提高工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量 培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力

劉紅彬，王建強(qiáng)，楊永明

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京100083)

《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和規(guī)劃綱要(2010—2020年)》(簡(jiǎn)稱綱要)的戰(zhàn)略目標(biāo)是:“到2020年，基本實(shí)現(xiàn)教育現(xiàn)代化，基本形成學(xué)習(xí)型社會(huì)，進(jìn)入人力資源強(qiáng)國(guó)行列”。構(gòu)建高教創(chuàng)新性人才培養(yǎng)模式，培養(yǎng)一批全面發(fā)展的高素質(zhì)專業(yè)人才和新人才是落實(shí)這一戰(zhàn)略目標(biāo)的重要舉措［1］。為貫徹落實(shí)《綱要》的要求，當(dāng)今高等教育的模式和內(nèi)容逐漸發(fā)生了變革，其中一個(gè)表現(xiàn)就是在強(qiáng)調(diào)理論基礎(chǔ)教育的同時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)越來(lái)越得到重視和加強(qiáng)。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐學(xué)習(xí)的重要形式之一，它將理論與實(shí)踐相結(jié)合，有助于培養(yǎng)學(xué)生樹立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，鍛煉從事科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本素質(zhì)，是訓(xùn)練技能和培養(yǎng)創(chuàng)新思維的重要手段。加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，對(duì)提高學(xué)生綜合分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)高素質(zhì)人才，提高高校的教學(xué)水平至關(guān)重要［2］。

工程力學(xué)是一門理論和實(shí)踐聯(lián)系緊密的課程，工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)是工程力學(xué)教學(xué)體系的重要組成部分，也是工科學(xué)生培養(yǎng)實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)［3，4］。它既是工程力學(xué)課程的延伸，又有助于鞏固和加深對(duì)基本概念和理論的理解。

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)中學(xué)(以下簡(jiǎn)稱實(shí)驗(yàn)中心)承擔(dān)了學(xué)校半數(shù)以上本科同學(xué)的工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，根據(jù)專業(yè)的不同，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在學(xué)時(shí)數(shù)上有一定區(qū)別，但通過(guò)采取一定措施，實(shí)驗(yàn)中心教師最大程度上幫助學(xué)生了解和掌握相關(guān)測(cè)試方法，鍛煉他們的觀察能力、動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)，不斷提高教學(xué)效果。為此，實(shí)驗(yàn)中心教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中注重做好以下幾方面的工作。

一、抓好課前講解和課后總結(jié)環(huán)節(jié)

工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐性強(qiáng)，學(xué)生之前很少接觸此類內(nèi)容，對(duì)試驗(yàn)樣品、試驗(yàn)機(jī)、應(yīng)變儀、應(yīng)變片等測(cè)試設(shè)備和材料的概念較少，日常生活也很難接觸到。盡管課前教師都會(huì)要求同學(xué)進(jìn)行預(yù)習(xí)，但真正能安排時(shí)間預(yù)習(xí)的學(xué)生并不是很多。為了保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，實(shí)驗(yàn)開始前，教師會(huì)仔細(xì)講解本次試驗(yàn)的內(nèi)容，包括實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)中的注意事項(xiàng)等，和同學(xué)們一起把整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程串起來(lái)，在講解中，注重強(qiáng)調(diào)相關(guān)測(cè)試規(guī)范及實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)，這樣，既復(fù)習(xí)鞏固了已學(xué)的理論知識(shí)，又幫助學(xué)生了解和把握了此次實(shí)驗(yàn)課的重點(diǎn)，為保證實(shí)驗(yàn)效果打下良好基礎(chǔ)。

如金屬材料的拉伸和壓縮實(shí)驗(yàn)，教師通過(guò)金屬材料變形破壞的階段、抗拉和抗壓強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、斷面收縮率等概念，幫助學(xué)生復(fù)習(xí)所需的理論知識(shí)。介紹金屬材料及其分類時(shí)，講解金屬材料的脆性和塑性的定義，以及日常接觸到哪些金屬材料是脆性、哪些是塑性等基本概念，進(jìn)一步拓展學(xué)生的知識(shí)面。對(duì)實(shí)驗(yàn)所用的脆性和塑性材料(低碳鋼和鑄鐵)，可以通過(guò)材料的外觀和碰撞后的聲響等簡(jiǎn)要方法進(jìn)行鑒別，增強(qiáng)學(xué)生的觀察和辨別能力。同時(shí)提出問(wèn)題請(qǐng)學(xué)生思考，例如，棒狀材料的直徑量測(cè)時(shí)如果3次量測(cè)值大小不同，此時(shí)應(yīng)選擇直徑的平均值還是最小值?棒狀試樣的直徑相同但是平行段長(zhǎng)度不同，所測(cè)出的延伸率是否相同等問(wèn)題。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，教師注重建立一個(gè)寬松的氛圍，讓學(xué)生積極動(dòng)手、動(dòng)腦、動(dòng)口，激發(fā)他們對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣和熱情，主動(dòng)完成實(shí)驗(yàn)，而不是抱著消極或者應(yīng)付的態(tài)度去學(xué)習(xí)。

此外，每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，教師都對(duì)本次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行細(xì)致的總結(jié)，和學(xué)生一起分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以及出現(xiàn)的問(wèn)題。如金屬拉伸時(shí)，有些同學(xué)量測(cè)得到樣品的斷面收縮率為負(fù)值;對(duì)扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，如果實(shí)驗(yàn)樣品不是棒材而是立方體板材，那么材料的斷裂形式和扭矩如何等問(wèn)題。鼓勵(lì)同學(xué)們動(dòng)腦思考，進(jìn)一步探究產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因。通過(guò)以上方式，在鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力的同時(shí)，也鞏固和加強(qiáng)了對(duì)理論知識(shí)的理解。

二、結(jié)合工程和生活實(shí)例，提高實(shí)際應(yīng)用能力

力學(xué)是人類認(rèn)識(shí)自然和改造自然的結(jié)晶，力學(xué)的基本規(guī)律是人們通過(guò)長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐和大量科學(xué)實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)綜合、分析和歸納總結(jié)出來(lái)的，源于實(shí)驗(yàn)并在生產(chǎn)實(shí)踐中得到發(fā)展［5］。根據(jù)力學(xué)學(xué)科的特點(diǎn)，教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中注重將與工程和生活實(shí)際相關(guān)的實(shí)例貫徹到教學(xué)工作中。

如完成金屬材料的拉伸和壓縮實(shí)驗(yàn)后，教師會(huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)中得到的低碳鋼和鑄鐵兩種材料的抗壓、抗拉強(qiáng)度以及受載后的變形情況，引導(dǎo)學(xué)生在現(xiàn)實(shí)生活中尋找這兩種材料的應(yīng)用。經(jīng)過(guò)思考，同學(xué)們會(huì)聯(lián)系到金工實(shí)習(xí)中用到的車床和銑床的底座、齒輪，生活中的水管，公路上的井蓋，甚至家中窗外的金屬護(hù)欄等材料，并討論分析采用這種材料的原因，不僅活躍了課堂氣氛，也幫助學(xué)生把課程中學(xué)到的知識(shí)與工程實(shí)際和生活實(shí)際緊密結(jié)合起來(lái)。

通過(guò)將自己動(dòng)手得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與接觸到的工程實(shí)際和現(xiàn)實(shí)生活相結(jié)合的方式，鼓勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生細(xì)致地觀察事物，從中提出問(wèn)題和分析問(wèn)題［6］，從而加強(qiáng)學(xué)生在工程實(shí)踐中的綜合判斷能力，培養(yǎng)他們的獨(dú)立思考、解決問(wèn)題的能力。

三、改革實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增加設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)

隨著社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步，工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)所涉及的材料、方法等發(fā)生了較大變化，因此不斷調(diào)整和更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生能接觸和學(xué)習(xí)到一些新知識(shí)和新技能，更有益于提高教學(xué)效果。

傳統(tǒng)的工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)主要包括材料拉伸和壓縮實(shí)驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)、彈性模量和泊松比測(cè)定實(shí)驗(yàn)、純彎梁的正應(yīng)力測(cè)定實(shí)驗(yàn)等基本實(shí)驗(yàn)，如圖1所示的多功能加載臺(tái)，該設(shè)備主要用于完成純彎梁的正應(yīng)力測(cè)定、彎扭組合等實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中心教師利用該設(shè)備，開展了一些綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。

以疊梁實(shí)驗(yàn)為例(如圖2所示)，傳統(tǒng)的純彎梁正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)，主要是用來(lái)驗(yàn)證材料力學(xué)關(guān)于梁彎曲時(shí)正應(yīng)力在橫截面上的分布規(guī)律，其中的理論問(wèn)題在理論教材中有明確的介紹，但工程中的一些結(jié)構(gòu)是由多層梁疊合成，為此，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中將單一梁的正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)改為疊梁實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)同學(xué)測(cè)試疊梁的中性層和正應(yīng)力分布規(guī)律，又通過(guò)鋼鋼復(fù)合梁、鋁鋁復(fù)合梁和鋼鋁復(fù)合梁等不同材料的實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生去研究疊梁的材料或者尺寸不同時(shí)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果又會(huì)呈現(xiàn)怎樣的變化規(guī)律。最后加以理論指導(dǎo)，幫助學(xué)生加深對(duì)課程的理解。

圖1 多功能實(shí)驗(yàn)臺(tái)

圖2 鋼鋁復(fù)合梁實(shí)驗(yàn)

為力學(xué)專業(yè)的學(xué)生設(shè)計(jì)了綜合實(shí)驗(yàn)，例如將梁與光測(cè)力學(xué)相結(jié)合，在梁上粘貼反射光彈片，通過(guò)反射光彈儀測(cè)量條紋級(jí)數(shù)，觀察此梁在不同位置時(shí)的條紋變化，計(jì)算和分析梁受載時(shí)的應(yīng)力變化規(guī)律。

通過(guò)增加設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)，鍛煉學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、思考問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，獲得了書本上沒有的結(jié)論，不但加強(qiáng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究意識(shí)，進(jìn)一步提高教學(xué)效果。

四、通過(guò)創(chuàng)新計(jì)劃培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力

自2007年以來(lái)，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)為貫徹落實(shí)教育部“質(zhì)量工程”的政策精神，實(shí)施了“大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃”，通過(guò)開展以學(xué)生為主體的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高其創(chuàng)新實(shí)踐能力，并從2011級(jí)本科生起全面實(shí)施“大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目”。項(xiàng)目為期2年，項(xiàng)目執(zhí)行期內(nèi)，在指導(dǎo)老師的輔導(dǎo)和幫助下，學(xué)生自主完成項(xiàng)目所需研究條件的準(zhǔn)備、研究方案的實(shí)施、總結(jié)研究成果和撰寫結(jié)題報(bào)告等訓(xùn)練內(nèi)容，使學(xué)生切實(shí)得到科學(xué)研究的鍛煉，提高創(chuàng)新實(shí)踐的能力。

在“大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目”的支持下，借助中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和材料力學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的研究條件，分別指導(dǎo)學(xué)生開展了巖石等材料孔隙模型的數(shù)值計(jì)算、高性能混凝土的力學(xué)性能等訓(xùn)練項(xiàng)目和訓(xùn)練計(jì)劃。使學(xué)生從文獻(xiàn)的查詢和研讀、科研讀書報(bào)告的撰寫，相應(yīng)的力學(xué)概念和理論知識(shí)，以及實(shí)驗(yàn)計(jì)劃的制定和執(zhí)行，測(cè)試和數(shù)值計(jì)算方法等多方面得到培養(yǎng)和鍛煉，為他們今后的理論學(xué)習(xí)和讀書深造打下基礎(chǔ)，同時(shí)也促進(jìn)了教學(xué)水平的提高。

此外，在中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力建學(xué)院和力學(xué)系的組織、支持下，實(shí)驗(yàn)中心對(duì)參加第九屆全國(guó)周培源大學(xué)生力學(xué)競(jìng)賽“基礎(chǔ)力學(xué)實(shí)驗(yàn)”的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了精心指導(dǎo)，并最終獲得了團(tuán)體優(yōu)秀獎(jiǎng)，極大提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)熱情和研究能力。

五、結(jié)束語(yǔ)

工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)與專業(yè)課以及工程實(shí)踐密切相關(guān)，通過(guò)改進(jìn)教學(xué)方法，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)參與性，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣和熱情，進(jìn)而培養(yǎng)觀察問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，樹立獨(dú)立思考、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)，才有助于提高教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。

［1］ 謝淑海，隗峰，姚元全．構(gòu)建高教創(chuàng)新性人才培養(yǎng)模式 落實(shí)教育規(guī)劃綱要［J］．中國(guó)電力教育，2011(19):15-16，18．

［2］ 徐步青，齊月芹．以學(xué)生為中心的工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革［J］．中國(guó)電力教育，2012(1):99-100．

［3］ 周晚林．改革力學(xué)課程提高學(xué)生工程素質(zhì)［J］．理工高教研究，2006，25(1):76-78．

［4］ 王建祥，蘇枋，葛倚汀．工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與探索［J］．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2010，27(1):130-133．

［5］ 賈有權(quán)，亢一瀾．力學(xué)實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)力學(xué)［J］．力學(xué)與實(shí)踐，2000(22):68-70．

［6］ 朱云，顧永強(qiáng)．實(shí)驗(yàn)力學(xué)教學(xué)中創(chuàng)新能力的培養(yǎng)［J］．中國(guó)冶金教育，2012(1):34-34，40．