吳 菁，劉 燕

(海軍工程大學(xué) 理學(xué)院，武漢 430033)

基于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的《工程力學(xué)》實驗教學(xué)實踐

吳 菁，劉 燕

(海軍工程大學(xué) 理學(xué)院，武漢 430033)

針對傳統(tǒng)工程力學(xué)實驗教學(xué)中存在的問題，結(jié)合實驗教學(xué)實踐，對該實驗課程的教學(xué)模式和教學(xué)方法進(jìn)行改革與創(chuàng)新的探索。同時，為了加強(qiáng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，構(gòu)建了“理論_實驗_實踐”的實驗教學(xué)內(nèi)容和體系。

工程力學(xué)；實驗；研究性教學(xué)；創(chuàng)新人才培養(yǎng)

《高等教育法》明確規(guī)定：“高等教育的任務(wù)是培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的高級專門人才?！鼻敖逃块L周濟(jì)也曾強(qiáng)調(diào)：“深化改革，提高質(zhì)量，必須堅持以培養(yǎng)創(chuàng)新性人才為重點”[1_2]。提高學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力是時代的要求，也是提高教學(xué)質(zhì)量的重點和難點。《工程力學(xué)》實驗教學(xué)是緊密聯(lián)系實際，培養(yǎng)學(xué)生掌握科學(xué)方法和提高動手能力的有效平臺，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和實踐能力的重要環(huán)節(jié)?！豆こ塘W(xué)》實驗作為《工程力學(xué)》課程的重要組成部分，在培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)識工程現(xiàn)象和分析工程問題的能力方面有著不可替代的作用。它能全面提高學(xué)生綜合素質(zhì)，有助于其他后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。

1 傳統(tǒng)工程力學(xué)實驗教學(xué)現(xiàn)狀

《工程力學(xué)》兼具基礎(chǔ)學(xué)科和應(yīng)用學(xué)科的雙重特點，《工程力學(xué)》實驗課程必須重視理論聯(lián)系實際。它對培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)，幫助學(xué)生建立工程概念起著重要的作用。但傳統(tǒng)實驗教學(xué)觀念比較封閉和單一，力學(xué)實驗仍是以驗證性實驗為主，實驗教學(xué)的重心也是放在加深相關(guān)理論課知識點的理解上。其現(xiàn)狀特點主要表現(xiàn)在：(1)在實驗課程設(shè)置上，重理論輕實踐?！豆こ塘W(xué)》實驗課程完全依附于理論課程，實驗多為驗證性實驗，缺乏激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造力的設(shè)計性和綜合性課題實驗;(2)在教材內(nèi)容上，對實驗內(nèi)容、實驗步驟描寫過細(xì)，學(xué)生按部就班地按照實驗指導(dǎo)書操作，寫出實驗報告就算完成了實驗任務(wù)。雖然學(xué)生參與了實驗課程，但卻處于被動學(xué)習(xí)狀態(tài);(3)在實驗教學(xué)上，教師過分強(qiáng)調(diào)對理論知識的復(fù)習(xí)和鞏固，片面地重視實驗操作技能的訓(xùn)練，學(xué)生只是單一模仿;(4)在實驗教學(xué)效果上，學(xué)生極少進(jìn)一步思考已學(xué)實驗，實驗課程沒有充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，甚至阻礙了學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

如何在現(xiàn)有實驗室的空間和資源條件下，充分調(diào)動和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，進(jìn)一步提高學(xué)生實際動手的操作技能，從根本上變學(xué)生被動學(xué)習(xí)為主動求知，培養(yǎng)學(xué)生獨立發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，成為亟待解決的問題。在現(xiàn)代高等教育思想的引導(dǎo)下，我們嘗試將創(chuàng)新性教育融入到《工程力學(xué)》實驗課程的教學(xué)過程中，使學(xué)生的力學(xué)綜合素質(zhì)得到提高。

2 由教向?qū)W的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變是創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)

深入挖掘新的生動形象的實驗教學(xué)內(nèi)容，融入日常生活中工程力學(xué)知識的運用以及工程力學(xué)所要解決的工程問題。使學(xué)生對課程有新鮮感，一定程度上產(chǎn)生工程責(zé)任感，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動他們的自覺性和主動性，使得學(xué)生變“要我學(xué)習(xí)”為“我要學(xué)習(xí)”。

1)通過列舉一些司空見慣的生活現(xiàn)象，如用廢棄的PVC管演示壓桿失穩(wěn);用扭轉(zhuǎn)粉筆觀察斷口樣貌，來解釋脆性材料扭轉(zhuǎn)破壞原因等。我們身邊處處都有力學(xué)問題，這些問題中均包含著一定的力學(xué)原理，并在《工程力學(xué)》實驗中充分體現(xiàn)。

實例1：在進(jìn)行金屬材料拉伸實驗課前，在課堂上首先拿出一袋常見小零食問學(xué)生，為什么這些食品包裝袋的外邊緣做成鋸齒形或者有個小缺口呢？同時將啞鈴狀拉伸試件作為類比，提出試樣的過渡區(qū)為何設(shè)計成圓弧狀呢？以此加深學(xué)生對拉伸實驗中試件外形設(shè)計應(yīng)考慮應(yīng)力集中問題的認(rèn)識。

實例2：《三國演義》中，由于赤兔馬被馬忠設(shè)下的“絆馬索”絆倒，使關(guān)羽為漢蜀事業(yè)忠義千古的故事。就這一故事問學(xué)生：馬匹是否有可能沖斷絆馬索，逃出敵人設(shè)下的陷阱呢？緊接著再進(jìn)行沖擊實驗的學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)衡量構(gòu)件抗沖擊能力的抗沖擊韌度的測量方法。如此可將沖擊問題形象化，將抗沖擊韌度概念具體化。舉這些實例的關(guān)鍵在于教師平時的積累。有了這些鮮活的實例，學(xué)生的興趣自然會提高，求知欲望自然會更迫切。

2)結(jié)合重大工程事故，說明《工程力學(xué)》課程的實際意義及重要性，同時可培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，喚起學(xué)生的責(zé)任意識和質(zhì)量意識。

事故1：1912年4月10日，“泰坦尼克號”這一當(dāng)時世界上最大的超豪華客輪，在它的首航撞上冰山，造成了和平時期最大的航海事故。這一事故的原因是什么呢？究其原因是設(shè)計者沒有考慮到溫度對金屬材料力學(xué)性能的影響。拋磚引玉地讓學(xué)生明確溫度對材料的力學(xué)性能的影響，理解試驗環(huán)境對工程力學(xué)實驗的影響，樹立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒炗^念。

事故2：1907年加拿大548 m長的魁北克大橋倒塌，事故原因就是由于施工時兩根壓桿的失穩(wěn)引起的。如何通過實驗測得壓桿的臨界力呢？此時，學(xué)生迫切地希望有效快速地測量桿件的臨界力。這不正是“我要學(xué)習(xí)”嗎？通過這些慘痛的工程事故，學(xué)生會切實感受到他們不僅僅是在做實驗，而是在從事著關(guān)乎工程安全的大事，進(jìn)而明確進(jìn)行《工程力學(xué)》實驗的重大意義。

3 研究性教學(xué)方法是創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的關(guān)鍵

研究性教學(xué)是注重培養(yǎng)人才創(chuàng)新精神和創(chuàng)造能力的一種全新的教學(xué)方式。它是知識傳授與探索相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生求知欲和創(chuàng)造性的教學(xué)方法。在這樣的教學(xué)方法下，學(xué)生是知識加工消化的主體，教師只是建構(gòu)知識體系的幫助者。學(xué)生面對問題必須結(jié)合所學(xué)知識，搜集信息、獲取資料，融合在一起后主動思考，在教師的協(xié)助下解決問題。針對《工程力學(xué)》實驗課探究性、自主性和開放性的特點，完全可以將研究型教學(xué)方法運用到《工程力學(xué)》實驗課上，自覺地將創(chuàng)新教育寓于教學(xué)過程中[3_5]。

3.1 與時俱進(jìn)，更新授課內(nèi)容

根據(jù)學(xué)生所學(xué)專業(yè)等實際情況，教師應(yīng)密切關(guān)注《工程力學(xué)》實驗課程、《理論力學(xué)》課程、《材料力學(xué)》課程及相關(guān)專業(yè)課程的國內(nèi)外學(xué)術(shù)研究動態(tài)，及時更新授課內(nèi)容。教師應(yīng)從學(xué)科的理論高度把握講授課程的內(nèi)容。深入淺出地結(jié)合《工程力學(xué)》實驗課程講解前沿知識的產(chǎn)生背景、研究方法和存在問題等，激發(fā)學(xué)生追求真理、崇尚科學(xué)、勇于探索的熱情。筆者就曾在學(xué)生完成金屬材料(鑄鐵和低碳鋼)拉伸實驗后，介紹新型智能材料——炭黑水泥基復(fù)合材料。目前國內(nèi)外研究進(jìn)展表明該材料具有力電效應(yīng)，即該材料電阻變化與受力之間存在聯(lián)系，且現(xiàn)象明顯，但該材料力場與電場間有怎樣的關(guān)系還未明確。

基于此，筆者指導(dǎo)學(xué)生利用現(xiàn)有的實驗儀器(電子萬能試驗機(jī))和所學(xué)的實驗方法，測量該新材料(炭黑水泥基復(fù)合材料)的彈性模量、泊松比等力學(xué)性能，其實驗成果將為后續(xù)研究力場_電場本構(gòu)關(guān)系提供基本的材料性能參數(shù)。研究性教學(xué)不僅鞏固了《工程力學(xué)》實驗的基礎(chǔ)知識，還讓學(xué)生體驗到學(xué)科前沿觸手可及，增強(qiáng)了求知主動性。

3.2 依托網(wǎng)絡(luò)，組織小課題研究

積極利用現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)教學(xué)手段，開展多種形式的課外交流學(xué)習(xí)。網(wǎng)絡(luò)使得教師與學(xué)生之間，學(xué)生與學(xué)生之間沒有了時間和空間的限制，大家可以在網(wǎng)絡(luò)這個無限的平臺上，共同探索和研究。目前，筆者已完成的基于校園網(wǎng)的“工程力學(xué)實驗教學(xué)系統(tǒng)”就是這樣一個平臺。這一系統(tǒng)除了基礎(chǔ)實驗課程的在線安排實施外，專門為研究型教學(xué)開發(fā)了一個板塊，該板塊共包含討論區(qū)、專題區(qū)和成果區(qū)(教學(xué)實施流程簡圖如圖1所示)。(1)根據(jù)所學(xué)基本實驗和當(dāng)前最熱門問題，大家可以在網(wǎng)絡(luò)討論區(qū)暢所欲言。(2)教師根據(jù)討論區(qū)內(nèi)容結(jié)合課程實際和自身科研方向，精選出具有代表性的話題放入專題區(qū)，成立小型課題組。管理員將各課題組指導(dǎo)教師信息、研究方法及內(nèi)容放入專題區(qū)。學(xué)生根據(jù)興趣自由分組，登錄到系統(tǒng)專題區(qū)，成為專題區(qū)內(nèi)某一課題中的一員。(3)各指導(dǎo)教師指導(dǎo)本組學(xué)生查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，研討問題，明確階段性任務(wù)，制定實驗方案，著手實驗，最后給出自己的評價觀點。各組指導(dǎo)教師期末將各組研究的結(jié)論在成果區(qū)展示。這些成果包括專利成果、學(xué)術(shù)論文、競賽獲獎甚至是學(xué)生的心得體會等。這樣真正實現(xiàn)研究性教學(xué)，提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效益。

圖1 教學(xué)實施流程簡圖

筆者就測量炭黑水泥基復(fù)合材料電阻變化實驗曾成立了一個專題興趣組。課題小組由五名學(xué)生自發(fā)組成。教師將當(dāng)前國內(nèi)外研究進(jìn)展在網(wǎng)上提供給學(xué)生，讓組員每人擬定一種實驗方案。對比分析幾種實驗方案的優(yōu)劣后，選定一個最優(yōu)方案著手實驗。最后在師生配合下，學(xué)生自己動手得到了完美的力——電阻變化曲線，并最后將規(guī)律結(jié)論成文發(fā)表。這一實驗是金屬材料拉伸實驗的延伸與推廣，又是電測實驗和力測實驗的融合，更是學(xué)生創(chuàng)新能力激發(fā)與培養(yǎng)的嘗試，可謂達(dá)到了多贏的效果。

4 “理論_實驗_實踐”的教學(xué)內(nèi)容是創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的核心

傳統(tǒng)實驗課實驗內(nèi)容單調(diào)，從實驗儀器設(shè)備的準(zhǔn)備到實驗步驟的制定等各方面均是教師進(jìn)行，缺乏學(xué)生的參與。而學(xué)生的創(chuàng)新思維和能力在實驗課中特別是在實踐環(huán)節(jié)內(nèi)可以得到較大提升。為此可以將《工程力學(xué)》實驗分為理論課輔助、基礎(chǔ)實驗和實踐創(chuàng)新三個階段。通過理論課輔助階段提高學(xué)生動手能力，利用基礎(chǔ)實驗階段實現(xiàn)學(xué)生綜合應(yīng)用能力的培養(yǎng)，通過社會實踐、科研訓(xùn)練和實驗競賽使學(xué)生獲得創(chuàng)新思維的訓(xùn)練和提升[6_7]。

1)理論課輔助階段。伴隨理論課的學(xué)習(xí)，開展以力學(xué)基本量的測量與實驗儀器使用為核心內(nèi)容的實驗課。如金屬材料拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)實驗和材料剪切彈性模量G測定等。其目的在于加深學(xué)生對理論概念的理解，了解如電子拉壓試驗機(jī)和電子扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)等基本的實驗儀器的使用方法，掌握基本的力學(xué)試驗方法。

2)基礎(chǔ)實驗階段。該階段實驗包括如光彈實驗、電測實驗(純彎曲梁正應(yīng)力測定)等實驗，目的在于熟練掌握如靜態(tài)電阻應(yīng)變儀等儀器設(shè)備的使用。學(xué)生在課前預(yù)習(xí)的基礎(chǔ)上，按實驗指導(dǎo)書步驟，熟悉基本的分析問題和解決問題方法，完成實驗內(nèi)容。在該階段，學(xué)生所學(xué)不再僅僅拘泥于課本或?qū)嶒炇业慕虒W(xué)設(shè)備，為參與簡單的實際工程測量(如管道應(yīng)力測試等)奠定基礎(chǔ)。

3)實踐創(chuàng)新階段。該階段的教學(xué)內(nèi)容包括組建各類課題組和參與力學(xué)實驗競賽。如學(xué)生根據(jù)興趣參與小型課題組，將前兩個階段所學(xué)知識融入到實踐中，探究和解決新問題。教師可在學(xué)生中選拔出理論知識扎實、動手能力強(qiáng)且有極大熱情的學(xué)生參與每年的各類力學(xué)競賽。

5 結(jié)束語

創(chuàng)新性教育應(yīng)一點一滴地滲透到《工程力學(xué)》實驗教學(xué)實踐中。教師在傳授不斷更新的知識內(nèi)容的同時，激發(fā)學(xué)生獨立思考和創(chuàng)新意識，重視培養(yǎng)學(xué)生收集處理信息的能力、獲取新知識的能力、分析和解決問題的能力、語言文字表達(dá)能力以及團(tuán)結(jié)協(xié)作和社會活動的能力。

[1]周濟(jì).實施“質(zhì)量工程”貫徹“2號文件”全面提高高等教育質(zhì)量[J].中國大學(xué)教學(xué)，2007(3)：4_8.

[2]吳樹青.深化高等教育改革增強(qiáng)創(chuàng)新能力促進(jìn)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)[J].清華大學(xué)教育研究，2007(10)：1_7.

[3]范欽珊，陳件平.研究型大學(xué)需要研究型教學(xué)[J].中國大學(xué)教學(xué)，2009(11)：8_10.

[4]劉亮成，許秀英，劉健.研究型教學(xué)的探討與嘗試[J].實驗室研究與探索，2011，30(10)：293_295.

[5]劉小蘭.研究型教學(xué)對于創(chuàng)新人才培養(yǎng)的價值[J].黑龍江教育：高等教育與評估，2007(Z1)：101_102.

[6]陳鋒，吳明暉，顏暉.影響應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)討論[J].中國大學(xué)教育，2011(5)：23_25.

[7]王穎.高校實踐教學(xué)與創(chuàng)新人才培養(yǎng)探討[J].新技術(shù)，2007(2)：72_74.

Teaching Practice of Engineering Mechanics EXperiment Based on the Cultivation of Innovation Talents

WU Jing，LIU Yan
(College of Arts and Science，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China)

This paper analyzes the existing problems in the traditional engineering mechanics experiment.Based on teaching practice，we explored the reform and innovation of experimental instruction from the perspective ofmodel and approaches.Meanwhile，a new experiment course content and the system，which is〝theory-experiment-practice〝，is constructed in order to cultivate the practical and innovative ability of students.

engineeringmechanics;experiment;research teaching;creative students training

G40_012；G642.42

A

10.3969/j.issn.1672_4550.2014.01.052

2012_07_11

吳 菁（1981_），女，碩士研究生，講師，研究方向：復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)。