模型加載實驗在《材料力學》中的應用

孟祥勃丁智沈旭棟

（浙江大學城市學院土木工程系，浙江 杭州 310015）

模型加載實驗在《材料力學》中的應用

孟祥勃丁智沈旭棟

（浙江大學城市學院土木工程系，浙江 杭州 310015）

借鑒國際上先進的CDIO工程教育理念，在《材料力學》這門土木工程必修課的教學中，通過讓學生自由分組手工制作一個教師指定的力學模型，并在課堂上進行加載實驗，可以有效地提高學生對《材料力學》課程知識點的深入理解和感性認識，有利于對學生探索精神、科學思維、實踐能力、創新能力的培養。

模型實驗；土木工程；材料力學；教學創新

CDIO是國際上一種先進的工程教育理念，改變了理論教學的傳統模式，構建以實踐為主導的、理論教學與實驗教學有機結合的、知識和能力培養一體化的課程教學新體系。借鑒這樣一個CDIO理念，在《材料力學》這門土木工程必修課的教學中，通過讓學生自由分組手工制作教師指定的橋梁模型，并在課堂上進行加載實驗直至破壞，通過模型質量、最大加載質量、撓度等因素綜合評定該模型的好壞。模型實驗是一種與力學教學十分契合的教學方式，可以有效地提高學生對《材料力學》課程知識點的深入理解和感性認識。

一、材料力學課程存在問題

1、教學模式太過傳統，學生積極性不高，參與度不夠。

2、整個教學更多地偏向理論化教學，不能給予學生足夠的感性認識，不能培養學生一定的實踐能力。

3、學生缺乏對一個具體事例的分析能力，這也是這門課程的理論教學不能賦予的。

二、模型實驗在材料力學中的應用

其實，模型實驗的應用一定程度上與CDIO理念是契合的。教育界對于CDIO理念的認知，即構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate），是培養高等工程師的一種十分優秀的教育理念。而模型實驗正是這一理念的一種具象表現。具體安排如下：

項目總框架：我們在材料力學的教學過程中植入模型實驗這樣一個板塊，學生按照教師制定的規則和指定的材料手工制作一個力學模型，例如簡支梁。在制作過程中，學生們必須在對所學的理論知識有充分的理解和認識的基礎上，結合自身的實踐能力來完成。

具體實施方法：教師通過理論授課的形式，將材料力學的一些基本知識在課堂上傳授給學生們，使學生們對本課程的理論知識具有一定的了解，達到初步掌握的程度。在這樣的基礎上，我們把模型實驗這個板塊展開，學生們自由分組，每組3到4人，按照課題要求手工制作模型。除此之外，學生們還應準備一些圖片、文字資料，來講述一下制作過程和成品展示，這一部分內容將在PPT中呈現。

時間安排：該項目通常是在一學期的最后四周展開。從教師給出指定模型和材料后就可以著手準備了。每周除了4個課時的授課外，學生們必須在課外時間里完成模型制作等一系列任務。在最后一周進行加載。

改變評分標準：為了更加體現現代化的要求，我們給PPT展示環節設計了更多的分數。如果學生們可以在PPT展示中加入適量的圖片、文字說明和精彩的視頻，將制作過程和制作思路清楚地表達出來，這會讓評審教師酌情加分。

三、成果與展示

成果展示分成兩個內容同時進行。一個是將模型加載直至破壞來測出模型的最大承載力。另一個則是通過PPT展示模型的設計方案，模型的制作方法以及學生們在制作、設計中遇到了什么樣的問題，是如何解決的。

下面是一組學生的整個制作過程及成果展示。這一次教師指定的是簡支橋梁模型，在中間施加均布荷載。在平時的教學授課中，學生遇到的問題都是清楚的寫在書上的問題，已經做了支座、荷載、結構等的簡化，而在模型實驗這個情境下，學生必須自己分析實例，將實際模型進行力學簡化和分析。雖然這并不難，但卻可以讓學生感受到一種從實際到書面的感覺。這種做法的優點是可以讓學生提前理解土木工程那種“從無到有”的感覺，讓他們明白自己不像過去那樣憑靠感覺去制作，而是經過縝密計算后才制作的。成果展示這樣的一個環節主要考驗的是學生的表達能力，通過觀察學生對于模型的設計、計算、處理等方面來衡量學生是否達到了所設定的學習目標，是否真正掌握了知識的重點、難點。

圖1手工模型制作

四、結語

模型實驗在材料力學的教學中的應用總體來說還是十分有效的一種創新。首先，它在形式上是一種創新，寓教于樂，讓學生在模型制作中理解重點、難點，更深層理解知識。其次，它拓展了學生的能力。模型實驗不僅僅考驗學生對于本門課程的掌握程度，同時也對學生在組織能力，實踐能力，自主探索能力以及語言表達能力等方面有一定的要求。這樣的設計也是基于CDIO理念的一種表現，強化了培養高級工程師的手段。最后，在這樣的設定下學生的積極性被大大的調動了，將被動學習轉變為主動學習，提高課堂的參與度。

[1]程光旭.努力實現人才培養模式改革的新突破[J].中國高等教育，2009，1：24-27.

G42

A

1005-5312（2014）17-0248-01