材料力學性能基礎實驗課的教學改革研究

朱磊 趙宇龍 陳輝 顧永琴 宋健 顧修全 強穎懷

摘要：材料力學基礎實驗教學是材料力學性能課程的重要實踐教學環節，也是材料科學與工程專業實踐教學的重要組成部分。本文針對目前材料力學性能實驗課存在的問題，結合中國礦業大學材料專業學生現有學情，分別從教學模式和考核方式出發，提出了模塊化教學體系、階梯型實驗和建立全面的考評細則，培養學生的實際動手能力和創新實踐能力。課程實踐結果表明：教學改革后的教學模式和考核方式有利于激發學生對本門實驗課的興趣，教學效果得到了顯著提高。

關鍵詞：材料力學性能；基礎實驗課；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）06-0106-02

一、引言

材料力學性能是材料專業類本科生的一門專業基礎課，在國內眾多兄弟院校普遍開設。筆者在充分利用中國礦業大學“材料科學與工程國家第七批高等學校特色專業建設點”和“材料科學與工程江蘇省實踐教育中心”等優勢教學資源基礎上，樹立以學生為本，融知識傳授、能力培養、素質提高為一體的現代化教育理念和以培養創新人才為核心的教學觀念，建立有利于培養學生創新思維和實踐能力的教學體系。對開設的材料力學性能基礎實驗課的內容和要求提出了新的改進措施。一是提出模塊化教學體系，將驗證性實驗模塊、綜合性實驗模塊和設計性實驗模塊相結合，改變以往按照實驗指導書單純演示教學實驗的模式，達到鍛煉學生綜合能力的目的；二是設計了階梯型實驗，根據學生的學情和對理論知識的掌握，針對不同學生，幫助他們擺脫學習過程中的被動狀態，有效幫助學生完善知識體系，激發學習興趣，掌握材料科學研究的一般手段。在多年的教學過程中，不斷提高課程教學質量，致力于培養材料專業學生的特色實踐創新能力。

二、實驗教學的重要性

實驗教學與理論教學相輔相成，是整個教學活動的重要環節，是將理論知識深入化、實踐化的重要手段，也是提高學生的創新能力和創新思維習慣的重要環節。本科生在校學習以理論知識為主，而實驗教學是學生由理論邁向實際的第一步。這不僅關系著學生實際動手等能力的培養，更關系著對學生自信心和實際操作興趣的培養。材料力學性能作為材料類的基礎專業課，教學內容與生活實際緊密相連，涉及的抗力失效指標均由實驗測試而來，課程特點決定了實驗教學部分在課程中占有重要地位。目前，材料力學性能實驗課形式是以教師為主的演示性實驗。學生雖能系統、完整地觀看到實驗流程，但學生在整個過程是被動地接受知識，主動參與實驗的機會不多，導致部分同學對材料力學性能實驗課的學習興趣和熱情不高，學習效果沒有達到預期。要想扭轉這種局面，先要從教學理念的更新出發，建立全方面、多層次的立體實驗教學體系，更新實驗教學內容和教學方式，進而讓學生更加主動地參與到實驗當中。建立的新的材料力學性能實驗教學課程應有如下特點：一是學生能全面參與到實驗教學中，增加學生實際動手的機會；二是能更好地培養學生思考問題的能力，針對不同的實際問題，學生能提出解決問題的具體方法；三是要培養學生能夠解決相對復雜實際工程問題的能力，針對一個具體問題，能運用多個知識點來解決。

三、實驗教學的改革措施

（一）構建模塊化教學體系設計，培養創新實踐能力

模塊化教學體系主要包括驗證性實驗模塊、綜合性實驗模塊和設計性實驗模塊，明確各模塊教學目的與培養目標，將基本技能要求合理安排到各模塊，強化過程訓練，注重相互聯系，通過整合、優化、延伸等方式避免實驗內容重復，從而培養學生創新實踐能力。例如：我們開設了“材料失效實驗方案”的設計性實驗，合并優化了制備缺口、腐蝕、拉伸和組織觀察等實驗內容，同時對材料結構、成分和斷口形貌等知識點進行了拓展和延伸，將孤立分散的知識點有機結合起來。根據實際常見的失效形式，包括疲勞斷裂、蠕變斷裂、沖擊斷裂、應力腐蝕和氫脆斷裂等，設計若干個模塊化實驗。結合化學實驗來分析構件失效部位的元素組成及含量，運用微觀形貌結構測試手段分析材料失效部分的微觀形貌及斷裂形式，根據所學知識推測構件失效的原因和機理，最后采用實驗室模擬手段驗證等綜合系統的還原斷裂過程并提出解決方案和預防措施。

（二）設計功能性、階梯狀實驗，激發學生學習興趣

結合學生對材料科學的認識進度和“材料力學性能”課堂教學，設置了具有明顯的功能性和階梯狀的實驗項目，包括拉伸實驗、硬度試驗、沖擊試驗、壓縮實驗和彎曲試驗等，激發學生的學習興趣和參與度，幫助他們擺脫學習的被動狀態，有效幫助學生加深對力學性能知識的理解，掌握材料力學科學研究的一般方法和測試手段，培養學生綜合分析問題的能力。根據實驗室現有條件與具體實驗特點，將材料力學性能試驗設計成豐富多趣同時知識點豐富的功能性試驗，由單一實驗向模塊化實驗方式轉變。

（三）建立全面的考評細則，科學評價學習情況

針對傳統實驗考核方式重結果、輕過程，重規范、輕創新的問題，建立一系列新的考評細則。新的考評細則注重實驗過程中考核與結果考核的結合，但側重過程考核，注重理論考核與實驗技能考核結合，側重技能考核。實驗過程實現全程跟蹤，關鍵的實驗過程實行考查，確保過程質量，從而提高教學效果。例如：金屬拉伸制備實驗，涉及到實驗設備（萬能電子拉伸試驗機）、耗材（光滑試樣、缺口試樣等）、步驟（擦拭試樣—劃線—拉伸—觀察拉伸曲線—觀察斷口形貌—撰寫實驗報告）都非常多，為了保證實驗過程的質量，教師對每位同學的每個環節進行具體指導并進行過程評價，及時發現問題并糾正，大大提高了教學效果。

四、結語

材料力學性能實驗課作為課程重要組成部分，必須得到足夠的重視。本文針對傳統材料力學性能單純演示實驗存在的問題，在教學模式上提出了模塊化教學體系和階梯型實驗，旨在培養學生的實際動手能力和創新實踐能力，在考核方式上，建立全面的考評細則，科學評價學習情況，激發學生主動學習的興趣。材料力學性能基礎實驗課的實踐表明，改革后的實驗教學方式受到了廣大同學的好評，實實在在地提升了教學效果。同時，也為其他類似實驗課程的改革提供了新的思路。

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