淺析基礎力學實驗教學改革

裴鉆 王剛

【摘要】高等學校實驗室是培養學生動手能力、創新意識的基地，是提高學生綜合素質能力的重要課堂。為了適應現代實驗教學的要求，需正確認識和處理實驗教學過程中各種因素相互影響和制約的關系，需從實驗教學體系、方法、手段及管理等方面進行改革。基于此我校基礎力學實驗教學改革建立了三個層次、四個模塊的綜合性實驗教學新體系，采取口試與筆試相結合、理論概念與實際操作相結合的綜合性考試新方法，采用虛擬實驗新技術及開放式的創新平臺管理體系。

【關鍵詞】基礎力學實驗 教學改革 教學體系 開放式管理

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）09-0236-02

1.引言

高等教育正逐步向著更加注重素質與能力培養的方向發展，人才培養的目標也由過去的知識型向著創新型、復合型轉變，這就要求高等學校主動、積極地適應這種新的要求和變化， 改革與現代教育思想不相適應的教學內容、教學思想、教學方法和教學手段。由于十余年高校的擴招，高校的實驗教學面積人均數、器材、設備、經費等各方面的的保障均相對落后余擴招的速度，減少了學生創新實踐能力培養機會。我校基礎力學實驗室雖在地方與中央共建、教學評估的基礎上對硬、軟件問題有所提高和規范，仍無法完全滿足現代教學的需求，存在諸多問題，需從實驗教學體系、方法、技術及管理等方面進行改革，創立試驗教學新體系、新方法、新技術及開放式的管理體系，具體改革方法、內容通過以下幾部分分別進行闡述。

2.創立實驗教學新模式

為了增加學生的實踐機會及培養具有創新能力的學生，基礎力學實驗室進行了教學改革，創立了基礎力學實驗教學新模式，針對不同專業把學生分為三個層次、針對不同要求分為四種不同難度的實驗。

力學實驗教學按照不同專業的要求，實行三層次教學。其中層次一面向土木工程、勘察技術與工程等工程類專業，強化驗證、綜合性實驗教學，增設創新實驗課，實驗單獨設課，提高教學要求；層次二面向工程管理、工業設計、石油工程類等專業，重點掌握基礎力學實驗基本原理和測試技術，使得他們能夠初步學習力學實驗分析方法；層次三面向全校工科各專業，開設“工程力學演示及認知實驗”課。根據實驗內容及實驗要求不同，將實驗分為認知性、創新性、驗證性、綜合性等五種的實驗。具體分類如下：

（1）驗證性實驗：主要針對教學參考書已知的實驗結論進行驗證，看實驗結果是否與書本描述一致，讓學生掌握實驗技能的同時也鞏固了已學知識。比如做彎曲梁實驗，對于彎曲的概念和應力分布講解，首先我們就應想到生活生產過程中應用了彎曲原理的構件很多，例如預制板和彎曲梁同一個受力模式，從預制板的配筋情況我們就可以更深刻的理解純彎構件應力分布情況，把理論知識和實踐相結合開拓學生視野。

（2）綜合性設計實驗：由一系列擴展實驗構成。主要教學目的是使學生在掌握基本實驗技能的基礎上，進一步了解、掌握工程實際以及科學研究中較為先進的實驗技術及方法，加強學生的專業修養，并通過實踐教學與科學研究相結合等方式，培養學生科研及創新能力。這類實驗也可以改變試件的材料，把低碳鋼和鑄鐵換成巖石進行試驗，進行分析和對比，通過實驗研究自然界中不易直接觀察到的力學現象，進一步掌握力學概念與力學理論，使得學生可以在實驗中學習，在實驗中研究。

（3）創新性實驗：這類實驗是利用已有的知識不斷突破常規，發現或產生某種新穎、獨特的事物進行的實驗。主要包括三種類型：一是結合學科競賽的實驗，二是大學生創新性實驗計劃項目，三是為完成科研項目進行的創新性實驗。我校基礎力學實驗室一直對全校師生進行開放，方便學生完成科技立項實驗及科研項目實驗，教師只起到輔導和指導作用。學生自由組建自己的實驗團隊，完成實驗相關的設計、材料的加工、實驗的成果的分析。創新實驗主要激發學生潛能，開闊學生視野，培養學生興趣，讓枯燥的理論學生更近形象化生動化，有利于力學基礎教學的順利開展。

（4）認知性實驗：針對不同專業的學生，根據力學規律不同，選擇與本專業相關的力學實驗，形象生動的闡述力學問題，起到提高學生對力學知識的興趣，提高運用力學知識分析與本專業相關問題。

3.改革教學方法，開創研究性教學

先進的實驗教學理念，要求正確認識和處理實驗教學過程中各種因素的（之間）相互影響和制約的關系，從“教學實驗”轉變為“實驗教學”。通過實驗教學，使得學生掌握實驗研究的基本方法和技能，具有獨立開展實驗研究的能力，具備向相關領域拓展的基本素質。實驗教學的重點應該從傳授知識向培養學生發現問題和解決問題的能力上轉移。實驗教學主要為了活躍學生思維，激發興趣，提升學習的動力。在實驗過程中教師主要起到引導作用，讓學生自己設計，自由探索實驗進程和結果，讓被動接受變為主動探索。在實驗教學過程中，鼓勵學生提出問題，對實驗進行深入的討論。比如做低碳鋼和鑄鐵壓縮實驗，應激發學生分析為什么低碳鋼壓不開裂，鑄鐵為什么是破壞沿45°，如果改變實驗條件后鑄鐵有無可能沿90°破壞，在綜合性和創新性實驗中，讓學生們大膽構思，放手實踐，充分施展自己的聰明才智，綜合運用所學知識，積極探索實施途徑。比如“彈性模量和泊松比的測試”是一個不太復雜的實驗，但學生們通過自己的“琢磨”，在試樣一面貼上應變片，在兩面貼上應變片測試結果有何不同，善于發現問題，再從力學的理論和實驗的基礎上解決問題，提高分析問題解決問題的能力。

4.改革考試考核方法

對于目前基礎力學實驗室的考核辦法主要集中在實驗課上動手能力和課后實驗報告完成情況綜合考評，從目前來看效果不佳，主要因為有指導書后，大家厭惡實驗報告沒有新意，八股文形式。通過參加首屆全國基礎力學實驗大賽來看，我室應改變目前考核辦法，針對不同的課設采取不同的考試辦法，獨立設課的采取獨立考核，實行口試與筆試相結合、理論概念與實際操作相結合的綜合性考試方法。依附理論課程的實行口試和平時動手能力考試考核辦法。學生先有一段時間的閉卷筆試，接著進行口試，必要時還要進行實際操作。口試題目主要考試學生綜合能力和臨場應變能力，讓學生不讀“死書”不“死讀書”，需要學生獨立思考、探索，得到高效、便捷解決辦法。筆試和口試的考題，主要結合專業背景，提煉簡化的問題。這類考試主要為了檢查學生對力學的基本概念和解決問題的基本方法的理解，又考察學生相關專業的基本技能及其綜合幾門相關專業的綜合能力，讓學生對力學、工程更深理解能讓學生增加其自身的創新能力。不僅要考教材上的內容，更要給學生創造性思維的空間。使學生在考試中不是被動思維，而是積極思考。

5.運用現代化教學技術，改善硬件條件

提高實驗教學水平，硬件建設是基礎，這包括實驗場地和設備。我校基礎力學實驗室在原校級巖石（材料）力學試驗室的基礎上，通過“2004～2006年中央與地方共建高校基礎實驗室項目”的大力支持下，新建的基礎力學實驗室。通過近幾年的新實驗室的運行情況來看我校基礎力學實驗室，大型精密儀器存在明顯的幾點問題：（1）儀器自動化程度高，學生動手機會較少。（2）儀器精密程度高，購買單臺套費用高。（3）精密程度高，易損壞，維修費用高。

針對以上問題，我室采取的辦法是對驗證性實驗和綜合性實驗進行虛擬實驗技術，本室虛擬現實實驗室教學系統是通過計算機圖形CG（Computer Graphic）技術、仿真技術、人工智能、傳感技術、顯示技術、網絡并行處理等技術，將實驗室環境與器材操作模擬出來，用于學生身臨其境地瀏覽、互動操作學習。

6.建立健全開放性管理體制，建設良好的創新平臺

所謂實驗室開放是指學生不拘泥于課堂實驗時空限制，利用課余時間在教師的輔導下進實驗室做自己喜愛的實驗、實踐活動。我們的做法是：（1）教學獨立化。在同一個實驗條件下，讓學生獨立思考、自行設計，充分發揮想象力，得到同樣實驗結果。教師主要起“引導”而非“指導”作用，使得實驗教學活動不再是千篇一律，凸顯獨立性特點。（2）管理網絡化。實驗室網絡化管理主要由滾動公告欄、實驗室簡介、新設備介紹、實驗室相關制度、實驗預約、試驗方案的設計、虛擬試驗等模塊進行組成。除綜合性實驗安排在正常實驗課學時內進行，另外對具有創新性實驗都安排在課外進行，讓感興趣學生有更多實踐機會，實驗安排主要通過國家級地質工程示范中心網絡平臺進行發放，學生自由選擇實驗。

實驗室開放管理不僅是制度上的開放，更重要的是實現創新平臺開放。讓學生充分利用基礎力學實驗室儀器設備，根據本校地學優勢，將地學知識和力學實驗知識和結合起來，運用到科技立項、縱向課題、實驗大賽等相關課題，讓學生充分發揮自己的主觀能動性。讓學生自主提出實驗目的，編寫實驗內容，測試方式的組建，教師對其方案和方法進行指導，幫助學生提高自己綜合能力和創新精神。

7.結論

通過基礎力學實驗教學改革， 學生找到了心理的平衡點，端正了自己的心態， 消除了一些畏難情緒，能夠較全面地掌握所學知識。實驗教學過程就是學生把從書本上獲得的理論知識運用于實驗中，從實驗中能提高對理論的認識，實驗過程應符合科學發展觀的要求。適當的教學方法對提高教學效果和教學質量起著十分重要的作用， 我們在教學中要不斷摸索， 在教學中應注重實踐性、啟發性和科學性，有針對性地培養學生。

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作者簡介：

裴鉆（1980-），男，四川達州人，成都理工大學，講師，主要從事工程地質勘察與地質災害方面研究。