趙 辛

(遼寧工業(yè)大學 土木建筑工程學院,遼寧 錦州 121001)

0 引 言

實驗教學在培養(yǎng)學生的綜合實踐能力和設(shè)計創(chuàng)新能力方面,有著不可或缺的作用。實驗環(huán)節(jié)的鍛煉,可以使學生加深對所學理論的理解,培養(yǎng)其實踐操作能力,激發(fā)其對未知領(lǐng)域的探索興趣[1]。隨著國家對高校培養(yǎng)人才的實踐應(yīng)用能力和科學研究能力要求的不斷提高,材料力學實驗課作為工科基礎(chǔ)實驗的重要性不斷增強。近期遼寧工業(yè)大學材料力學實驗室在教學中對原有授課方式、實驗內(nèi)容、考核體系進行了改革,以適應(yīng)高校人才培養(yǎng)的新要求[2],逐步形成了以驗證性實驗為基礎(chǔ),綜合性、設(shè)計性實驗為學生能力提升有益補充的分層次實驗教學體系[3]。隨著實驗教學進程的不斷深入,教師逐步提高實驗難度,在實際教學中取得了較好的實驗教學效果。

1 材料力學實驗改革的意義

材料力學實驗課與理論課是相互印證、互為支撐的關(guān)系。在整個教學活動中,理論課為實驗課提供實驗原理依據(jù),而實驗現(xiàn)象、實驗結(jié)果能驗證理論知識點的正確性,培養(yǎng)“學生實踐出真知”的學習研究態(tài)度[4]。實驗課是學生走出理論,走向?qū)嵺`的第一步,不僅培養(yǎng)了學生的實操能力,更能增加學生對所學專業(yè)的興趣和專業(yè)自信心,為畢業(yè)后從事專業(yè)工作夯實基礎(chǔ)。通過材料力學實驗課的鍛煉,加深了學生對于不同材料力學性能的認知水平,培養(yǎng)了實驗操作能力和綜合分析能力,更有助于其設(shè)計創(chuàng)新意識的形成。材料力學實驗的分層次教學改革應(yīng)實現(xiàn)以下目標:1)提升實驗講解部分的教學效果,增強學生的實驗操作能力;2)培養(yǎng)學生綜合運用所學理論解決復(fù)雜問題的能力,使學生對不同的知識點做到融會貫通;3)根據(jù)不同專業(yè)的學生特點,提出設(shè)計方向,指導(dǎo)學生完成設(shè)計性實驗;4)形成由驗證性實驗、綜合性試驗、設(shè)計性實驗等不同類型實驗組成的分層次材料力學實驗教學體系[5]。

2 材料力學實驗存在的問題

以往的材料力學實驗教學中存在著重理論、輕操作,重驗證、缺綜合思考,重模仿,缺創(chuàng)新設(shè)計等問題[6],具體如下:

1)授課方式不利于學生對實驗內(nèi)容的學習。在實驗中,學生只是在設(shè)備前圍著教師,聽其講授實驗原理和設(shè)備操作方法。這樣的授課方式只有前排的部分學生能夠聽清看懂,后邊學生的學習效果很差,往往只能自學實驗指導(dǎo)書上的內(nèi)容,不敢操作實驗設(shè)備[7]。整個實驗過程多數(shù)學生還處于懵懵懂懂的狀態(tài)中,教學效果很不好。

2)實驗類型單一。實驗類型多以驗證性為主,只進行拉伸與壓縮實驗、彎曲實驗、扭轉(zhuǎn)實驗。這種單一驗證性實驗不能將多種理論知識點有機地串聯(lián)起來,不利于學生對所學內(nèi)容的融會貫通,限制了解決綜合問題能力的培養(yǎng)。在實驗中學生完全處于被動的接收狀態(tài),阻礙了實驗探索思維的形成,不利于培養(yǎng)學生的實驗興趣和實踐創(chuàng)新能力。

3)實驗內(nèi)容缺乏專業(yè)特點。各個專業(yè)學生的實驗內(nèi)容相同,與行業(yè)特點結(jié)合不緊密,使學生在實驗過程中缺乏興趣。

4)實驗室利用率低。實驗時間以班級為單位,過于死板,多數(shù)時間里實驗設(shè)備閑置[8]。

5)考核方式制約了學生創(chuàng)造力的培養(yǎng)?，F(xiàn)有的考核方式只涵蓋學生的出勤情況和實驗報告分數(shù),且各個實驗項目成績占總成績的比重相同。這樣的考核方式缺乏對實驗操作能力的評定,也阻礙了學生綜合實驗?zāi)芰蛣?chuàng)新設(shè)計能力的培養(yǎng)。

3 材料力學實驗教學方式改革

針對“圍著設(shè)備講實驗原理”的授課方式和教學效果不理想的問題,實驗室采取多媒體教學,對原有的授課方式進行改進[9]。實驗課時,教師利用投影儀播放PPT現(xiàn)場講解實驗知識,講授實驗設(shè)備相關(guān)知識時,通過播放錄制的實驗設(shè)備操作講解視頻,使所有參與實驗的同學都能聽清、看懂老師講授的內(nèi)容,顯著提高了實驗效率和實驗教學效果[10-11]。

4 材料力學實驗教學內(nèi)容改革

遼寧工業(yè)大學原有的材料力學實驗課多為驗證性實驗。具體實驗項目為拉伸與壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)3個驗證性實驗。這類實驗只是為了驗證理論課的單一知識點,要求學生學懂實驗?zāi)康?、原理、步驟,掌握設(shè)備的操作方法。通過實驗測得數(shù)據(jù),計算得出實驗結(jié)果,并把此結(jié)果與理論課的經(jīng)典結(jié)論相比較,來驗證理論課單一知識點的正確性,加深學生對材料力學性能特定知識點的認識,加強對相關(guān)理論的理解[12]。

高等教育要緊跟社會各行業(yè)的發(fā)展,原有的材料力學實驗內(nèi)容已不符合培養(yǎng)應(yīng)用創(chuàng)新型人才的社會發(fā)展需要。實驗室根據(jù)高校培養(yǎng)高素質(zhì)本科人才的新要求,對原有的材料力學實驗教學內(nèi)容進行了由易到難的分層次教學改革,即在豐富已有驗證性實驗的基礎(chǔ)上,根據(jù)各專業(yè)特色新增了綜合性、設(shè)計性實驗項目,以此增強學生運用多領(lǐng)域知識解決綜合問題的能力,培養(yǎng)學生設(shè)計創(chuàng)新性的實驗思維[13]。具體的改革實施內(nèi)容如下。

4.1 豐富原有的驗證性實驗的實驗內(nèi)容

例如原有的拉伸實驗,只是對低碳鋼(圖1)和鑄鐵2種金屬材料進行受拉狀態(tài)下的力學性能研究,改革后的拉伸實驗,增設(shè)了金屬和非金屬(陶瓷和低碳鋼)焊接面的強度研究實驗(圖2)。從單一性狀的金屬力學性能研究擴展到了金屬和非金屬不同性狀結(jié)合面的力學性能研究,豐富了實驗內(nèi)容,開闊了學生視野。

圖1 低碳鋼拉伸實驗Fig.1 Tensile test of low carbon steel

圖2 陶瓷焊縫拉伸實驗Fig.2 Tensile test of ceramic weld

4.2 增設(shè)綜合性實驗

為培養(yǎng)學生解決多領(lǐng)域復(fù)合問題的能力,使其對不同的知識點做到融會貫通,增設(shè)了綜合性實驗。例如把原有的彎曲、扭轉(zhuǎn)2個獨立的驗證性實驗合并為一個彎扭組合變形實驗,進而研究構(gòu)件在彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形同時發(fā)生時,即在二向應(yīng)力狀態(tài)下的綜合力學性能。通過設(shè)立綜合性實驗,顯著提高了學生利用所學的多個知識點解決復(fù)雜性、綜合性力學問題的能力。

4.3 結(jié)合專業(yè)特點增加設(shè)計性實驗

本著開放性實驗的態(tài)度,各專業(yè)學生基于材料力學實驗室的實驗條件,在所學專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)自主選題,通過論證依據(jù)、制定實施方案、實驗成本分析等進行實驗可行性論述來向?qū)嶒灲處熒暾垖嶒烅椖?經(jīng)教師認可后方可進行正式實驗。在實驗的各個節(jié)點定期向教師匯報實驗進展情況,教師也要在實驗中為學生提供足夠的實驗引導(dǎo),以保證學生的正常實驗進度,實驗完成后要提交實驗報告[14]。例如根據(jù)土木專業(yè)的專業(yè)特點,學生自主選題完成了鋼筋混凝土的彈性模量測算實驗(圖3和圖4)。通過開展設(shè)計性實驗,加深了學生對所學專業(yè)領(lǐng)域的了解,培養(yǎng)了學生獨立解決專業(yè)問題的能力,在實驗中逐漸形成了合作意識,為將來工作夯實了專業(yè)基礎(chǔ)。

圖3 鋼筋混凝土彈性膜量測算實驗Fig.3 Experiments on measuring and calculating elastic modulus of reinforced concrete

圖4 鋼筋混凝土彈性膜量分級保載圖Fig.4 Graded loading diagram of reinforced concrete elastic modulus

5 考核方式改革

為了解決實驗考核方式中重報告、輕操作,重驗證、輕綜合創(chuàng)新的問題,本實驗室對材料力學實驗的考核方式進行了改革。新的考核方式注重實驗操作和實驗預(yù)習環(huán)節(jié)的考評,以鼓勵學生掌握實驗原理、積極動手參與實驗操作;通過加大綜合性、設(shè)計性實驗成績在實驗總成績中所占比重,使學生在思想上重視綜合實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)和創(chuàng)新設(shè)計能力的開發(fā)。每一個實驗項目的總成績分為3部分,分別是預(yù)習成績、操作成績、報告成績,其中預(yù)習成績20分、操作成績40分、報告成績40分,合計滿分為100分[15]。實驗總成績也為百分制,其中驗證性實驗成績占比為總成績的20%,綜合性實驗成績占比為總成績的40%,設(shè)計性實驗成績占比為總成績的40%(表1)。

表1 土木專業(yè)材料力學實驗成績分布表Table 1 Distribution of material mechanics experiment scores of civil engineering

6 材料力學實驗分層次教學改革成果分析

遼寧工業(yè)大學材料力學實驗室對2018級16個班級的學生進行分層次材料力學實驗教學,學生總成績及格率為98%。其中驗證性實驗成績平均分為88.5分,綜合性實驗成績平均分為81.6分,設(shè)計性實驗成績平均分為77.5分。實驗成績顯示多數(shù)同學可以通過教師指導(dǎo)完成綜合性、設(shè)計性實驗,但驗證性實驗成績還是優(yōu)于綜合性和設(shè)計性實驗成績。在后續(xù)實驗教學中還需加大教師對綜合性、設(shè)計性實驗的引導(dǎo)力度,改善教學效果。對學生的問卷調(diào)查結(jié)果顯示,94%的學生肯定了開設(shè)綜合性、設(shè)計性實驗的必要性;95%的學生認為應(yīng)加大教師的引導(dǎo)力度;99%的學生認為綜合性實驗?zāi)軌蚣由罾碚撝R的融會貫通;98%的學生認為設(shè)計性實驗?zāi)軌蚣由钇鋵I(yè)領(lǐng)域知識的了解并培養(yǎng)其創(chuàng)新設(shè)計思維;75%的學生認為實驗室應(yīng)加大對綜合性、設(shè)計性實驗全過程的指導(dǎo)力度;67%的學生認為有必要增加實驗設(shè)備投入,以支撐在更多方向上進行設(shè)計性實驗。根據(jù)學生反饋情況,實驗室已向?qū)W校提出設(shè)備采購申請,通過加大設(shè)備投入和教師指導(dǎo)力度,期望在后續(xù)的材料力學分層次實驗教學中取得更好的教學成果。

7 結(jié) 語

對原有材料力學實驗進行分層次教學改革,使學生通過驗證性實驗夯實了理論基礎(chǔ)、培養(yǎng)了初級實驗?zāi)芰?通過綜合性實驗把理論課的不同知識點融匯貫通,培養(yǎng)了解決綜合性問題的實驗?zāi)芰?通過增設(shè)具有專業(yè)特點的設(shè)計性實驗,加深了學生對所學專業(yè)領(lǐng)域的了解,培養(yǎng)了創(chuàng)新實踐能力和設(shè)計思維[16]。建設(shè)多層次材料力學實驗體系更加符合社會發(fā)展對高校培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才的新需求,在夯實基礎(chǔ)知識的前提下,增強了學生解決綜合問題的能力,培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新設(shè)計思維。