趙 辛

(遼寧工業(yè)大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,遼寧 錦州 121001)

0 引 言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力和設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力方面,有著不可或缺的作用。實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的鍛煉,可以使學(xué)生加深對(duì)所學(xué)理論的理解,培養(yǎng)其實(shí)踐操作能力,激發(fā)其對(duì)未知領(lǐng)域的探索興趣[1]。隨著國家對(duì)高校培養(yǎng)人才的實(shí)踐應(yīng)用能力和科學(xué)研究能力要求的不斷提高,材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)課作為工科基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的重要性不斷增強(qiáng)。近期遼寧工業(yè)大學(xué)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)室在教學(xué)中對(duì)原有授課方式、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、考核體系進(jìn)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(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為學(xué)生能力提升有益補(bǔ)充的分層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系[3]。隨著實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)程的不斷深入,教師逐步提高實(shí)驗(yàn)難度,在實(shí)際教學(xué)中取得了較好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

1 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)改革的意義

材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)課與理論課是相互印證、互為支撐的關(guān)系。在整個(gè)教學(xué)活動(dòng)中,理論課為實(shí)驗(yàn)課提供實(shí)驗(yàn)原理依據(jù),而實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)結(jié)果能驗(yàn)證理論知識(shí)點(diǎn)的正確性,培養(yǎng)“學(xué)生實(shí)踐出真知”的學(xué)習(xí)研究態(tài)度[4]。實(shí)驗(yàn)課是學(xué)生走出理論,走向?qū)嵺`的第一步,不僅培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)操能力,更能增加學(xué)生對(duì)所學(xué)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(shí)基礎(chǔ)。通過材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)課的鍛煉,加深了學(xué)生對(duì)于不同材料力學(xué)性能的認(rèn)知水平,培養(yǎng)了實(shí)驗(yàn)操作能力和綜合分析能力,更有助于其設(shè)計(jì)創(chuàng)新意識(shí)的形成。材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的分層次教學(xué)改革應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo):1)提升實(shí)驗(yàn)講解部分的教學(xué)效果,增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力;2)培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)理論解決復(fù)雜問題的能力,使學(xué)生對(duì)不同的知識(shí)點(diǎn)做到融會(huì)貫通;3)根據(jù)不同專業(yè)的學(xué)生特點(diǎn),提出設(shè)計(jì)方向,指導(dǎo)學(xué)生完成設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn);4)形成由驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合性試驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)等不同類型實(shí)驗(yàn)組成的分層次材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系[5]。

2 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)存在的問題

以往的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在著重理論、輕操作,重驗(yàn)證、缺綜合思考,重模仿,缺創(chuàng)新設(shè)計(jì)等問題[6],具體如下:

1)授課方式不利于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的學(xué)習(xí)。在實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生只是在設(shè)備前圍著教師,聽其講授實(shí)驗(yàn)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(xué)生能夠聽清看懂,后邊學(xué)生的學(xué)習(xí)效果很差,往往只能自學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上的內(nèi)容,不敢操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備[7]。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程多數(shù)學(xué)生還處于懵懵懂懂的狀態(tài)中,教學(xué)效果很不好。

2)實(shí)驗(yàn)類型單一。實(shí)驗(yàn)類型多以驗(yàn)證性為主,只進(jìn)行拉伸與壓縮實(shí)驗(yàn)、彎曲實(shí)驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)。這種單一驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)不能將多種理論知識(shí)點(diǎn)有機(jī)地串聯(lián)起來,不利于學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容的融會(huì)貫通,限制了解決綜合問題能力的培養(yǎng)。在實(shí)驗(yàn)中學(xué)生完全處于被動(dòng)的接收狀態(tài),阻礙了實(shí)驗(yàn)探索思維的形成,不利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣和實(shí)踐創(chuàng)新能力。

3)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容缺乏專業(yè)特點(diǎn)。各個(gè)專業(yè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相同,與行業(yè)特點(diǎn)結(jié)合不緊密,使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中缺乏興趣。

4)實(shí)驗(yàn)室利用率低。實(shí)驗(yàn)時(shí)間以班級(jí)為單位,過于死板,多數(shù)時(shí)間里實(shí)驗(yàn)設(shè)備閑置[8]。

5)考核方式制約了學(xué)生創(chuàng)造力的培養(yǎng)。現(xiàn)有的考核方式只涵蓋學(xué)生的出勤情況和實(shí)驗(yàn)報(bào)告分?jǐn)?shù),且各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目成績占總成績的比重相同。這樣的考核方式缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)操作能力的評(píng)定,也阻礙了學(xué)生綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?chuàng)新設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)。

3 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式改革

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

4 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容改革

遼寧工業(yè)大學(xué)原有的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)課多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為拉伸與壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)3個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。這類實(shí)驗(yàn)只是為了驗(yàn)證理論課的單一知識(shí)點(diǎn),要求學(xué)生學(xué)懂實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理、步驟,掌握設(shè)備的操作方法。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù),計(jì)算得出實(shí)驗(yàn)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(yàn)證理論課單一知識(shí)點(diǎn)的正確性,加深學(xué)生對(duì)材料力學(xué)性能特定知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)識(shí),加強(qiáng)對(duì)相關(guān)理論的理解[12]。

高等教育要緊跟社會(huì)各行業(yè)的發(fā)展,原有的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容已不符合培養(yǎng)應(yīng)用創(chuàng)新型人才的社會(huì)發(fā)展需要。實(shí)驗(yàn)室根據(jù)高校培養(yǎng)高素質(zhì)本科人才的新要求,對(duì)原有的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了由易到難的分層次教學(xué)改革,即在豐富已有驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,根據(jù)各專業(yè)特色新增了綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,以此增強(qiáng)學(xué)生運(yùn)用多領(lǐng)域知識(shí)解決綜合問題的能力,培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)思維[13]。具體的改革實(shí)施內(nèi)容如下。

4.1 豐富原有的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

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

圖1 低碳鋼拉伸實(shí)驗(yàn)Fig.1 Tensile test of low carbon steel

圖2 陶瓷焊縫拉伸實(shí)驗(yàn)Fig.2 Tensile test of ceramic weld

4.2 增設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)

為培養(yǎng)學(xué)生解決多領(lǐng)域復(fù)合問題的能力,使其對(duì)不同的知識(shí)點(diǎn)做到融會(huì)貫通,增設(shè)了綜合性實(shí)驗(yàn)。例如把原有的彎曲、扭轉(zhuǎn)2個(gè)獨(dú)立的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)合并為一個(gè)彎扭組合變形實(shí)驗(yàn),進(jìn)而研究構(gòu)件在彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形同時(shí)發(fā)生時(shí),即在二向應(yīng)力狀態(tài)下的綜合力學(xué)性能。通過設(shè)立綜合性實(shí)驗(yàn),顯著提高了學(xué)生利用所學(xué)的多個(gè)知識(shí)點(diǎn)解決復(fù)雜性、綜合性力學(xué)問題的能力。

4.3 結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)增加設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

本著開放性實(shí)驗(yàn)的態(tài)度,各專業(yè)學(xué)生基于材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)條件,在所學(xué)專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)自主選題,通過論證依據(jù)、制定實(shí)施方案、實(shí)驗(yàn)成本分析等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)可行性論述來向?qū)嶒?yàn)教師申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,經(jīng)教師認(rèn)可后方可進(jìn)行正式實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)定期向教師匯報(bào)實(shí)驗(yàn)進(jìn)展情況,教師也要在實(shí)驗(yàn)中為學(xué)生提供足夠的實(shí)驗(yàn)引導(dǎo),以保證學(xué)生的正常實(shí)驗(yàn)進(jìn)度,實(shí)驗(yàn)完成后要提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告[14]。例如根據(jù)土木專業(yè)的專業(yè)特點(diǎn),學(xué)生自主選題完成了鋼筋混凝土的彈性模量測(cè)算實(shí)驗(yàn)(圖3和圖4)。通過開展設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),加深了學(xué)生對(duì)所學(xué)專業(yè)領(lǐng)域的了解,培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立解決專業(yè)問題的能力,在實(shí)驗(yàn)中逐漸形成了合作意識(shí),為將來工作夯實(shí)了專業(yè)基礎(chǔ)。

圖3 鋼筋混凝土彈性膜量測(cè)算實(shí)驗(yàn)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(jí)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(shí)驗(yàn)考核方式中重報(bào)告、輕操作,重驗(yàn)證、輕綜合創(chuàng)新的問題,本實(shí)驗(yàn)室對(duì)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的考核方式進(jìn)行了改革。新的考核方式注重實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)的考評(píng),以鼓勵(lì)學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)原理、積極動(dòng)手參與實(shí)驗(yàn)操作;通過加大綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)成績?cè)趯?shí)驗(yàn)總成績中所占比重,使學(xué)生在思想上重視綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的開發(fā)。每一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的總成績分為3部分,分別是預(yù)習(xí)成績、操作成績、報(bào)告成績,其中預(yù)習(xí)成績20分、操作成績40分、報(bào)告成績40分,合計(jì)滿分為100分[15]。實(shí)驗(yàn)總成績也為百分制,其中驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)成績占比為總成績的20%,綜合性實(shí)驗(yàn)成績占比為總成績的40%,設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)成績占比為總成績的40%(表1)。

表1 土木專業(yè)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)成績分布表Table 1 Distribution of material mechanics experiment scores of civil engineering

6 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)分層次教學(xué)改革成果分析

遼寧工業(yè)大學(xué)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)室對(duì)2018級(jí)16個(gè)班級(jí)的學(xué)生進(jìn)行分層次材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué),學(xué)生總成績及格率為98%。其中驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)成績平均分為88.5分,綜合性實(shí)驗(yàn)成績平均分為81.6分,設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)成績平均分為77.5分。實(shí)驗(yàn)成績顯示多數(shù)同學(xué)可以通過教師指導(dǎo)完成綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),但驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)成績還是優(yōu)于綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)成績。在后續(xù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中還需加大教師對(duì)綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的引導(dǎo)力度,改善教學(xué)效果。對(duì)學(xué)生的問卷調(diào)查結(jié)果顯示,94%的學(xué)生肯定了開設(shè)綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的必要性;95%的學(xué)生認(rèn)為應(yīng)加大教師的引導(dǎo)力度;99%的學(xué)生認(rèn)為綜合性實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚣由罾碚撝R(shí)的融會(huì)貫通;98%的學(xué)生認(rèn)為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚣由钇鋵?duì)專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)的了解并培養(yǎng)其創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維;75%的學(xué)生認(rèn)為實(shí)驗(yàn)室應(yīng)加大對(duì)綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)全過程的指導(dǎo)力度;67%的學(xué)生認(rèn)為有必要增加實(shí)驗(yàn)設(shè)備投入,以支撐在更多方向上進(jìn)行設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。根據(jù)學(xué)生反饋情況,實(shí)驗(yàn)室已向?qū)W校提出設(shè)備采購申請(qǐng),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(xué)分層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)中取得更好的教學(xué)成果。

7 結(jié) 語

對(duì)原有材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分層次教學(xué)改革,使學(xué)生通過驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)夯實(shí)了理論基礎(chǔ)、培養(yǎng)了初級(jí)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?通過綜合性實(shí)驗(yàn)把理論課的不同知識(shí)點(diǎn)融匯貫通,培養(yǎng)了解決綜合性問題的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?通過增設(shè)具有專業(yè)特點(diǎn)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),加深了學(xué)生對(duì)所學(xué)專業(yè)領(lǐng)域的了解,培養(yǎng)了創(chuàng)新實(shí)踐能力和設(shè)計(jì)思維[16]。建設(shè)多層次材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)體系更加符合社會(huì)發(fā)展對(duì)高校培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才的新需求,在夯實(shí)基礎(chǔ)知識(shí)的前提下,增強(qiáng)了學(xué)生解決綜合問題的能力,培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維。