力学教学现状如下。

1.1 实验教学理念不够与时俱进

材料力学课程总学时64，其中实验8学时，穿插理论于教学中。在教学安排时，普遍认为材料力学实验从属于材料力学课程，是为了理论课程学习后验证其中的基本原理或测试材料的基本力学性能，不作为一门单独课程设置。实验成绩也不单独考核，仅作为材料力学课程平时成绩，按一定比例计算。以上实验教学理念较落后，造成师生对材料力学实验不够重视，忽略了实验是提高学生工程技能的重要途径，是进一步实现新工科人才培养的关键环节。

1.2 实验内容和教学模式较单一

材料力学实验大纲中均为演示验证性实验，包括低碳钢和铸铁拉伸、压缩和扭转实验；弯曲正应力电测实验；弯扭组合主应力电测实验。实验类型单一、基本原理固定、操作步骤按部就班，脱离了建筑工程实际，不具备探索创新性。

在实验课堂之初，教师讲解具体实践步骤并进行现场演示，学生围观观看。课堂讲解和演示时间较长，使本身学时不多的实验课堂上能进行实验的学生组数更有限。填鸭式教学导致学生积极性不高，体现不出创新综合实践能力的培养过程。

鉴于上述现状，本文基于新工科背景下的“创新+综合”能力，根据本校材料力学实验教学开展现状，进行了分层次实验教学改革与实践。

2 基于分层次实验的材料力学实验教学改革

2.1 强化基本型实验夯实专业基础

基本型实验是材料力学的传统验证型实验，主要用于测定材料力学性能、验证理论课程中某些基本原理及分析杆件应力和应变等。基本型实验是分层次实验的基础，既可以加深学生对所学基本理论知识的理解，又可使学生熟悉实验仪器设备掌握基本操作方法，从而为后面的综合创新实验做准备。基本型实验教学流程如图1所示。

图1 基本型实验教学流程

2.1.1 基本型实验教学内容

基本型实验设置五项，在相应理论内容学完后安排，分别为低碳钢和铸铁拉伸、压缩、扭转实验、纯弯曲正应力和弯扭组合主应力电测实验。

2.1.2 基本型实验教学方法

为强化学生对验证性基本型试验的掌握，应在有限学时内采用多样化教学模式提高试验效率。采用线上线下混合式教学、翻转课堂等多样化方式，保证在实验中体现“全学员化”，课堂以学生为主体。为了保证“全员化”,提高动手实验效率，在有限课时内全体学生有机会动手操作，采用翻转课堂教学，以便学生在课堂上有更宽裕的实践时间。课前实验教师在学习通平台发布学习任务点，学生自学实验指导书和观看事先录制的微课，任务点完成情况作为平时成绩以便督促学生自主学习。课堂上实验教师ppt结合板书简短讲解原理和操作，留出更多时间学生操作、记录数据和指导学生，全程监管学生动手情况。数据处理和实验报告在课堂上完成，既可避免学生课后相互抄袭影响成绩评断的客观性，也可以鞭策学生课前认真预习且在课堂用心实验，提高团队协作能力。

2.1.3 基本型实验考核方式

基本型实验成绩考核时，学习通平台在线任务点预习占20%，动手操作占40%，报告成绩占40%。

2.2 引入综合型实验培养综合能力

为凸显新工科理念，在学生掌握了基本型实验原理和仪器操作的基础上，引入综合型材料力学实验选题，着力于培养学生的综合实验能力，培养学生发现问题探索问题的能力。

2.2.1 综合型实验教学内容

综合型实验是基本型实验的延伸，内容设置可多样化，尽量和建筑工程实例相结合，以适应不同学生需求，提高材料力学知识的掌握。材料力学综合型实验选题，可由教师收集整理提供给学生，也可由学生自主提出。选题保证内容与材料力学内容有关联，能够在已有的实验室环境下或自行设计出的小设备下实验。结合各种材料力学实验参考资料及实验室条件，综合型实验部分选题见表1所示。

综合型实验选题表[3-5] 表1

2.2.2 综合型实验教学方法

综合型实验旨在是锻炼学生方案设计和实验操作的综合能力，启发创新思维。该实验不占用专门的上课学时，采用开放实验室的方式在课后进行。部分实验推荐学生结合midas数值仿真软件对比实验数据，着力于培养学生的工程软件应用能力。

教师不在课堂专门讲解原理和步骤，主要起引导和指导作用。以学生为主体，学生设计研究为主，不再是观看直接提供的操作视频为前提。学生先自行分组，各组根据情况选择1-2个选题。教师提出实验目的，说明实验设备和工具，提供必要的材料或试件，进行必要的答疑和指导。学生在课余查阅资料弄清实验原理、设计实验方案、完成实验操作、记录实验数据、处理实验结果、结果分析、设计和完成实验报告或实验论文。

以同面积不同截面形状下静定梁抗弯承载力测定实验为例，介绍该实验教学方法。

梁板等受弯构件在工程实践中大量存在，因抗弯承载能力不足而产生破坏的建筑工程事故屡见不鲜。在综合型实验中，选题与工程实践相结合，教师提出以上实验背景，安排学生进行不同截面形状在面积相等情况下静定梁抗弯承载力的测定，设计试验方案、自主进行应变仪接线、数据处理和结果分析比较。学部实验室早八点至晚八点开放。

学生组通过思考和查阅资料，综合型实验方案设计如下：

①测定实验弯曲正应力σ

采用铝合金材质的简支梁，弹性模量E为72GPa，跨度L为600mm，对同面积的工字形(HW1001006/8)、圆形和矩形（高宽比3：2）截面进行加载实验，比较弯曲正应力，从而确定抗弯承载力排序。

以基本型实验中纯弯曲正应力实验原理和电阻应变仪为基础，在简支梁试件跨中逐级加载,在试件加载处按照单臂半桥接线法粘贴电阻应变片，初始载荷为0，每级增量载荷△P=100N，加载5次，测得每级加载下的应变值ε。根据公式σ=Eε，得到平均增量实验弯曲正应力σ。

②理论弯曲正应力σ

简支梁在跨中集中等增量荷载作用下，最大弯矩出现在跨中处，△M=△P×L/4可计算截面上下缘处的最大正应力作为理论弯曲应力值。理论弯曲应力值公式如下：

σ=△M/W

已知简支梁跨径，计算跨中处弯矩和不同截面下抗弯截面模量W，根据上式即可确定出理论弯曲正应力σ。

③Midas软件数值仿真计算弯曲正应力σ

以Midas数值仿真软件为辅助工具，建立三种截面形状下简支梁的加载模型，进行静力计算后得到数字仿真应力值σ。Midas仿真模型如图2所示。

图2 Midas数值仿真模型

④数据比较和分析

经过实验计算、理论计算和建模计算，得到同面积不同截面形状的弯曲正应力数值如表2所示。

简支梁弯曲实验应力、理论应力与Midas计算应力和相对误差 表2

分析表中数值，可见各截面弯曲实验应力、理论应力与Midas计算应力的最大相对误差在2%以内，数据有效。

⑤实验结论

综合型实验表明：该实验方案、实验装置、实验数据处理、Midas建模，均较合理。且根据该实验可知，同种外载条件下的简支梁，横截面形状不同时，W不同，抗弯承载能力有差异。工字形截面的W最大，抗弯能力最强；矩形截面其次；圆形截面的W最小，抗弯能力最弱。在进行受弯构件工程设计时，在同材料同外载同截面积的情况下，应选择合理截面形状，W较大者梁的抗弯承载力较高。

在简支梁抗弯承载力综合型实验过程中，学生不仅巩固了教材中弯曲正应力计算原理，对教材外的应变片单臂半桥接线、Midas数值仿真软件应用、工程设计合理措施等有了更深刻的理解，综合能力得到了质的提升。

2.2.3 综合型实验考核方式

综合实验最终成果以报告或论文形式提交。综合成绩的确定结合过程表现和报告（或论文）质量。教师在整个实验过程中进行必要的答疑指导，关注各组员的参与情况。该实验作为学生课后作业形式，计入学生平时成绩。

2.3 设置创新型实验培养创新思维

创新型实验为部分有个性化发展需求的学生提供了较好的实验平台，开放实验室，可促进学生通过实验、研究和分析，来解决实际问题，提高学生团队合作能力，培养探索创新思维。

创新型实验涉及结构制作和科研实践项目等。学生可充分利用开放实验室的设备，参与校内科技文化节中竹桥、竹房屋结构等制作；参与湖北省大学生结构设计竞赛中指定模型的制作；参与教师科研项目进行新材料性能的测定等。也鼓励学生自拟创新性实验选题，利用已有设备或自行设计专门小设备，进行研究，为参加校外挑战杯等比赛做准备。

3 结语

为践行新工科理念，培养学生“创新+综合”能力，对材料力学实验课程进行了教学改革与实践。笔者以2019级土木工程专业学生为对象，实验教学遵从渐进性原则，开展分层次实验教学后，学生反馈效果良好，理论基础更为扎实，综合创新能力有了较大提高，对本专业学习产生了更浓厚兴趣。构建新工科背景下基本型、综合型和创新型材料力学实验教学体系，实现实验教学深度循序渐进，使学生在掌握基本原理和操作技能的前提下，和组员协作努力并在老师指导下进行综合创新设计，对提高自身创新和实践能力，具备基本新工科人才素质，有促进作用，响应了新工科建设要求。