給樹貼應變片—交叉學科實驗教學實踐

胡瀟毅　劉達列

摘要：學科交叉現已成為普遍現象。本文以樹木中“生長應變”的測量實驗為例，討論教師應如何開展交叉學科的實驗教學。首先，在教學時應打破以往的課程界限，利用一切可能的機會讓學生接觸交叉學科新概念；其次，可利用正在進行的科研項目，為學生提供學習和實踐機會；再次，通過學生參與，可促進科研項目的研究。在教學過程中，應注重引出問題，引發思考，激發學生創造力，從而能夠有建設性地解決問題。

關鍵詞：學科交叉；生長應變；實驗；科研項目

中圖分類號：G642.423 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）44-0279-02

如今，學科交叉已成為普遍的現象，大學生在學習過程中越來越普遍遇到交叉學科問題。如仍按傳統教學方法授課，學生對交叉學科概念的理解將很困難。本文以樹木中“生長應變”的測量實驗為例，討論教師應如何開展交叉學科實驗教學。

一、基于“生長應變”測量實驗的改革嘗試

樹木的生長應變是樹木在生長過程中產生并積累的應變，是樹木生長的自然結果。生長應變能在木材中形成有一定規律的應變分布狀態。通常，木材相關專業的學生都是在《木材學》課程中直接接觸“生長應變”的概念。因缺乏力學相關概念的學習基礎，以及概念的抽象性，學生很難理解這個概念。為解決這個問題，筆者從三方面入手，開展了一些教學改革工作：

1.提倡課程交叉，增強交叉式教學。以往學生都是在《木材學》課程中遇到“生長應變”的概念，理解非常困難。為此，我們打破這個教學習慣，在大二的《工程力學》課程中，當學生掌握“應變”的概念后，就通過提問的方式讓學生思考如下問題：①樹木中是否也存在應變？②樹木的生長過程中是否相應會有“生長應變”？學生通過這樣的思考，在后續《木材學》課程中再次接觸到“生長應變”的概念，就不覺得難以理解了。并且學生還能從木材結構的角度進一步分析生長應變的形成過程和機理。

2.從教室走出，在樹林中進行實驗教學。為了讓學生對“生長應變”有直觀感受，我們給學生創造參加“生長應變”測量實驗的機會：借助浙江省自然科學基金項目課題“立木生長應力模型構建與量測技術研究”，安排大二本科生直接參與課題中的生長應變實驗測量。通過短時間的簡單培訓，使學生們掌握應變片粘貼技術及電阻應變儀使用方法。在浙江農林大學的實驗林里，安排學生尋找合適的樹木進行應變片粘貼和樹木生長應變測量（見圖1）。

3.教學促進科研，在思考中解決問題。好的教學過程不僅幫助學生理解所學知識，同時能促進科研。在科研項目中，關于生長應變的測量，有兩個重要的問題需要解決：①通過什么樣的方式測量生長應變？②如何盡量避免對測量的干擾？這兩個問題不僅僅是科研中需要解決的問題，也是能啟發學生思考的好問題。對于問題①，已有研究在測量生長應變的過程中都需要對樹木進行破壞，損傷最輕的仍要剝掉一定面積的樹皮，然后將應變片貼在露出的木質部上。我們在實驗教學中，鼓勵學生提出問題，如：一定要破壞樹木才能測得生長應變嗎？所有的樹木都必須剝掉樹皮嗎？對于大樹和小樹測量方法一樣嗎？以這些問題為導向，學生在實驗過程中很快就得到了答案：生長應變的測量是依靠釋放的原理，釋放的過程必然對樹木造成一定的破壞，但可以改進釋放應變的方法，盡量減少對樹木的破壞；有些樹木因為自然原因有一定面積的樹干木材裸露在外面，可利用這種自然便利進行貼片測量，減小對樹木的損傷。對于正常樹木，有些也可不去除樹皮直接貼片測量生長應變（例如主干直徑很細的低樹齡灌木，其樹皮非常薄且與木質部緊密結合）；大樹與小樹應采用不同的貼片方法進行測量。對于問題②，學生在實驗過程中逐漸發現應變儀上所顯示的數值有一定幅度的波動性，通過思考，發現兩個導致數值波動的原因：風對樹的作用以及溫度的變化。找到了原因，很快就給出了新的實驗測量方案，如：盡量在無風的時候測量，在樹的前面加裝防風擋風裝置，通過溫度補償片來減小溫度變化對應變片測量的干擾等。事實證明，讓低年級本科生參與科研項目的實踐，不僅對學生有很大的啟發，學生學習效率遠遠超過一般的課堂教學，對教師科研項目的順利進行也起到了促進作用。

二、交叉學科實驗教學的關鍵

實現學科交叉的實驗教學，關鍵在于不同學科教師間的配合，以及提前設計合理的實驗教學培養方案。例如，要實現《材料力學》課程與《木材學》課程實驗的深入交叉，首先需要尋找兩課程間的共同點：《材料力學》的教學目的是了解材料力學的基本理論、基本概念和基本分析方法，使學生對構件強度、剛度和穩定性問題具有明確的概念、必要的基礎知識、比較熟練的計算能力以及一定的分析能力和初步的實驗能力。《木材學》則是以認識木材自然本質，探索木材自然規律為內容的一門基礎科學，它是營林培育科學技術發展的基礎，又是木材加工利用技術提高的前提。單從教學目的上看，很難發現這兩門課的交叉點。然而，從材料的力學特性上探索，就找到了很強的交叉點。其次，需要尋找兩門課程中概念的交叉點，以概念為切入點，開展交叉學科的教學活動。最后，兩門課程中先學課程的教師應盡早給學生創造參與實驗的條件，在教學和實驗過程中就熟悉并深入理解相關交叉學科的概念。

三、結束語

本文從學科交叉的角度，以“生長應變”的測量實驗為例，介紹了實驗教學改革的工作。雖已取得一定成效，但僅是個好的開始，以后需要探索之處還很多。要實現學科交叉式的實驗教學，需要不同專業教師之間更加緊密的溝通和配合，共同商討培養方案。此外，需不斷積累，形成體系和風格。教學改革是一個逐步深入的過程，雖取得一些成績，但離全面推廣仍有很大的距離，今后還將繼續探索，努力使所有學生都有機會自愿參加課外的實驗教學活動，并且由被迫學習轉為主動學習，進一步進入快樂學習的狀態。

參考文獻：

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[4]劉一星，趙廣杰.木材學（第2版）[M]，北京：中國林業出版社，2012.

Abstract：Subject crossing has become a common phenomenon.In this paper，"growth strain"measurement experiment in trees is taking as an example，and how teachers should carry out the experimental teaching of inter-discipline is discussed.First of all，the former curriculum boundaries should be broken in teaching.Advantage of all possible opportunities to expose students to new concepts of inter-discipline should be taken；Second，make use of ongoing scientific research projects to provide students with opportunities to learn and practice.Through student participation，the research of scientific research projects can also be promoted.In the process of teaching，attention should be paid to eliciting problems and thinking，so as to stimulate students'creativity and solve problems constructively.

Key words：subject intersection；growth strain；experiment；scientific research project