宋鹍　楊璐　丁軍　王偉

摘 要 文章分析了傳統(tǒng)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在的問題與原因，并以現(xiàn)代建構(gòu)主義教學(xué)觀為指導(dǎo)進(jìn)行了面向工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的教學(xué)改革，通過情景教學(xué)、鼓勵(lì)討論、標(biāo)準(zhǔn)學(xué)習(xí)等方法切實(shí)培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神和工程實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn) 建構(gòu)主義 工程能力培養(yǎng) 教學(xué)模式改革

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2017.09.057

Exploration and Practice of Experimental Teaching Model of

Mechanical Properties of Materials for Engineering Practice Ability

SONG Kun[1]， YANG Lu[2]， DING Jun[1]， WANG Wei[1]

（[1] College of Mechanical Engineering， Chongqing University of Technology， Chongqing 400050；

[2] School of Network Education， Chongqing University， Chongqing 400044）

Abstract This paper analyzes the existing problems and the reasons of the traditional experimental teaching model of mechanics of materials， and the modern teaching theory of constructivism and the teaching reform for the training of engineering practice ability as the guidance， through situational teaching， encourage discussion， learning methods and standards of cultivating students' innovative spirit and practical ability.

Keywords： experiment of material mechanics； constructivism； engineering ability training； teaching mode reform

Keywords experiment of material mechanics； constructivism； engineering ability training； reform of teaching mode

0 引言

隨著我國(guó)“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)”發(fā)展戰(zhàn)略的提出，以及高等學(xué)校教學(xué)改革的不斷深化，實(shí)驗(yàn)教學(xué)越來越受到重視，“實(shí)驗(yàn)教學(xué)不應(yīng)該是理論教學(xué)的附庸，而是高等院校教育教學(xué)過程的重要組成部分，是創(chuàng)新教育、能力教育最為重要的基礎(chǔ)?！苯逃吭凇笆晃濉币?guī)劃“質(zhì)量工程”實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心項(xiàng)目建設(shè)中，明確提出“樹立以學(xué)生為本，知識(shí)、能力、素質(zhì)全面協(xié)調(diào)發(fā)展的教育理念和以能力培養(yǎng)為核心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)觀念”。因此，重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院實(shí)踐教學(xué)及技能培訓(xùn)中心作為學(xué)校工科類學(xué)生重要的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，在實(shí)驗(yàn)室硬件建設(shè)、獨(dú)立開放的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系及運(yùn)行模式、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)、實(shí)驗(yàn)教材建設(shè)等方面均取得了可喜的進(jìn)步。這些措施從制度上有效提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的地位，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的豐富也對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力起到了積極作用。

在具體教學(xué)的過程中我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于某些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，特別是材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)所包含的：拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、彈性模量與剪變模量測(cè)量等實(shí)驗(yàn)，盡管我們強(qiáng)調(diào)了該類實(shí)驗(yàn)在工程實(shí)踐中的重要性，也鼓勵(lì)學(xué)生多動(dòng)手，但難以取得滿意的教學(xué)效果。為此，我們對(duì)原有材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式進(jìn)行了認(rèn)真分析和探索性改革，取得了較好的效果。

1 面向工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)教學(xué)要切實(shí)達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和工程實(shí)踐能力的教學(xué)目標(biāo)，不管是教師和學(xué)生都必須真正地從思想上承認(rèn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的獨(dú)立地位和重要性，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)合適的教學(xué)方式激勵(lì)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，引導(dǎo)學(xué)生通過對(duì)實(shí)驗(yàn)各個(gè)環(huán)節(jié)的觀察和分析總結(jié)建立屬于自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系，培養(yǎng)學(xué)生“實(shí)踐先于理論”的唯物主義世界觀。

現(xiàn)代建構(gòu)主義源于皮亞杰和維果茨基關(guān)于兒童認(rèn)知發(fā)展的理論，是認(rèn)知主義的進(jìn)一步發(fā)展?，F(xiàn)代建構(gòu)主義者主張，世界是客觀存在的，但是對(duì)于世界的理解和賦予意義卻是由每個(gè)人自己決定的。每個(gè)人都是以自己的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)來建構(gòu)或者解釋現(xiàn)實(shí)，其經(jīng)驗(yàn)世界是自己的頭腦創(chuàng)建的，由于各人的經(jīng)驗(yàn)以及對(duì)經(jīng)驗(yàn)的信念不同，對(duì)外部世界的理解便有所不同。學(xué)習(xí)不是由教師把知識(shí)簡(jiǎn)單地傳遞給學(xué)生，而是由學(xué)生自己建構(gòu)知識(shí)的過程。學(xué)生不是簡(jiǎn)單被動(dòng)地接收信息，而是主動(dòng)地建構(gòu)知識(shí)的意義，這種建構(gòu)是無法由他人來代替的。建構(gòu)主義者更加關(guān)注學(xué)習(xí)者如何以原有的經(jīng)驗(yàn)、心理結(jié)構(gòu)和信念為基礎(chǔ)來建構(gòu)知識(shí)，更加強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的主觀性、社會(huì)性和情景性。

基于前述建構(gòu)主義的基本觀點(diǎn)，現(xiàn)代建構(gòu)主義教學(xué)觀認(rèn)為：教師的角色是學(xué)生建構(gòu)知識(shí)的忠實(shí)支持者以及學(xué)生建構(gòu)知識(shí)的積極幫助者和引導(dǎo)者，學(xué)生的角色是教學(xué)活動(dòng)的積極參與者和知識(shí)的積極建構(gòu)者，簡(jiǎn)而言之，即以“學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)”，強(qiáng)調(diào)教師應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)并利用情境、協(xié)作、會(huì)話等學(xué)習(xí)環(huán)境要素充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，最終達(dá)到使學(xué)生有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前所學(xué)知識(shí)的意義建構(gòu)的目的?？梢?，現(xiàn)代建構(gòu)主義教學(xué)觀與實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)當(dāng)承擔(dān)的角色是相當(dāng)吻合的，其理論完全可以指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐，為此，我們基于現(xiàn)代建構(gòu)主義的教學(xué)觀對(duì)材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了如下改革和實(shí)踐。endprint

1.1 采用情景教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)者變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)者

建構(gòu)主義認(rèn)為，學(xué)習(xí)者的知識(shí)是在一定的情境下，借助他人的幫助，如人與人之間的協(xié)作、交流、利用必要的信息等，通過意義的建構(gòu)而獲得的，所以在教學(xué)設(shè)計(jì)中，創(chuàng)設(shè)有利于學(xué)習(xí)者建構(gòu)意義的情境是最重要的環(huán)節(jié)。以“低碳鋼、鑄鐵的拉伸、壓縮”實(shí)驗(yàn)為例，我們?cè)诮虒W(xué)過程中不再提“觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、測(cè)量材料的強(qiáng)度或者塑性指標(biāo)”之類的空泛的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，而是給出具體的工程案例，引導(dǎo)學(xué)生思考解決。比如圖1和圖2所示，弧齒錐齒輪冷擠壓校形模具凹模圖片以及模芯縱向破裂失效的圖片，要求學(xué)生思考并回答“模芯破裂的原因是什么”、“如果你是模具設(shè)計(jì)者需要知道什么條件”、“為什么凹模要設(shè)計(jì)成組合凹模的形式”、“如何解決模芯縱向破裂失效”等問題。這些問題并不一次性給出，而是在實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行的各個(gè)階段作為啟發(fā)性的問題提出來，讓學(xué)生通過思考這些問題來建構(gòu)知識(shí)，亦即獲得工程經(jīng)驗(yàn)。比如前兩個(gè)問題是在實(shí)驗(yàn)操作前提出的，善于思考的同學(xué)都能回答出模芯破裂的原因是在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行冷擠壓校形的過程中模芯內(nèi)壁承受的周向拉應(yīng)力超過了模芯材料的抗拉強(qiáng)度極限，因此在設(shè)計(jì)凹模的時(shí)候必須清楚模芯材料抗拉強(qiáng)度極限的具體數(shù)值，保證模芯在工作狀態(tài)下內(nèi)壁承受的周向拉應(yīng)力不會(huì)超過該數(shù)值。盡管第二個(gè)問題學(xué)生回答的并不完整，但教師并不直接指出，留待學(xué)生在后面通過思考得到正確答案。在接下來完成低碳鋼和鑄鐵拉伸、壓縮破壞性實(shí)驗(yàn)的過程中，雖然過程比較單調(diào)，但學(xué)生心中帶有問題，對(duì)于實(shí)驗(yàn)過程中材料的表現(xiàn)就會(huì)觀察得比較仔細(xì)。實(shí)驗(yàn)完成后，教師會(huì)讓學(xué)生觀察材料拉伸和壓縮試樣的斷口，引導(dǎo)他們利用《材料力學(xué)》課程的知識(shí)點(diǎn)分析原因，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和斷口形成原因總結(jié)出低碳鋼和鑄鐵的力學(xué)性能。在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生會(huì)總結(jié)出“類似于低碳鋼的含碳量較低的材料比較軟，塑性好，抗拉能力要好于類似于鑄鐵的含碳量較高的材料”，“類似于鑄鐵的含碳量較高的材料比較硬，塑性差，其抗壓能力要好于抗拉能力”等結(jié)論。這里出現(xiàn)了一個(gè)矛盾，模芯由于需要控制產(chǎn)品精度且必須具備很好的耐磨性因而含碳量很高，但卻用于受拉的場(chǎng)合，應(yīng)該怎么處理？如果學(xué)生回答不了，此時(shí)教師就會(huì)提出“為什么凹模要設(shè)計(jì)成組合凹模的形式”的問題，并且提示中圈和外圈采用的是比模芯材料軟的45號(hào)鋼。一般情況下，學(xué)生通過討論和分析就會(huì)明白，采用組合凹模可利用過盈配合使模芯產(chǎn)生壓應(yīng)力以部分或全部地抵消工作時(shí)模芯內(nèi)壁的周向拉應(yīng)力。如果模芯與應(yīng)力圈之間的過盈量不夠，預(yù)應(yīng)力就不足以抵消周向拉應(yīng)力，容易導(dǎo)致模芯的縱向破裂，但過盈量太大，不僅會(huì)造成裝配的困難，還可能壓破模芯或者撐破中圈、外圈。所以我們?cè)谠撃＞呓M合凹模的設(shè)計(jì)過程中不僅需要知道模芯的抗拉強(qiáng)度，還要知道其抗壓強(qiáng)度，當(dāng)然，其余兩層預(yù)應(yīng)力圈的相應(yīng)力學(xué)性能指標(biāo)也是我們?cè)O(shè)計(jì)過程中必需的數(shù)據(jù)。

通過這樣類似的情景設(shè)計(jì)，在教學(xué)過程中，教師始終不直接給出答案，一直以引導(dǎo)的方式鼓勵(lì)學(xué)生思考問題，學(xué)生的主觀能動(dòng)性得到了很好的調(diào)動(dòng)，獲得了很好的工程體驗(yàn)，并且了解了材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)在工程實(shí)踐中的重要作用，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的目的。

圖1 弧齒錐齒輪冷擠壓組合凹模實(shí)物圖

圖2 模芯縱向開裂失效實(shí)物圖

1.2 鼓勵(lì)學(xué)生與教師，學(xué)生與學(xué)生之間的交流、討論

現(xiàn)代建構(gòu)主義教學(xué)理論認(rèn)為，討論是一種群體協(xié)作學(xué)習(xí)模式，討論的結(jié)果有可能使原來確定的、與當(dāng)前所學(xué)概念有關(guān)的屬性增加或減少，各種屬性的排列次序也可能有所調(diào)整，并使原來多種意見相互矛盾、且態(tài)度紛呈的復(fù)雜局面逐漸變得明朗、一致起來。在共享集體思維成果的基礎(chǔ)上達(dá)到對(duì)當(dāng)前所學(xué)概念比較全面、正確的理解，即最終完成對(duì)所學(xué)知識(shí)的意義建構(gòu)。如上述案例關(guān)于“如何解決模芯材料含碳量高抗拉性能差與使用在受拉場(chǎng)合的矛盾”的問題，不是學(xué)生個(gè)體立刻就能得到答案的，需要留給他們思考和討論的時(shí)間，教學(xué)實(shí)踐證明，討論的效果是很好的，有時(shí)不經(jīng)教師提示，學(xué)生也能自行分析得到正確結(jié)論。

1.3 在教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生重視標(biāo)準(zhǔn)

標(biāo)準(zhǔn)是為了在一定范圍內(nèi)獲得最佳秩序，經(jīng)協(xié)商一致制定并由公認(rèn)機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)，共同使用的和重復(fù)使用的一種規(guī)范性文件。它以是科學(xué)、技術(shù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，是工程技術(shù)領(lǐng)域的法規(guī)，是相關(guān)領(lǐng)域人們進(jìn)行技術(shù)活動(dòng)的準(zhǔn)則和依據(jù)。作為工科學(xué)生，將來無論是從事科研工作還是走上生產(chǎn)崗位，都離不開標(biāo)準(zhǔn)，因此，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)教學(xué)過程引入標(biāo)準(zhǔn)學(xué)習(xí)，使學(xué)生提早接觸和了解這種行業(yè)法規(guī)。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)過程中，會(huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容布置學(xué)生去查找相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，引導(dǎo)學(xué)生閱讀相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文件，比如金屬材料的室溫拉伸實(shí)驗(yàn)方法（GB/T228—2002）、金屬材料夏比擺錘缺口沖擊實(shí)驗(yàn)方法（GB/T229—2007）、金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌性實(shí)驗(yàn)方法（GB/4161—84）等，讓學(xué)生明白我們的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作是有據(jù)可依的，從而培養(yǎng)學(xué)生的工程規(guī)范意識(shí)。

1.4 引導(dǎo)學(xué)生注意細(xì)節(jié)并思考現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)方式的缺點(diǎn)

注意細(xì)節(jié)是一種很重要的工程素質(zhì)，它不僅僅出于實(shí)驗(yàn)安全的考慮，更重要的是只有注意細(xì)節(jié)才能有新發(fā)現(xiàn)，才能找到實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論知識(shí)存在差異的原因。仍以“低碳鋼、鑄鐵的拉伸、壓縮”實(shí)驗(yàn)為例，我們?cè)谧鐾觇T鐵的壓縮實(shí)驗(yàn)后，有細(xì)心的同學(xué)經(jīng)過觀察就會(huì)提出一個(gè)問題：為什么斷口斜面角度不是45度？學(xué)生經(jīng)過討論和分析后就會(huì)明白這是由于壓盤和試樣上下端面在試樣壓縮變形的過程中存在摩擦力，（下轉(zhuǎn)第159頁）（上接第124頁）從而使試樣的受力不再是單向壓應(yīng)力狀態(tài)，因而斷口角度發(fā)生變化。他們會(huì)發(fā)現(xiàn)，壓縮實(shí)驗(yàn)與拉伸實(shí)驗(yàn)相比就沒那么“純粹”了，并且會(huì)思考“有沒有辦法讓試樣僅僅受壓”這樣的問題?？梢姡粋€(gè)細(xì)節(jié)就能大大拓寬學(xué)生的思路，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和能力是十分有利的。

2 結(jié)語

教學(xué)實(shí)踐證明，我們基于現(xiàn)代建構(gòu)主義教學(xué)理論，面向工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐是成功的，在教學(xué)過程中，大部分學(xué)生能保持很好的主動(dòng)性，通過對(duì)工程案例的分析和思考，學(xué)生以工程實(shí)踐為導(dǎo)向的思維得到了很好的訓(xùn)練，培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新精神和工程規(guī)范意識(shí)，同時(shí)也讓他們認(rèn)識(shí)到了自身知識(shí)結(jié)構(gòu)的不足，從而為進(jìn)一步的學(xué)習(xí)帶來了動(dòng)力，同學(xué)們普遍反映上材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)課是有收獲的。當(dāng)然，這樣的教學(xué)改進(jìn)實(shí)際上是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的擴(kuò)充和提高，一方面對(duì)教師提出了更高的要求，教師必須積極參與科研，不斷提高自身的業(yè)務(wù)水平才能更好地設(shè)計(jì)情景，同時(shí)，教師還應(yīng)重視相關(guān)教育理論的學(xué)習(xí)并關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)心理，以更好地引導(dǎo)學(xué)生，激發(fā)其主觀能動(dòng)性；另一方面，改進(jìn)后的教學(xué)模式勢(shì)必拉長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)過程，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)時(shí)間很難滿足需要，如何更好地適應(yīng)現(xiàn)有教學(xué)體制是我們需要進(jìn)一步探索的內(nèi)容。

重慶市高等教育教學(xué)改革研究重大項(xiàng)目：機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展新形勢(shì)下機(jī)械電子工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的改革與實(shí)踐（151015）；

重慶市教育評(píng)估研究會(huì)研究項(xiàng)目：以行業(yè)需求為導(dǎo)向的機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)部質(zhì)量保障體系研究（PJY2015-53）；

重慶理工大學(xué)教學(xué)改革研究項(xiàng)目：“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心”建設(shè)背景下機(jī)械工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)的研究與實(shí)踐（2014YB05）

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