试论《材料力学》课程实验教学改革

材料力学是工科院校一门重要的技术基础课程，它不仅是后继课、专业课的基础，而且还具有很强的工程应用性，是工科学生最先与工程实际接触的桥梁。它的一个重要有机组成部分―材料力学实验课，在培养学生的工程素质以及实践能力和创新精神方面有着其他教学不可替代的基础作用。然而，目前材料力学实验课普遍存在着许多弊端，（1）材料力学实验课从属于材料力学理论课程，实验多是测量某个物理量或单纯的验证性实验，内容单一，形式固定，各实验还配有详细的实验指导，学生照搬实验指导进行实验，处于被动的状态；（2）实验内容与工程实际、高新技术结合较少，实用性较差；（3）实验手段落后，管理封闭，几乎没有创新型试验，学生学习积极性不高；（4）实验教学考核体系不完善，许多学生存在“重理论、轻实践”的错误认识。围绕培养高素质创新型人才的目标，改革传统材料力学实验，建立新的实验教学方法、内容与体系势在必行。为此，笔者结合自己的实验教学实践，就《材料力学》课程实验教学方法、内容与实验教学体系等的改革作一些探讨。

一、更新实验教学观念，以学生为主体

实验教学观念的转变是实验教学改革的核心，在传统的实验教学中，学生处于被动的地位，导致学生没有学习兴趣和创造欲望，限制了学生能力和素质的培养。实验教学必须让学生处于主体地位，将过去以教师为中心、学生被动参与转变为以教师为主导，学生为主体，师生共同探索的方式，调动学生在实验中的极积性和主观能动性，才能培养出具有创新能力的大学生。

二、改革材料力学实验教学内容及体系

传统材料力学实验的主要内容有低碳钢的拉伸实验、扭转实验、直梁弯曲正应力实验，低碳钢的拉伸实验、扭转实验为力学物理量和性能的测试实验。直梁弯曲正应力实验为应力验证性实验，这些实验对学生加深、巩固理论知识的理解和掌握是有必要的，但实验内容单调，较少涉及工程实际问题，没有展示出现代工程技术的现状和发展趋势，对培养学生创新性思维的能力、解决实际问题的能力作用不大。要培养学生创新思维的能力和解决实际问题的能力，必须改革实验内容并把实验分为基本型实验、综合型实验和设计型实验三个层面。

基本型实验以了解材料的力学性能为知识重点，着重培养学生掌握实验设备、独立完成实验的能力，它是后续实验的基础。基本型实验可保留必要的传统实验项目，但要提高实验的起点，做到在加强实验的思考性、启发性和实用性的同时让学生独立完成实验。比如：作为基本型的拉伸实验不能只限于低碳钢拉伸，要将其扩充为低碳钢、铸铁、铝合金、复合材料等多种与当今工程应用密切有关的典型材料的拉伸，实验时让学生分组亲手完成各自不同材料的拉伸实验。这样，在同样实验设备的情况下，通过提高实验的起点，达到了扩充实验作用的目的。

综合型实验是基础型实验的补充和延续，着重培养学生的综合实验技能、综合应用力学实验技术和有关知识分析和解决问题的能力。综合型实验重点在综合上，这类实验内容可以是本课程各部分的综合，也可以是不同课程内容的综合，但切不可是几个简单实验的叠加，综合型实验也可通过改革传统的实验来做，比如：梁的弯曲正应力实验，过去是一根矩形直梁，它的应力分布材料力学教材已详细介绍，对它的实验现象和实验结果学生是已知的，这样的实验不能培养学生分析问题、解决问题的能力。现把这个实验改为复合梁应力分析实验，就得到了综合型实验。由下述表1验证方法可知直梁弯曲正应力实验只是一个单纯的验证性实验，但在不需要增添设备的情况下将它改为复合梁应力分析实验，就成了综合型实验，在这个实验中综合应用了组合变形、应力与应变分析知识和平衡条件、变形协调方程以及实验技能和结果等，充分体现了综合型实验的综合性，培养了学生把各相关知识融会贯通和综合利用的能力，同时也能培养他们的综合实验技能，这些是培养创新能力，提高综合素质不可缺少的。

设计型实验以工程实际或模拟工程实际为背景，着重培养学生综合的工程分析能力，是提高学生解决工程实际问题能力的重要途径，同时对增强学生的社会适应性也非常重要。在这类实验中，要充分体现设计性，所有实验都应由学生自行设计、自行实施、自行检测、自行分析处理。设计型实验通常选各类支承压杆稳定性分析。压杆在工程实际中应用非常广泛，其稳定性极其重要，大家知道工程结构由于失稳而破坏往往是突发的，并会造成灾难性的后果，因此，通过这样的实例要求学生对工程实际问题要有足够的重视，进而培养学生严谨、规范的实验作风。实验时学生要结合工程实际自拟题目，题目确定后，学生要模拟工程结构自制模型、拟定实验方案，然后进行压杆稳定性侧试及有关的计算研究，整过过程都由学生自行设计独立完成，这就是一个设计型实验。这种高度的自主实验，激发了学生的探索兴趣，当有问题时学生们会主动查阅资料模索解决的办法，锻炼了学生动手、动脑的能力和独立分析问题、解决实际问题的能力，同时也加强和巩固了有关压杆稳定性方面的理论知识，综合素质得到显著的提高。

三、更新实验教学方法、管理体制和运行机制

传统材料力学实验教学基本上采用的是一种封闭的教学思想、陈旧的教学方法、落后的实验手段，实验中学生没有主动权，大家一哄而上、一哄而下，不利于学生创新能力的培养和综合能力的提高，对此，应对传统实验教学方法、实验室的管理体制和运行机制作如下改革。

（一）将现代化教学手段运用到实验教学中

要建立以能力培养为中心的实验教学体系，充分利用多媒体和网络等现代化教学技术手段是必不可少的。对材料力学实验，教师可开发网上“实验教学应用系统”，该系统至少包括师生互动平台和实验指导、实验方案设计、实验预约子系统。各子系统都有其独特的作用。实验指导子系统：将材料力学实验内容做成多媒体课件挂在实验指导子系统中，实验前学生可通过该子系统预先学习到各实验的有关知识，包括实验项目、实验注意事项、实验目的、实验设备（包括它的结构和工作原理）、实验基本方法、常用量具的使用，实验报告要求等，这些内容通过声音、文字、图像、动画、视频等多种形式在屏幕上生动、具体的表现出来以后，能很快吸引学生的注意力，调动学生思维，从而使学生很快地掌握实验的基本原理、操作技能和实验过程中的要点和难点，为实验实际操作作好准备。通过该系统还可以将一些工程项目的材料力学性能和应力分析测试的动画、材料力学的扩充性实验录象和材料力学在工程实际应用的最新信息等等展现给学生，开阔学生的视野，激发学生更大的创造能力和创新精神；实验方案设计子系统：实验方案设计子系统可用来辅助进行实验方案设计，该子系统程序可以仿真、检查、判断实验方案设计是否正确，若实验方案设计有误，子系统会指出错误出在哪，直到设计的实验方案正确为止。此系统学生还可用来反复操作煅练自己的设计思想、创新思维；实验预约子系统：实验方案正确无误后，可通过该子系统预约实验项目和时间。将现代化技术应用到材料力学实验中后突出的特点有：（1）学生可根据自己的学习情况自主地来安排实验内容的学习，改变了传统的实验教学过程中学生所处的被动地位；（2）对实验内容的动态讲解和过程的模拟仿真解决了传统黑板讲解无法讲清的问题，使实验教学变得生动活泼；（3）通过实验方案设计子系统不仅能将学生的创造性思维发挥到极至，还能填补因实验条件、设备限制做不到的扩充性实验，为个性化发展的学生创造了条件。

（二）开放实验室，为学生自主学习提供方便

开放实验室就是给学生提供一个宽松的实验环境，让学生从实验时间、空间、内容和过程都有选择。实验室开放后，学生的自主性、创造性才能得到体现。我们尝试的开放性实验教学过程步骤如下：

第一步：选题。学生根据学校指导性要求确定自己的基本型、综合型、设计型实验项目。

第二步：实验预习。实验项目确定后，要求学生针对实验项目预习实验指导资料，了解实验目的、实验注意事项、实验设备（结构和工作原理）、实验基本方法、常用量具的使用、实验报告要求等。

以上两项涉及的资料校园网“实验教学应用系统”的实验指导子系统都有提供。

第三步：查阅资料。由于综合型实验、设计型实验有很多知识点没有现成结果，学生要完成这些实验就必须自己去查阅相关资料进行分析。

第四步：实验方案设计。经过前面的准备，对设计型实验进行设计。

第五步：检查论证设计方案。设计型实验方案设计好后，必须经过校园网“实验教学应用系统”的实验方案设计子系统检查论证是否正确，正确进入下一环节，如果错误返回到查阅资料步骤，进一步查阅资料找出问题从新设计，直到正确。在这过程中，也可通过网上师生互动平台与教师交流获取帮助。

第六步：预约实验。通过以上各步骤学生已初步具备实际实验的条件，就可将有关实验资料通过校园网“实验教学应用系统”中的实验预约子系统提交并预约实验时间，学校对具体实验的时间只作弹性控制。

第七步：具体实施。按约定的时间进行实验，实验的顺序为基础型综合型设计型，如果实验做完后还有疑问，可在3-5天内随时再做。

第八步：实验报告。实验操作完后，要写出实验报告整过实验才算完成。

实践证明，这种具有时间、空间、内容和过程都开放的实验，能全面提升学生独立思考的能力、解决问题的能力以及创新精神和综合素质。

（三）建立材料力学实验考核制度

由于传统的材料力学实验课附属于其理论课，实验没有单独设考，只在理论课考核时，有极少实验内容，导致学生不重视实验学习。为了激发学生参与实验的积极性，建立一个既与理论教学相匹配，又有利于培养创新型人才的实验体系，应对材料力学实验进行单独考核，办法如下：

1.材料力学课程的总评成绩由课程实验考核成绩和课程理论期末考核成绩两部分组成，实验考核成绩占总评成绩的30%，期末理论考核成绩占总评成绩的70%。为进一步体现对于实际动手能力和创新能力的强调，可以要求实验不及格者无期末理论考试资格，但应允许补考。缺实验或实验报告者实验成绩为不及格。

2.实验成绩由平时成绩和书面考试成绩构成。平时成绩占20%，其中15%主要是对学生参加实验的态度、作业质量、实验报告质量及实际操作的掌握程度进行评价；5%用于对实验创意质量进行评价。书面考试成绩占10%，书面考试可预先设定一些思考题，考试就在思考题的范围。思考题应包括基本题、综合题和提高题，这些题没有现成的答案，有的答案在平时实验的体会中，有的答案在平时实验的操作中，有的在教材和有关资料的综合分析中，学生拿到这些题后，就会去查阅资料、相互讨论，这样，一方面加强和巩固了实验的基本知识、基本技能，另一方面又提高了学生理论与实践结合的能力、综合分析问题和解决问题的能力及协作能力。

（作者单位：贵州广播电视大学）