基于翻轉課堂的材料力學實驗教學方法探討★

聶書嚴， 楊昌棋， 萬 玲， 魏 榛， 劉 勇

（1.重慶大學航空航天學院， 重慶 400044； 2.中國兵器工業集團西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712000）

引言

材料力學是工科院校的專業基礎課程，是架于專業課和基礎課之間的橋梁，對于后續課程的學習起著重要的作用。同時，材料力學也可作為一門單獨的學科解決工程實際問題[1]。材料力學實驗是材料力學課程中不可或缺的部分，它為學生演示和論證材料力學理論的正確性，啟發學生將理論與實際工程相結合，有助于加深對材料力學知識理解和構建材料力學知識體系。材料力學實驗教學在工科專業的教學當中起著非常重要的作用。

“翻轉課堂”是2000年Maureen J.Lage和Glenn J.Platt在論文中提出的[2]。它主要為一種將課堂時間和課下時間顛倒的一種新型教學模式。在這種新的教學模式下，教師提前準備課程資料，并錄制視頻，學生在上課前通過觀看視頻講解，學習課程資料，了解和掌握課程內容，再在課堂上交流和完成作業。隨著模式的逐步發展，越來越多的教師都投入到了翻轉課程的教學模式中。劉銳[3]、吳曉娟[4]等均在實踐教學中均取得了較好的教學效果。隨著現代化信息時代的發展，互聯網和計算機的普及都為翻轉課堂式教學模式提供了越來越便利的條件。因此，高校結合翻轉課堂的教學模式對實驗教學改革，提升教學質量勢在必行。

重慶大學航空航天學院力學實驗教學中心承擔了全校大部分理工科專業材料力學實驗教學課程，課程每年的上課人次達8 000以上。而力學中心在教學方法上仍然采用講授加現場實驗的傳統教學模式。這種方法在課堂教學上呈現出了諸多不足。因此，實驗中心亟待需要結合翻轉課程的教學模式，對實驗教學進行改革探索，進一步提高材料力學實驗教學水平，將更優質的教育應用于廣大學生。

1 傳統材料力學實驗教學存在的問題

重慶大學材料力學實驗課程主要開設材料的拉伸、材料壓縮和扭轉、電測法測純彎梁正應力、彎扭組合結構載荷測定等實驗項目。實驗中心每年教學任務量大，而只配備了幾名實驗指導教師。教師任務量繁重，每個班級的實驗項目大體相同，教師必須重復教授相同課程內容。傳統講授加實驗的教學模式也比較固化，教學方法陳舊，導致學生實驗參與率、積極性均不高，實驗教學存在諸多問題。

1）理論講解占用大量教學時間，實驗操作時間不足。若是傳統的講授加實驗的材料力學實驗教學模式，課程最開始要對學生講授實驗理論、原理、方法等實驗知識，時間約為30～45 min。而且材料力學實驗中引伸計的原理、電阻應變片原理、測試方法、應變片的組橋方式以及各個實驗項目中平面應力分析、材料破壞形式、實驗構架的結構剖析、各種設備原理和構造等內容的介紹均需要時間進行講解。在短短兩節課內完全不能使學生了解非常透徹。實踐環節往往是現在學生的薄弱環節，動手測試的能力、理論知識與實際工程結合的能力相對較弱，急需加強。指導教師在日常的教學中也發現：理論教學占用了實驗課堂的部分時間，在短時間內將相關知識灌輸給學生并不能使學生很快消化理解知識，不能融會貫通、深入理解和掌握實驗原理,只是機械式地重復教師教授步驟，完全沒有對實驗的分析和思考，達不到實驗教學的目的。

2）以教師為主導，忽視了學生的主動性，學生積極性不高。教師只研究如何“教”，卻從未研究學生如何“學”。課堂上完全以教師為主導，跟隨教師的思路，完全忽視了學生的思考時間、接受能力[5]。這種方式下，學生完全沒有主動性，被動接受教師傳播的知識。“走馬觀花”式的實驗課程完全沒有達到培養學生創新能力、發散思維的效果。在這種模式的主導下，學生不活躍，也缺乏表達自我思維和想法的時間，對許多問題一知半解。一些接受能力差的同學看到實驗設備不知道如何動手，而大部分同學也只是按部就班完成實驗。對于有難度、有創新性的實驗，大部分同學完全不知道如何下手，花費大量時間現場研究相關原理和方法。比如彎扭組合結構載荷測定實驗，要求學生自己分析結構的應力狀態分布、用應變儀組電橋，至少應用2種組橋方式測定未知載荷。面對這種有難度、需要有綜合分析能力、扎實的理論知識的實驗，大部分同學都無從下手，組電橋原理都不能完全理解，也不能獨立完成應力狀態分析，肯定無法完成實驗。因此，部分同學覺得實驗是一座無法逾越的大山，直接就失去了興趣，或者在分組中處于觀望狀態，積極性不高。

3）教師機械式的重復課程講授，不利于學生新知識的獲取。課堂講解實驗理論是實驗課程中必不可少的環節。實驗中心每年任務繁重，教師大量時間花費在課前準備、實驗設備維護、課程理論講授上，無過多的時間對課程較新內容、實驗工程實際問題、教學方法進行研究。而且每次重復的課程內容，使教師對課前備課的積極性不高，上課就是機械式的重復前面所講的內容。這在一定程度上阻礙了學生從教師身上獲取最新知識，了解實驗技術發展情況，從而不利于學生創新能力的培養。這些都導致了傳統實驗教學效果的不理想、學生應付實驗等等弊端。

2 結合實驗中心情況，探討材料力學實驗教學改革方法

2.1 教學模式改革

1）教師提前錄制視頻、編寫課件，學生課前學習理論，課堂進行實驗。翻轉課堂將傳統的教師為主導的教學形式完全顛倒為以學生為主導的教學形式。在翻轉課堂教學模式下，教師提前將實驗課程相關講解錄制成視頻，以供學生學習。視頻的錄制可以不用受時間限制，分為實驗必修環節和拓展環節，內容不僅限于實驗理論，可以包括實驗設備原理、實驗方法發展、實驗方法的應用、工程實例舉例和分析等。這種模式避免了教師機械式教學重復，提高了教師上課積極性，同時給學生操作、分析實驗錯誤和誤差留有足夠的時間。視頻采用教師負責制定期更新，督促教師備課，不斷完善和補充視頻內容。視頻的更新和積累使實驗教學內容更加豐富完善，拓寬學生知識面。學生學習視頻并熟悉相應的實驗知識后來到實驗室進行實驗操作。

2）建立課前學習考核制度，督促學生課前學習。受到“教師教授，學生學習”的教學模式的影響，學生被動接受知識基本已成習慣，主動學習效果很差。因此，翻轉課堂的模式若要在材料力學實驗教學中達到好的效果，必須建立適當的課前考核機制，督促學生課前學習。而隨著互聯網技術的發展，網上學習已經成為一種新型的學習方式。目前，學院已有教學網上平臺：基礎力學學習平臺。基于平臺，實驗中心教師將錄制的視頻上傳至平臺，并對每個實驗項目設置對應的考核試題。試題內容不僅包含學生實驗安全規范、實驗室管理規定以及基本的實驗室準入規定，也包含本次課程實驗項目的基本原理、實驗方法、工程實例等知識。學生經過學習，并通過上述試題考核，便可以隨堂進行試驗。這樣不僅使學生能夠明白和系統地掌握實驗相關的知識體系、實驗室內的安全管理，而且能夠大大提高學生實驗操作的安全性，實驗效果也更好。

3）課堂教學的變化。隨著教學模式的改變，課堂教學內容也需要發生應有的變化。課堂上，教師不需要像傳統理論一樣花費幾十分鐘教授理論，只需花費十幾分鐘進行總結，便可放心讓學生自己動手實驗。這種模式下，教師可以對學生提出更高要求，比如實驗方法的比較、實驗結果的分析、實驗誤差的分析、實驗結論啟發、對實驗精度要求更高、多提供幾種實驗方法進行試驗。每一項要求均可促使學生不斷思考，加深理解。

2.2 教學內容改革

1）結合現有實驗條件和內容，完善新實驗方案，增加創新性。翻轉課程打破了傳統的教學模式，較傳統實驗課堂模式更加節省課堂時間。利用這些時間，教師可以對原有試驗進行改革，增加創新型實驗內容。比如材料拉伸實驗項目的模式比較統一、實驗的可操作性不大，不利于學生的創新能力、發散思維的培養。而利用翻轉課堂的教學模式便可以對實驗加以改進，而且不需要擔心課堂時間不足的情況。翻轉課堂對耗時很較長、技術含量不高、需求專業設備不多、設備工具便宜便于攜帶的實驗有著非常大的優勢。而應變片的粘貼就屬于此類實驗項目。因此，材料拉伸實驗便可結合應變片的粘貼技術（電測法）測定材料彈性模量。課前下發簡單的工具包，學生利用課余時間即可完成應變片粘貼的練習和試件制作的工作。這將傳統的一到兩節課的內容完全放在了課下，大大豐富了實驗項目的內容，使學生真正明白實驗試件制作的不易和辛苦，還鍛煉了學生的對手能力，使學生清楚整個試件實驗的流程，明白實驗操作與理論設計的區別，為今后科研實驗提供便利。壓縮和扭轉實驗項目本身時間比較緊張，而在翻轉課堂的教學模式下，學生有充分的時間討論和規劃方案，剖析破壞原因，做實驗更得心應手。電測法測量純彎梁正應力實驗也可以進行創新實驗改進：實驗中可以將試驗機加載軟件中的載荷隱藏，比較梁在不同高度的正應力的同時，利用這些正應力和梁的剛度E來計算實驗載荷大小。這個實驗方案不僅驗證了梁在高度方向的變化，還需要學生對四點彎曲梁的正應力沿高度分布有足夠的理解才能計算出試驗機的加載力，充分考察了學生對理論的掌握程度。結合“翻轉課程”新的實驗教學模式，完善新的試驗方案，能夠增強實驗的創新性，把實踐教學提升到一個新高度，為培養創新人才打下堅實基礎。

2）結合開放式實驗室，嘗試材料力學創新型實踐教學。結合開放式實驗室，基于翻轉課的教學模式，可以嘗試開發新的材料力學創新型實踐教學項目。如應用比較廣泛的實驗測量技術：應變片測量彈性模量、泊松比、應變電測法測定壓桿的臨界載荷、偏心拉伸實驗等。也可結合工程實例，開設趣味教學項目。比如：利用一張A4紙，制作一個試件，看誰的試件抗拉抗彎能力最強。哪種材料適合橋梁的哪些結構：實驗提供5～6種材料，并有相應的壓縮、拉伸、扭轉試件，讓學生剖析哪些材料該用在橋梁哪些部位，并說明理由。利用應變片、各種不同形狀的彈簧鋼塊制作傳感器，測量5 t的汽車，汽車可由試驗機來代替。這些實驗項目均可結合翻轉課堂的教學模式，在課前，學生觀看教師視頻講解，動手制作并初步完成作品，在課堂上現場測試評比，能夠極大地調動學生實驗的積極性，使其參與的意愿更加強烈，而且能夠學習材料力學的知識。創新型實踐教學不僅能夠將學生課本所學到的知識應用于工程實例中，更能夠加深學生對知識理解和應用，讓學生能夠發散思維。

3 結論

在迅猛發展的信息化時代，翻轉課堂的材料力學實驗教學模式能夠使學生由單一從課堂獲取固定知識轉變為主動從互聯網、圖書館等多種渠道獲取、掌握更多知識體系，并能夠使學生主動參與到實驗試件的動手制作、實驗測試中來，充分激發學生創新性思維。因此，翻轉課堂的材料力學實驗教學模式在實驗教學方法、教學內容上均具有很大優勢，為完善材料力學實驗教學項目體系、提高材料力學實驗教學質量、進行創新性實踐教學訓練提供了很好的理論依據。

參考文獻

[1]尚彩霞.專科材料力學課程改革初探[J].華北水利水電大學學報（社會科學版），1998（1）：74-76.

[2]Maureen J.Lage,Glenn J.Platt,Michael Treglia.Inverting the Classroom:A Gateway to Creating an Inclusive Learning Environment[J].The Journal ofEconomic Education,2000，31（1）：30-43.

[3]劉銳，王海燕.基于微課的“翻轉課堂”教學模式設計和實踐[J].現代教育技術，2014，24（5）：26-32.

[4]吳曉娟，鄭仕宏，吳偉.翻轉課堂在“現代食品加工新技術”實驗教學中的應用[J].農產品加工，2016（14）：73-75.

[5]蔡悅茹.淺談新課改下的課堂教學和傳統教學的優缺點[J].學周刊，2015（21）：13.

[6]張芹.翻轉課堂教學模式在高校體育舞蹈課堂中的運用[J].牡丹江師范學院學報（自然科學版），2016（1）：76-77.

[7]雒真.翻轉課堂優化“現代教育技術”實驗教學的探究[J].江西青年職業學院學報，2013（44）：80-82.