張應(yīng)紅，孫永厚，景 暉，李銳鋒，黃 偉

（桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”是高校工程教育改革的一項(xiàng)重大舉措，對全面提高工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量具有十分重要的作用［1－3］。我校機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)是教育部批準(zhǔn)的第二批“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”試點(diǎn)專業(yè)，其培養(yǎng)方案提出“培養(yǎng)具有從事工程技術(shù)工作所需的工程科學(xué)技術(shù)知識以及一定的人文和社會(huì)科學(xué)知識，掌握扎實(shí)的工程基礎(chǔ)知識和本專業(yè)的基本理論知識，擁有解決工程技術(shù)問題的操作技能，了解本專業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，掌握選用適當(dāng)?shù)睦碚摵蛯?shí)踐方法解決工程實(shí)際問題的能力，并具有產(chǎn)品和工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)與管理經(jīng)驗(yàn)，具備良好溝通與交流能力，具有職業(yè)道德和責(zé)任心、較高工程素養(yǎng)和工程創(chuàng)新能力的高層次工程技術(shù)人才”的培養(yǎng)目標(biāo)，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)正是培養(yǎng)學(xué)生具有這些能力的主要教學(xué)環(huán)節(jié)之一［4－6］。

1 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

材料力學(xué)是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的重要基礎(chǔ)必修課程之一，也是結(jié)構(gòu)力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、工程有限元分析和機(jī)械振動(dòng)等課程的基礎(chǔ)，其特點(diǎn)是理論性強(qiáng)，又與工程實(shí)際緊密聯(lián)系［7］。目前我校的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)包括碳鋼與鑄鐵的拉伸、壓縮實(shí)驗(yàn)，彎曲正應(yīng)力測量，等強(qiáng)度梁的測定，彈性模量的測定，彎扭組合測量薄壁圓筒的主應(yīng)力與剪應(yīng)力等5個(gè)實(shí)驗(yàn)，共10學(xué)時(shí)。這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和目前國內(nèi)大多數(shù)高校的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基本一樣，實(shí)驗(yàn)方法呆板、教學(xué)手段單一、考核方式陳舊、實(shí)驗(yàn)開設(shè)與工程實(shí)踐應(yīng)用存在較大差距，不利于發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造能力，不能滿足“卓越計(jì)劃”對學(xué)生工程能力培養(yǎng)的要求。因此，針對“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”的培養(yǎng)目標(biāo)改革材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有重要意義。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探索與實(shí)踐

為了提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，探索適合于“卓越計(jì)劃”培養(yǎng)目標(biāo)要求的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、方法、手段和考核方式等新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，在原有的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上加入具有工程應(yīng)用背景和實(shí)用性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，對學(xué)生進(jìn)行全方位、多層次的訓(xùn)練，提高實(shí)驗(yàn)技能和動(dòng)手能力，加深對基本理論和基本概念的理解和掌握，將所學(xué)知識用于解決工程實(shí)際問題，在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，從而提升工程素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。

2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容改革

目前我校的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)都是國內(nèi)普遍采用的比較經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)，因此對于原有教學(xué)模式下的理論教學(xué)具有一定促進(jìn)作用，但是卻不能滿足“卓越計(jì)劃”的培養(yǎng)目標(biāo)。只有通過課程改革，才能匯聚成卓越班學(xué)生所需的“貼近工程、貼近實(shí)際”的知識體系，才能實(shí)現(xiàn)“卓越工程師 ”的培養(yǎng)目標(biāo)［8］。為此，我們對現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行改進(jìn)，并增設(shè)了部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，下面以彈性模量測量實(shí)驗(yàn)和測力傳感器的設(shè)計(jì)與制作實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行簡單的介紹。

2.1.1 彈性模量測量實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

在單向應(yīng)力狀態(tài)下測量應(yīng)力、應(yīng)變，是材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本內(nèi)容之一。原來的測量方法是教師在板狀試件上貼好電阻應(yīng)變片，然后學(xué)生按要求設(shè)計(jì)不同的應(yīng)變電橋橋路來完成彈性模量及橫向變形系數(shù)的測量。

原有的實(shí)驗(yàn)具有一定的綜合性、設(shè)計(jì)性，但是缺乏工程應(yīng)用的背景，不利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造激情。為此，我們引入曾經(jīng)為某橡膠機(jī)械廠所做的一個(gè)應(yīng)力應(yīng)變測試項(xiàng)目［9］。該項(xiàng)目是為188全鋼巨胎液壓成型機(jī)進(jìn)行應(yīng)力測試。該機(jī)在硫化過程中需要較大的壓力，結(jié)構(gòu)上采用12根鋼柱來進(jìn)行鎖模。在生產(chǎn)過程中由于12根鋼柱受力不一致，導(dǎo)致受力較大的鋼柱斷裂。每根鋼柱的成本在10萬元以上，因此給公司帶來巨大的損失。公司經(jīng)過很長時(shí)間的調(diào)試都未能解決12根鋼柱受力平衡的問題。后來該公司找到我們，我們通過測量12根鋼柱的應(yīng)力應(yīng)變來調(diào)整鋼柱頂部鎖緊螺母的方法，成功解決了安裝過程中鎖模柱的力平衡問題。圖1為現(xiàn)場測試圖，圖2為鎖模接口。

圖1 成型機(jī)現(xiàn)場測試圖

圖2 成型機(jī)鎖模柱

由于該項(xiàng)目中的鎖模柱是單向受力，因此將其引入彈性模量測試具有可行性。于是我們根據(jù)硫化機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理設(shè)計(jì)了一個(gè)簡化模型及實(shí)驗(yàn)裝置。模型用6根鋼柱模擬鎖模柱，通過螺旋裝置給上模施加載荷，使6根鋼柱處于單向拉力狀態(tài)，然后讓學(xué)生通過測量每根鎖模柱的應(yīng)力應(yīng)變來調(diào)整鎖緊螺母，讓每根鋼柱受力平衡，并選擇鋼柱上所貼的應(yīng)變片進(jìn)行組橋，測量鋼柱的彈性模量及橫向變形系數(shù)。

2.1.2 測力傳感器的設(shè)計(jì)與制作實(shí)驗(yàn)

很多的物理量都與應(yīng)力－應(yīng)變密切相關(guān)，目前應(yīng)變式傳感器普遍用于測量力、重力、壓力、加速度、位移、硬度、扭矩、蠕變等，而應(yīng)變式測力傳感器是日常生活和工業(yè)中應(yīng)用最為普遍和典型的傳感器之一。將測力傳感器設(shè)計(jì)與制作引入材料實(shí)驗(yàn)，對學(xué)生掌握電測應(yīng)力的具體應(yīng)用、增強(qiáng)理論基礎(chǔ)知識、培養(yǎng)創(chuàng)新能力有很好的作用。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程包括資料查閱、傳感器設(shè)計(jì)計(jì)算、有限元分析、彈性體加工、應(yīng)變片粘貼和防護(hù)、傳感器標(biāo)定和實(shí)際測量，均由學(xué)生自行完成。最后，學(xué)生撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告并通過答辯介紹自己的設(shè)計(jì)思路和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖3為學(xué)生用有限元分析軟件建立的傳感器模型，圖4為學(xué)生制作的幾種傳感器彈性體實(shí)物圖。

圖3 傳感器模型

圖4 傳感器彈性體實(shí)物圖

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)過程中，采用以問題為導(dǎo)向的教學(xué)方法［10］，編寫具有針對性訓(xùn)練的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中去除了詳盡的實(shí)驗(yàn)步驟，只給出實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)要求、應(yīng)用背景、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及其使用說明，說明實(shí)驗(yàn)過程中需要注意的事項(xiàng)，以提出問題的方式引導(dǎo)學(xué)生通過回答問題逐步深入實(shí)驗(yàn)。列出解決這些問題需要查閱的參考資料，讓學(xué)生通過查閱資料、觀看網(wǎng)絡(luò)課件、視頻資料及相互交流來解決問題。實(shí)驗(yàn)過程中以學(xué)生獨(dú)立分析、自主操作為主，以教師指導(dǎo)為輔，強(qiáng)調(diào)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程的自主化和個(gè)性化。鼓勵(lì)優(yōu)秀學(xué)生提出獨(dú)創(chuàng)性的力學(xué)測試問題，教師和學(xué)生合作，進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和完成測試過程，得到一些創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.3 實(shí)驗(yàn)手段

一方面，為了提高力學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，實(shí)驗(yàn)過程中充分利用多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)、視頻等現(xiàn)代化教學(xué)手段，建立力學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)網(wǎng)站［11－12］，將課件、動(dòng)畫、視頻、仿真軟件等資料上傳到網(wǎng)站，學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)提前預(yù)習(xí)，遇到問題可以在網(wǎng)上留言，通過論壇、QQ群等進(jìn)行交流。另一方面，由于力學(xué)傳感器實(shí)驗(yàn)所涉及的內(nèi)容較多，工作量較大，需要學(xué)生花大量的時(shí)間和精力才能很好地完成，因此實(shí)驗(yàn)采取分批次分散進(jìn)行的方法。實(shí)驗(yàn)室在一段時(shí)間內(nèi)全天候開放，學(xué)生可以充分利用中午、晚上等課余時(shí)間進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，給學(xué)生比較寬松的時(shí)間和環(huán)境，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，將實(shí)驗(yàn)做得更好，收獲更大。

2.4 實(shí)驗(yàn)考核方式的改革

實(shí)驗(yàn)考核是評價(jià)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)基本原理和實(shí)驗(yàn)操作技能掌握程度的重要手段，正確的評價(jià)方法可以檢測學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和客觀的評價(jià)教學(xué)效果，同時(shí)也會(huì)對學(xué)生的學(xué)習(xí)導(dǎo)向產(chǎn)生一定的影響［13］。在力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們既要注意對考試結(jié)果進(jìn)行科學(xué)的評價(jià)，同時(shí)也要重視對學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的過程進(jìn)行評價(jià)［14］。學(xué)生每次實(shí)驗(yàn)的成績由考勤、實(shí)驗(yàn)態(tài)度、動(dòng)手能力、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等內(nèi)容構(gòu)成。

我們將實(shí)驗(yàn)總評成績分為平時(shí)成績和考核成績2個(gè)部分：平時(shí)成績根據(jù)5個(gè)實(shí)驗(yàn)的難度和綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的加權(quán)系數(shù)計(jì)算出來，占實(shí)驗(yàn)總成績的60%；考核成績根據(jù)考核實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告、儀器操作、創(chuàng)新性、答辯情況等內(nèi)容進(jìn)行加權(quán)求和得出，實(shí)驗(yàn)考核占總成績的40%。此外，為了提高學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性，給一些有惰性的學(xué)生制造一定的壓力，將實(shí)驗(yàn)成績作為整個(gè)課程成績的30%，如果實(shí)驗(yàn)成績不及格，則理論課成績無論考多少分，總評成績都不及格。

通過一系列的改革，學(xué)生普遍認(rèn)為實(shí)驗(yàn)對他們的能力和素質(zhì)的提升有很大幫助。

3 結(jié)束語

力學(xué)問題在工程技術(shù)和生產(chǎn)生活領(lǐng)域應(yīng)用相當(dāng)普遍，材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革是“卓越工程師”背景下實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)的新探索，著重培養(yǎng)學(xué)生在掌握豐富的理論知識的同時(shí)能夠靈活運(yùn)用所學(xué)知識去解決工程實(shí)際問題。通過改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法與教學(xué)手段、考核方法等內(nèi)容，在豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的同時(shí)提高教學(xué)質(zhì)量，對于培養(yǎng)高素質(zhì)的工程技術(shù)人才具有重要意義。

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