材料力学实验的分层次教学改革

赵 辛

(辽宁工业大学 土木建筑工程学院,辽宁 锦州 121001)

0 引 言

实验教学在培养学生的综合实践能力和设计创新能力方面,有着不可或缺的作用。实验环节的锻炼,可以使学生加深对所学理论的理解,培养其实践操作能力,激发其对未知领域的探索兴趣[1]。随着国家对高校培养人才的实践应用能力和科学研究能力要求的不断提高,材料力学实验课作为工科基础实验的重要性不断增强。近期辽宁工业大学材料力学实验室在教学中对原有授课方式、实验内容、考核体系进行了改革,以适应高校人才培养的新要求[2],逐步形成了以验证性实验为基础,综合性、设计性实验为学生能力提升有益补充的分层次实验教学体系[3]。随着实验教学进程的不断深入,教师逐步提高实验难度,在实际教学中取得了较好的实验教学效果。

1 材料力学实验改革的意义

材料力学实验课与理论课是相互印证、互为支撑的关系。在整个教学活动中,理论课为实验课提供实验原理依据,而实验现象、实验结果能验证理论知识点的正确性,培养“学生实践出真知”的学习研究态度[4]。实验课是学生走出理论,走向实践的第一步,不仅培养了学生的实操能力,更能增加学生对所学专业的兴趣和专业自信心,为毕业后从事专业工作夯实基础。通过材料力学实验课的锻炼,加深了学生对于不同材料力学性能的认知水平,培养了实验操作能力和综合分析能力,更有助于其设计创新意识的形成。材料力学实验的分层次教学改革应实现以下目标:1)提升实验讲解部分的教学效果,增强学生的实验操作能力;2)培养学生综合运用所学理论解决复杂问题的能力,使学生对不同的知识点做到融会贯通;3)根据不同专业的学生特点,提出设计方向,指导学生完成设计性实验;4)形成由验证性实验、综合性试验、设计性实验等不同类型实验组成的分层次材料力学实验教学体系[5]。

2 材料力学实验存在的问题

以往的材料力学实验教学中存在着重理论、轻操作,重验证、缺综合思考,重模仿,缺创新设计等问题[6],具体如下:

1)授课方式不利于学生对实验内容的学习。在实验中,学生只是在设备前围着教师,听其讲授实验原理和设备操作方法。这样的授课方式只有前排的部分学生能够听清看懂,后边学生的学习效果很差,往往只能自学实验指导书上的内容,不敢操作实验设备[7]。整个实验过程多数学生还处于懵懵懂懂的状态中,教学效果很不好。

2)实验类型单一。实验类型多以验证性为主,只进行拉伸与压缩实验、弯曲实验、扭转实验。这种单一验证性实验不能将多种理论知识点有机地串联起来,不利于学生对所学内容的融会贯通,限制了解决综合问题能力的培养。在实验中学生完全处于被动的接收状态,阻碍了实验探索思维的形成,不利于培养学生的实验兴趣和实践创新能力。

3)实验内容缺乏专业特点。各个专业学生的实验内容相同,与行业特点结合不紧密,使学生在实验过程中缺乏兴趣。

4)实验室利用率低。实验时间以班级为单位,过于死板,多数时间里实验设备闲置[8]。

5)考核方式制约了学生创造力的培养。现有的考核方式只涵盖学生的出勤情况和实验报告分数,且各个实验项目成绩占总成绩的比重相同。这样的考核方式缺乏对实验操作能力的评定,也阻碍了学生综合实验能力和创新设计能力的培养。

3 材料力学实验教学方式改革

针对“围着设备讲实验原理”的授课方式和教学效果不理想的问题,实验室采取多媒体教学,对原有的授课方式进行改进[9]。实验课时,教师利用投影仪播放PPT现场讲解实验知识,讲授实验设备相关知识时,通过播放录制的实验设备操作讲解视频,使所有参与实验的同学都能听清、看懂老师讲授的内容,显著提高了实验效率和实验教学效果[10-11]。

4 材料力学实验教学内容改革

辽宁工业大学原有的材料力学实验课多为验证性实验。具体实验项目为拉伸与压缩、弯曲、扭转3个验证性实验。这类实验只是为了验证理论课的单一知识点,要求学生学懂实验目的、原理、步骤,掌握设备的操作方法。通过实验测得数据,计算得出实验结果,并把此结果与理论课的经典结论相比较,来验证理论课单一知识点的正确性,加深学生对材料力学性能特定知识点的认识,加强对相关理论的理解[12]。

高等教育要紧跟社会各行业的发展,原有的材料力学实验内容已不符合培养应用创新型人才的社会发展需要。实验室根据高校培养高素质本科人才的新要求,对原有的材料力学实验教学内容进行了由易到难的分层次教学改革,即在丰富已有验证性实验的基础上,根据各专业特色新增了综合性、设计性实验项目,以此增强学生运用多领域知识解决综合问题的能力,培养学生设计创新性的实验思维[13]。具体的改革实施内容如下。

4.1 丰富原有的验证性实验的实验内容

例如原有的拉伸实验,只是对低碳钢(图1)和铸铁2种金属材料进行受拉状态下的力学性能研究,改革后的拉伸实验,增设了金属和非金属(陶瓷和低碳钢)焊接面的强度研究实验(图2)。从单一性状的金属力学性能研究扩展到了金属和非金属不同性状结合面的力学性能研究,丰富了实验内容,开阔了学生视野。

图1 低碳钢拉伸实验Fig.1 Tensile test of low carbon steel

图2 陶瓷焊缝拉伸实验Fig.2 Tensile test of ceramic weld

4.2 增设综合性实验

为培养学生解决多领域复合问题的能力,使其对不同的知识点做到融会贯通,增设了综合性实验。例如把原有的弯曲、扭转2个独立的验证性实验合并为一个弯扭组合变形实验,进而研究构件在弯曲变形和扭转变形同时发生时,即在二向应力状态下的综合力学性能。通过设立综合性实验,显著提高了学生利用所学的多个知识点解决复杂性、综合性力学问题的能力。

4.3 结合专业特点增加设计性实验

本着开放性实验的态度,各专业学生基于材料力学实验室的实验条件,在所学专业领域内自主选题,通过论证依据、制定实施方案、实验成本分析等进行实验可行性论述来向实验教师申请实验项目,经教师认可后方可进行正式实验。在实验的各个节点定期向教师汇报实验进展情况,教师也要在实验中为学生提供足够的实验引导,以保证学生的正常实验进度,实验完成后要提交实验报告[14]。例如根据土木专业的专业特点,学生自主选题完成了钢筋混凝土的弹性模量测算实验(图3和图4)。通过开展设计性实验,加深了学生对所学专业领域的了解,培养了学生独立解决专业问题的能力,在实验中逐渐形成了合作意识,为将来工作夯实了专业基础。

图3 钢筋混凝土弹性膜量测算实验Fig.3 Experiments on measuring and calculating elastic modulus of reinforced concrete

图4 钢筋混凝土弹性膜量分级保载图Fig.4 Graded loading diagram of reinforced concrete elastic modulus

5 考核方式改革

为了解决实验考核方式中重报告、轻操作,重验证、轻综合创新的问题,本实验室对材料力学实验的考核方式进行了改革。新的考核方式注重实验操作和实验预习环节的考评,以鼓励学生掌握实验原理、积极动手参与实验操作;通过加大综合性、设计性实验成绩在实验总成绩中所占比重,使学生在思想上重视综合实验能力的培养和创新设计能力的开发。每一个实验项目的总成绩分为3部分,分别是预习成绩、操作成绩、报告成绩,其中预习成绩20分、操作成绩40分、报告成绩40分,合计满分为100分[15]。实验总成绩也为百分制,其中验证性实验成绩占比为总成绩的20%,综合性实验成绩占比为总成绩的40%,设计性实验成绩占比为总成绩的40%(表1)。

表1 土木专业材料力学实验成绩分布表Table 1 Distribution of material mechanics experiment scores of civil engineering

6 材料力学实验分层次教学改革成果分析

辽宁工业大学材料力学实验室对2018级16个班级的学生进行分层次材料力学实验教学,学生总成绩及格率为98%。其中验证性实验成绩平均分为88.5分,综合性实验成绩平均分为81.6分,设计性实验成绩平均分为77.5分。实验成绩显示多数同学可以通过教师指导完成综合性、设计性实验,但验证性实验成绩还是优于综合性和设计性实验成绩。在后续实验教学中还需加大教师对综合性、设计性实验的引导力度,改善教学效果。对学生的问卷调查结果显示,94%的学生肯定了开设综合性、设计性实验的必要性;95%的学生认为应加大教师的引导力度;99%的学生认为综合性实验能够加深理论知识的融会贯通;98%的学生认为设计性实验能够加深其对专业领域知识的了解并培养其创新设计思维;75%的学生认为实验室应加大对综合性、设计性实验全过程的指导力度;67%的学生认为有必要增加实验设备投入,以支撑在更多方向上进行设计性实验。根据学生反馈情况,实验室已向学校提出设备采购申请,通过加大设备投入和教师指导力度,期望在后续的材料力学分层次实验教学中取得更好的教学成果。

7 结 语

对原有材料力学实验进行分层次教学改革,使学生通过验证性实验夯实了理论基础、培养了初级实验能力;通过综合性实验把理论课的不同知识点融汇贯通,培养了解决综合性问题的实验能力;通过增设具有专业特点的设计性实验,加深了学生对所学专业领域的了解,培养了创新实践能力和设计思维[16]。建设多层次材料力学实验体系更加符合社会发展对高校培养高素质创新人才的新需求,在夯实基础知识的前提下,增强了学生解决综合问题的能力,培养了学生的创新设计思维。