吳蒙蒙 楊少紅 吳菁

摘? 要：實(shí)驗(yàn)教學(xué)是工程力學(xué)課程的重要組成部分，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量一直是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的焦點(diǎn)，分析現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的不足，將問題式教學(xué)法引入工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，通過提問的方式達(dá)到預(yù)習(xí)回顧及復(fù)習(xí)的目的。問題式教學(xué)法是一種對邏輯要求較高的教學(xué)法，能充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，引導(dǎo)學(xué)生準(zhǔn)確高效地完成實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)生對其認(rèn)可度很高。以金屬材料拉伸實(shí)驗(yàn)為例，詳細(xì)敘述了問題式教學(xué)法在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)施過程。問題式教學(xué)法在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用顯著提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果和學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。

關(guān)鍵字：工程力學(xué)? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)? 教學(xué)改革? 問題式教學(xué)法

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）01（a）-0000-04

Abstract： Experimental teaching is an important part of the course of engineering mechanics. Improve the quality of experimental teaching has always been the focus of experimental teaching reform. For the deficiencies of the existing experimental teaching methods， the problem-based teaching method will be introduced into the engineering mechanics experiment teaching process. Problem-based teaching method requires higher logical thinking， which can promote the initiative of the students. It is recognized by students highly. Taking metal tensile test as an example， the implementation process of problem-based teaching method in experimental teaching is described in detail. The application of problem-based teaching method in experimental teaching has significantly improved the effect of experimental teaching and the initiative of students.

Key Words： Engineering mechanics; Experiment teaching; Teaching reform; Problem-based teaching method

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)大學(xué)生工程技術(shù)能力和實(shí)踐動手能力的重要途徑，實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程更加重視對學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，是工程力學(xué)教學(xué)過程中的重要環(huán)節(jié)，其中實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段和教學(xué)實(shí)施過程，對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果都將產(chǎn)生重要影響。工程力學(xué)作為理工類專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課程，是學(xué)生今后學(xué)習(xí)專業(yè)知識的必備基石，且課程具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用性，是解決工程實(shí)際問題的重要基礎(chǔ)[1]。工程力學(xué)是以工程實(shí)踐為主的學(xué)科，工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)與實(shí)踐對培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新精神及探索欲望有很好的促進(jìn)作用，使學(xué)生初步掌握科學(xué)的研究方法及科研思維能力。擁有良好的實(shí)驗(yàn)技能對學(xué)生未來的工作學(xué)習(xí)起著很好的鋪墊作用，因?qū)嶒?yàn)教學(xué)更貼近實(shí)際工程，問題也最直接，因此有著比理論教學(xué)更好的人才培養(yǎng)效果[2-4]。因此，如何進(jìn)一步改進(jìn)工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，不斷提升人才培養(yǎng)素質(zhì)，一直是工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與改革的焦點(diǎn)問題。

1? 工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的背景

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用主要是驗(yàn)證理論知識，培養(yǎng)學(xué)生的探究、思索及動手能力，要求學(xué)生在掌握相應(yīng)理論知識的同時，還需具有與本專業(yè)相關(guān)的工程實(shí)踐操作能力[1]。而軍校實(shí)驗(yàn)教學(xué)是在軍隊院校這個特殊的環(huán)境下進(jìn)行的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，目的是提高軍校學(xué)員的綜合素質(zhì)[5]。目前各專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程較普遍應(yīng)用的教學(xué)方式為“教師講授+演示+學(xué)生實(shí)驗(yàn)”的模式，整個實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中都是老師主導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，忽略學(xué)生的主觀能動性，學(xué)生只能在老師的組織指導(dǎo)下，小組合作，按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的操作步驟按圖索驥地進(jìn)行操作，進(jìn)而驗(yàn)證相應(yīng)的理論知識，填寫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整個實(shí)驗(yàn)操縱下來，對實(shí)驗(yàn)的基本原理及設(shè)計思路缺乏認(rèn)識，導(dǎo)致學(xué)生做實(shí)驗(yàn)只為了完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，拿到相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)成績，至于實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理學(xué)生一概不知也不關(guān)心，只記得試樣在受力過程中被拉伸至斷裂這一現(xiàn)象，而對實(shí)驗(yàn)整個過程的注意事項視而不見，比如實(shí)驗(yàn)對試樣、溫度、應(yīng)變速率的要求，各種實(shí)驗(yàn)條件選擇不當(dāng)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響等，同時，實(shí)驗(yàn)報告抄襲現(xiàn)象嚴(yán)重，這也導(dǎo)致學(xué)生的動手能力、應(yīng)用所學(xué)知識的能力嚴(yán)重不足[6]。這樣的教學(xué)方式直接導(dǎo)致學(xué)生上完實(shí)驗(yàn)課后，僅能夠在基礎(chǔ)知識和試驗(yàn)基本操作方面有所了解，難以在能力培養(yǎng)和分析創(chuàng)造能力上有所進(jìn)步。這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式極大地抹殺了學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的創(chuàng)新性和批判性思維，打擊了學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)興趣。而且目前開設(shè)的工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)項目仍然是集中于對常規(guī)材料力學(xué)特性的研究和驗(yàn)證，沒有結(jié)合各專業(yè)特點(diǎn)有針對性地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計，實(shí)驗(yàn)缺少探究性與應(yīng)用性，致使學(xué)生普遍對實(shí)驗(yàn)課的重視程度不足，沒有充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)課程開設(shè)的教學(xué)與實(shí)踐意義[7-8]。針對上述問題，本文以我校工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程為例，將問題式教學(xué)法引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，從而達(dá)到提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的目的。

2? 問題式教學(xué)法

問題式教學(xué)中問題的提出可以用“3W1H”縮寫來描述，3W1H問題式教學(xué)法是北大青鳥集團(tuán)軟件培訓(xùn)團(tuán)隊在多年教學(xué)實(shí)踐中總結(jié)出來的一個非常有效且實(shí)用的教學(xué)方法[9-12]。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，第一個“W”指What，即學(xué)生要清楚要做什么實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是什么，實(shí)驗(yàn)原理是什么，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖鞘裁?，這樣才能在操作實(shí)驗(yàn)過程中有的放矢。第二個“W”指Why，即學(xué)生要清楚為什么做這個實(shí)驗(yàn)，為什么這樣做，由此培養(yǎng)學(xué)生的辯證思維，從而培養(yǎng)學(xué)生舉一反三的能力。第三個“W”指Where，即學(xué)生要清楚這個實(shí)驗(yàn)在什么樣的設(shè)備上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果將會應(yīng)用在什么地方，達(dá)到知其然并知其所以然的目的。最后一個“H”指How，即學(xué)生要清楚如何做這個實(shí)驗(yàn)，遇到問題如何解決以及實(shí)驗(yàn)過程中有哪些注意事項，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立解決問題的能力。3W1H教學(xué)法清晰地將實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行模塊劃分，學(xué)生通過提前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，并在實(shí)驗(yàn)前通過回答上述“3W1H”的問題，達(dá)到對整個實(shí)驗(yàn)的邏輯結(jié)構(gòu)有個明確的認(rèn)識，實(shí)際做起實(shí)驗(yàn)也就更加得心應(yīng)手，對實(shí)驗(yàn)過程出現(xiàn)的現(xiàn)象及實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠進(jìn)行合理解釋。因此，相比較傳統(tǒng)的“講+演+做”教學(xué)模式，3W1H教學(xué)法更能充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，使學(xué)生對實(shí)驗(yàn)思路更加清晰，做實(shí)驗(yàn)過程更加自信從容，更能加深學(xué)生對工程力學(xué)理論知識的認(rèn)識，在教學(xué)上達(dá)到理論指導(dǎo)實(shí)踐，實(shí)踐加深理論認(rèn)識的目的。

3? 3W1H問題式教學(xué)法在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)過程是一種特殊的區(qū)別于理論課程的教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，它對學(xué)生的動手能力要求比較高，整個實(shí)驗(yàn)過程希望學(xué)生能夠獨(dú)立完成，因此更加有助于培養(yǎng)學(xué)生的主觀能動性。本文以工程力學(xué)中經(jīng)典實(shí)驗(yàn)“金屬材料拉伸實(shí)驗(yàn)”為例，詳細(xì)地闡述3W1H問題式教學(xué)法在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用過程。

3.1 “What”階段的實(shí)施

這是發(fā)現(xiàn)問題階段。實(shí)驗(yàn)開始前，學(xué)生通過提前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，了解金屬材料拉伸實(shí)驗(yàn)所用的材料是什么，試樣的標(biāo)準(zhǔn)是什么、實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容是什么，實(shí)驗(yàn)的原理是什么，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖鞘裁吹龋M(jìn)而對整個拉伸實(shí)驗(yàn)有個初步了解。拉伸實(shí)驗(yàn)是材料力學(xué)性能測試實(shí)驗(yàn)中最基本、最易操作的實(shí)驗(yàn)，通過拉伸實(shí)驗(yàn)可以得到材料的屈服極限和強(qiáng)度極限，進(jìn)而得到材料的許用極限，建立材料的強(qiáng)度條件，解決材料強(qiáng)度問題。實(shí)驗(yàn)對典型塑性材料低碳鋼和典型的脆性材料鑄鐵的標(biāo)準(zhǔn)試樣在常溫、緩慢加載的情況通過電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，試樣在拉力的作用下會發(fā)生變形，每一個力都對應(yīng)一個變形值，這些數(shù)值通過電子萬能試驗(yàn)機(jī)的力傳感器和位移傳感器，再經(jīng)由放大裝置，從而繪制出試樣在拉伸過程中的力-變形曲線（或應(yīng)變曲線）。不同的材料在拉伸時展現(xiàn)出的力學(xué)性能不同，通過分析材料拉伸時的曲線，得到材料的彈性模量E、屈服極限、強(qiáng)度極限等材料力學(xué)性能參數(shù)，并觀察塑性材料和脆性材料拉伸時不同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，了解材料不同的破壞機(jī)理。同時老師對學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)講述時，也要對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行有延展性的拓展，例如這個實(shí)驗(yàn)的起源是什么，物理意義是什么，這個實(shí)驗(yàn)的結(jié)果會應(yīng)用在什么問題中，解決什么問題等等，從而增加了實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性和趣味性，使學(xué)生對實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生敬畏之心，從而更加重視整個實(shí)驗(yàn)過程。

3.2 “Why”階段的實(shí)施

學(xué)生回答完“What”后，已經(jīng)對實(shí)驗(yàn)過程了然于心，但在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，希望學(xué)生能夠全方位多角度地了解實(shí)驗(yàn)，從而學(xué)生也將對實(shí)驗(yàn)過程提出一些疑問，因此接下來就要進(jìn)入“Why”階段了，即提出問題階段。不同的材料力學(xué)性能一般不同，我們?yōu)槭裁粗贿x用兩種金屬材料，實(shí)驗(yàn)過程為什么要緩慢加載，為什么試樣在拉伸過程中低碳鋼會出現(xiàn)滑移線而鑄鐵不會出現(xiàn)，為什么低碳鋼拉伸時的曲線在頸縮階段會出現(xiàn)下降，能否直接通過直接得到材料斷裂時的延伸率等。這些問題是學(xué)生從了解實(shí)驗(yàn)到掌握實(shí)驗(yàn)的重要過渡，此時老師應(yīng)該循序漸進(jìn)地引導(dǎo)學(xué)生自己去找到答案。即雖然金屬材料的種類不勝枚舉，但是總可以將其歸為塑性材料或脆性材料，每一類材料在拉伸過程中所展現(xiàn)的力學(xué)性能相似，因此只需要取其中典型的材料來類比得到其他材料的力學(xué)性能，而低碳鋼和鑄鐵分別作為作為典型的塑性材料和脆性材料，不僅因其力學(xué)現(xiàn)象直觀，而且材料便宜易得，因此被廣泛應(yīng)用。而緩慢加載目的是要保證實(shí)驗(yàn)是在靜載荷作用下進(jìn)行的。拉伸時曲線中對應(yīng)的應(yīng)力是指的名義應(yīng)力，即通過試樣實(shí)際受力除以試樣的原始面積得到的應(yīng)力，因?yàn)轭i縮階段試樣實(shí)際面積減小，所以拉斷試樣所需的力就減小，所以名義應(yīng)力減小，但是試樣在頸縮階段的實(shí)際應(yīng)力是不斷增加的，這些都是老師要向?qū)W生講明白的。

3.3 “Where”階段的實(shí)施

回答完“What”和“Why” 問題以后，學(xué)生對金屬材料拉伸實(shí)驗(yàn)的理論知識已經(jīng)掌握，接下來就要開始動手實(shí)驗(yàn)了，此時學(xué)生首先要指導(dǎo)本次實(shí)驗(yàn)在什么設(shè)備上進(jìn)行，即在哪里進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所用試樣是按照國家統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)制定的標(biāo)準(zhǔn)圓試樣，實(shí)驗(yàn)所用的設(shè)備是新三思電子萬能試驗(yàn)機(jī)，如圖1所示，該試驗(yàn)機(jī)由上下兩部分組成，上半部分為進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)部分，下半部分為壓縮試驗(yàn)部分，學(xué)生一定要清楚。將試樣按照實(shí)驗(yàn)步驟夾持在試驗(yàn)機(jī)的拉伸部分的上下夾頭處開始實(shí)驗(yàn)，此時學(xué)生不需要做任何操作，只需觀察整個拉伸過程中試樣的變化現(xiàn)象，電子萬能試驗(yàn)機(jī)通過自身力傳感器和位移傳感器自動記錄材料在拉伸過程中的力和位移的數(shù)值，并繪制出相應(yīng)的曲線，簡單易操作[13-14]。

3.4 “How”階段的實(shí)施

“3W”階段實(shí)施完成后，下面就要進(jìn)入具體實(shí)驗(yàn)操作階段，即“How”階段：如何正確進(jìn)行金屬材料拉伸實(shí)驗(yàn)，最終完成實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

首先，測量試樣數(shù)據(jù)

分上、中、下三處測量低碳鋼和鑄鐵試樣的原始直徑d0;測量試件中間均勻部分的標(biāo)距長度L0。

再次，安裝試件

先裝上夾頭，再裝下夾頭。

然后，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，開始實(shí)驗(yàn)

觀察實(shí)驗(yàn)過程中試樣的變化及拉伸過程中的曲線的變化。

最后，實(shí)驗(yàn)結(jié)束，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制曲線，計算材料的屈服極限、強(qiáng)度極限、彈性模量E、延伸率δ、斷面收縮率Ψ等力學(xué)參數(shù)，并解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，關(guān)閉實(shí)驗(yàn)機(jī)。

為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確有效，實(shí)驗(yàn)操作過程一定要按照上述順序進(jìn)行。

4? 3W1H問題式教學(xué)法的應(yīng)用體會

應(yīng)用3W1H問題式教學(xué)法進(jìn)行工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時，教師要引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題（What）、提出問題（Why）和解決問題（How），適當(dāng)延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，將實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c工程實(shí)際相結(jié)合，從而激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的欲望，培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)的信心，并鼓勵學(xué)生大膽解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，這是學(xué)生獲得成就感的絕佳機(jī)會。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的就是提高學(xué)生動手實(shí)踐能力，3W1H教學(xué)法解決了傳統(tǒng)教學(xué)法的“重理論、輕技能”問題，激發(fā)學(xué)生去主動思考與實(shí)踐，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)用性。

5? 結(jié)語

3W1H問題式教學(xué)法為學(xué)生提供了實(shí)驗(yàn)操作過程中一套嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S邏輯，學(xué)生沿著3W1H步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和操作，不僅能更準(zhǔn)確高效地完成實(shí)驗(yàn)，更能加深對理論知識的理解，達(dá)到事半功倍的目的，3W1H問題式教學(xué)法在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中是一種有效的教學(xué)方法。

為了進(jìn)一步提高工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對人才培養(yǎng)的作用，未來的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革還可以從以下兩個方面進(jìn)行。

（1） 加實(shí)驗(yàn)項目的廣度，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)際工程問題聯(lián)系起來，進(jìn)而充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的興趣。

（2） 增加實(shí)驗(yàn)項目的深度，培養(yǎng)學(xué)生分析問題解決問題的能力和創(chuàng)新能力。

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