材料力學機械性實驗教學的改革與探索

王小玉 ，薛娜，楊英

（河南城建學院 土木與交通工程學院，河南平頂山 467036）

材料力學實驗是材料力學的重要組成部分，是課堂教學不可或缺的專業基礎實踐性教學環節。通過實驗教學，可以實現學生對課堂知識的鞏固、補充和提高，訓練學生進行科學實驗和獨立工作的能力，培養學生嚴肅認真的科學態度和嚴謹的工作作風，加深對材料受力特性、力學性能等的直觀理解。同時，通過實驗可掌握必要的實驗基本功及對實驗數據的整理和分析能力，培養學生的組織協調和創新能力，為學生今后進一步的學習、研究打下堅實的基礎。

1 機械實驗教學中存在的問題

1.1 大班授課，學生參與度不高

目前開設材料力學機械性能實驗的有土木工程、地下空間工程、勘查技術與工程等共計17個專業。由于機械實驗屬于破壞性實驗，實驗操作過程中存在一定的不安全性，需有實驗指導教師在側，以應對突發狀況，但實驗指導教師數量及試件預算有限，不能使每名學生單獨進行實驗，所以在機械實驗過程中學生以大班進行實驗。這個過程中就會存在一部分學生參與度不高，達不到培養學生動手能力的目的。

1.2 師生對實驗教學重視程度有待提升

本校材料力學的實驗教學屬于課內實驗，穿插在理論授課過程中，實驗指導教師主要由理論授課教師擔任，部分教師僅把實驗作為課內理論知識的驗證手段，缺乏對實驗的正確認識[1]，導致學生對實驗同樣不重視，實驗課未能實現提高學生綜合分析問題能力的目標。

1.3 實驗考核體系不完善

以往實驗教學中教師只依據學生上交的實驗報告對學生在實驗環節的表現進行考核，并將其作為《材料力學》課程平時考核的一部分，而實驗考核只占平時考核的一小部分，且該考核方式忽略了學生在實驗過程中的實際動手能力，無法充分反映學生在實驗環節的真正表現，無法有效調動學生參與實驗的主動性和積極性，難以為學生學習能力和知識水平的提高提供保障[2]。

1.4 實驗前預習不充分

實驗前要求學生對實驗指導書進行預習并完成預習報告，學生通常簡單抄寫實驗指導書作為預習報告上交，并未真正做到對實驗內容進行充分預習。導致學生來到實驗室之后，依舊不清楚實驗流程及實驗具體操作，這就需要指導教師花費大量時間講解實驗步驟及實驗操作，或者直接帶著學生完成整個實驗過程，不利于學生各項實踐能力的培養。

1.5 學生缺少獨立思考的時間和空間

傳統的實驗教學模式為，在有限的時間內，指導教師講解實驗原理、操作步驟等，學生完成實驗前數據測量、實驗過程操作、實驗后數據測量等。整個實驗過程步驟多，連貫性強，需要學生完成的任務也較多。通常只有一小部分學生在整個過程中思路是清晰的，大部分學生并不清楚每一步的作用，也不清楚接下來該做什么。最后，大部分學生在教師和一小部分學生的帶領下完成了整個實驗。這樣的授課模式，使大部分學生在實驗過程中對指導教師的依賴程度過高，缺少獨立思考的空間和時間，導致學生缺乏獨立性，失去學習主動性及創新性。

2 實驗教學進行的改革

2.1 改進傳統實驗教學分組方法，做到人人動手

工程教育專業認證提出了以學生為中心的核心理念，強調教學中體現學生的主體地位，充分調動教師和學生在教學過程中兩方面的積極性，不僅有利于學生提高學習興趣與動機、加強學習時間與精力投入，更有利于學業滿意度的提升。在此前提下，要求教學設計聚焦學生能力培養。目前，根據實驗室設備臺套數以及實驗指導教師數量，按照15-20人的小班進行實驗授課，3-4人/組進行分組，做到人人參與、人人動手，鍛煉學生動手能力、提高學生學習主體自主學習和獨立思考的自覺意識，激發學生自身的潛能和創造力。

2.2 完善考核方式，提高學生主動性

依據實驗報告完成質量對學生實驗環節掌握情況進行考核，會使學生對實驗環節缺乏學習主動性，不利于教師了解學生在實驗環節的動手能力及學習情況，對學生提升動手能力和學業水平也極為不利[2]。因此，材料力學機械實驗教學改革應完善考核方式，提高學生主動性。主要針對學生預習情況、實驗操作過程、實驗后數據處理能力及綜合分析能力進行考核。

根據學生在“學在城建”教學平臺上完成任務情況、實驗預習報告完成質量及隨機提問情況對學生預習情況打分。實驗室提前做好實驗卡片，見圖1，指導教師根據學生參與實驗情況、對實驗基本操作流程的熟悉程度、操作的規范性及獨立性對每名學生實驗過程進行打分。實驗結束后，根據學生上交的實驗報告，見圖2，對學生實驗數據處理能力及實驗分析能力進行打分。以上三部分按照一定比例進行折算，即為學生實驗成績。此方法較傳統考核方法更加合理、客觀、多元化。

圖1 實驗卡片

圖2 實驗報告部分內容展示

2.3 借助虛擬仿真軟件，增加學習趣味性

虛擬仿真實驗是一種利用互聯網、虛擬現實等信息技術，通過構建虛擬實驗場景、實驗內容、操作對象，以及靈活多樣的交互環節，使學生可以不受時空限制進行在線實驗的一種全新的教學手段和教學方式[3]。虛擬仿真技術為學生提供了多樣化的學習方式，增加了學習趣味性，引導學生自主學習，為材料力學機械實驗教學改革提供了重要方向。

本校力學虛擬仿真實驗室開設有“基于互聯網的金屬材料單軸拉伸實驗、單軸壓縮、金屬材料扭轉”3個基礎力學三維仿真實驗項目，如圖3所示。學生可通過虛擬仿真實訓軟件反復練習操作過程，觀看實驗現象及實驗數據，對實驗過程進行充分預習，并有充分時間進行相關思考。

圖3 材料力學虛擬仿真軟件

2.4 構建“互聯網＋”師生交流平臺

材料力學機械實驗教學改革順應網絡時代發展趨勢，發揮當代大學生對互聯網高度依賴的特征，以現代信息技術為載體，為學生碎片化的學習提供條件，使學生獲取知識的途徑更加方便快捷[4]。具體措施如下：

在“學在城建”網絡教學平臺上建立課程門戶，見圖4，提前將實驗指導書、實驗操作視頻按照任務點的形式上傳到此網絡教學平臺，見圖5。學生在實驗前通過移動客戶端對實驗原理、實驗設備操作及實驗步驟進行預習，學生到實驗室之后就不需要指導教師把大量的時間花在講解實驗原理和實驗操作上，為學生騰出更多動手操作和分析思考時間。

圖4 建立網絡教學平臺課程門戶

圖5 網絡平臺實驗操作視頻

3 未來機械實驗探索

3.1 增加創新性實驗

一直以來，材料力學機械實驗開設的實驗項目比較固定，主要包括金屬材料拉伸、壓縮、扭轉以及等增量法測金屬材料的彈性模量，開設的實驗教學項目偏于基礎與常規[5]。學生按照準備好的試件，設計好的加載方式進行實驗加載及實驗操作，即可得到預定結果，該模式可以培養學生基礎實驗能力，但缺少獨立思考空間。今后要在機械實驗部分增設創新性實驗，實驗室每年根據計劃購買創新性實驗所需要的試件，學生可根據實驗室現有設備、試件等，結合所學理論知識，自己設計實驗目的和實驗步驟，完成實驗過程，激發學生的自主探索能力。

3.2 提高實驗課教學地位

目前，材料力學課程將實驗授課穿插于理論授課過程中，此方法雖然便于知識點講解，但是弱化了實驗課地位。此種授課方法使實驗課成為驗證理論知識的手段，并不能起到培養學生素質、提升學生能力的作用。今后希望能夠將實驗授課從理論授課中獨立出來，作為單獨的一門課程進行教學，提高學生對實驗課的重視程度。

3.3 建立專業的實驗教學授課團隊

專業的實驗教學隊伍是進行實驗教學的強有力支撐，直接影響實驗教學水平和教學效果，很多院校已經意識到專業團隊的重要性，配備了獨立的實驗教學團隊[6]。實驗教學人員要不斷學習理論知識，拓展實驗授課方法，把新的教學模式、教學方法、教學理念等應用到實驗授課中，提升實驗授課水平和效果。

4 結語

實驗教學是培養創新人才的必由之路，是高校辦學水平和辦學特色的重要標志，是學校核心競爭力的重要體現。實驗教學是培養學生理論聯系實際、提高學生實踐能力和創新能力的重要環節[7]。因此，深化實驗教學改革，充分發揮實驗教學重要作用，直接關系著高校的教學質量和發展。