面向工程实践能力培养的材料力学性能实验教学模式探索与实践

宋鹍　杨璐　丁军　王伟

摘 要 文章分析了传统材料力学实验教学模式存在的问题与原因，并以现代建构主义教学观为指导进行了面向工程实践能力培养的教学改革，通过情景教学、鼓励讨论、标准学习等方法切实培养了学生的创新精神和工程实践能力。

关键词 材料力学实验 建构主义 工程能力培养 教学模式改革

中图分类号：G424 文献标识码：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

隨着我国“创新驱动”发展战略的提出，以及高等学校教学改革的不断深化，实验教学越来越受到重视，“实验教学不应该是理论教学的附庸，而是高等院校教育教学过程的重要组成部分，是创新教育、能力教育最为重要的基础。”教育部在“十一五”规划“质量工程”实验教学示范中心项目建设中，明确提出“树立以学生为本，知识、能力、素质全面协调发展的教育理念和以能力培养为核心的实验教学观念”。因此，重庆理工大学机械工程学院实践教学及技能培训中心作为学校工科类学生重要的实践教学平台，在实验室硬件建设、独立开放的实验教学体系及运行模式、实验项目开发、实验教材建设等方面均取得了可喜的进步。这些措施从制度上有效提升了实验教学的地位，实验项目的丰富也对培养学生的综合能力起到了积极作用。

在具体教学的过程中我们发现，对于某些实验项目，特别是材料力学性能实验所包含的：拉伸、压缩、扭转、弹性模量与剪变模量测量等实验，尽管我们强调了该类实验在工程实践中的重要性，也鼓励学生多动手，但难以取得满意的教学效果。为此，我们对原有材料力学性能实验的教学模式进行了认真分析和探索性改革，取得了较好的效果。

1 面向工程实践能力培养的材料力学性能实验教学实践

材料力学性能实验教学要切实达到培养学生创新精神和工程实践能力的教学目标，不管是教师和学生都必须真正地从思想上承认实验教学的独立地位和重要性，在此基础上，设计合适的教学方式激励学生的主观能动性，引导学生通过对实验各个环节的观察和分析总结建立属于自己的知识结构体系，培养学生“实践先于理论”的唯物主义世界观。

现代建构主义源于皮亚杰和维果茨基关于儿童认知发展的理论，是认知主义的进一步发展。现代建构主义者主张，世界是客观存在的，但是对于世界的理解和赋予意义却是由每个人自己决定的。每个人都是以自己的经验为基础来建构或者解释现实，其经验世界是自己的头脑创建的，由于各人的经验以及对经验的信念不同，对外部世界的理解便有所不同。学习不是由教师把知识简单地传递给学生，而是由学生自己建构知识的过程。学生不是简单被动地接收信息，而是主动地建构知识的意义，这种建构是无法由他人来代替的。建构主义者更加关注学习者如何以原有的经验、心理结构和信念为基础来建构知识，更加强调学习者学习的主观性、社会性和情景性。

基于前述建构主义的基本观点，现代建构主义教学观认为：教师的角色是学生建构知识的忠实支持者以及学生建构知识的积极帮助者和引导者，学生的角色是教学活动的积极参与者和知识的积极建构者，简而言之，即以“学生为主体，教师为主导”，强调教师应当设计并利用情境、协作、会话等学习环境要素充分发挥学生的主观能动性，最终达到使学生有效地实现对当前所学知识的意义建构的目的。可见，现代建构主义教学观与实验教学应当承担的角色是相当吻合的，其理论完全可以指导实验教学的实践，为此，我们基于现代建构主义的教学观对材料力学性能实验教学进行了如下改革和实践。endprint

1.1 采用情景教学，引导学生由被动学习者变为主动学习者

建构主义认为，学习者的知识是在一定的情境下，借助他人的帮助，如人与人之间的协作、交流、利用必要的信息等，通过意义的建构而获得的，所以在教学设计中，创设有利于学习者建构意义的情境是最重要的环节。以“低碳钢、铸铁的拉伸、压缩”实验为例，我们在教学过程中不再提“观察实验现象、测量材料的强度或者塑性指标”之类的空泛的实验目的，而是给出具体的工程案例，引导学生思考解决。比如图1和图2所示，弧齿锥齿轮冷挤压校形模具凹模图片以及模芯纵向破裂失效的图片，要求学生思考并回答“模芯破裂的原因是什么”、“如果你是模具设计者需要知道什么条件”、“为什么凹模要设计成组合凹模的形式”、“如何解决模芯纵向破裂失效”等问题。这些问题并不一次性给出，而是在实验教学进行的各个阶段作为启发性的问题提出来，让学生通过思考这些问题来建构知识，亦即获得工程经验。比如前两个问题是在实验操作前提出的，善于思考的同学都能回答出模芯破裂的原因是在对产品进行冷挤压校形的过程中模芯内壁承受的周向拉应力超过了模芯材料的抗拉强度极限，因此在设计凹模的时候必须清楚模芯材料抗拉强度极限的具体数值，保证模芯在工作状态下内壁承受的周向拉应力不会超过该数值。尽管第二个问题学生回答的并不完整，但教师并不直接指出，留待学生在后面通过思考得到正确答案。在接下来完成低碳钢和铸铁拉伸、压缩破坏性实验的过程中，虽然过程比较单调，但学生心中带有问题，对于实验过程中材料的表现就会观察得比较仔细。实验完成后，教师会让学生观察材料拉伸和压缩试样的断口，引导他们利用《材料力学》课程的知识点分析原因，并根据实验数据和断口形成原因总结出低碳钢和铸铁的力学性能。在教师的引导下，学生会总结出“类似于低碳钢的含碳量较低的材料比较软，塑性好，抗拉能力要好于类似于铸铁的含碳量较高的材料”，“类似于铸铁的含碳量较高的材料比较硬，塑性差，其抗压能力要好于抗拉能力”等结论。这里出现了一个矛盾，模芯由于需要控制产品精度且必须具备很好的耐磨性因而含碳量很高，但却用于受拉的场合，应该怎么处理？如果学生回答不了，此时教师就会提出“为什么凹模要设计成组合凹模的形式”的问题，并且提示中圈和外圈采用的是比模芯材料软的45号钢。一般情况下，学生通过讨论和分析就会明白，采用组合凹模可利用过盈配合使模芯产生压应力以部分或全部地抵消工作时模芯内壁的周向拉应力。如果模芯与应力圈之间的过盈量不够，预应力就不足以抵消周向拉应力，容易导致模芯的纵向破裂，但过盈量太大，不仅会造成装配的困难，还可能压破模芯或者撑破中圈、外圈。所以我们在该模具组合凹模的设计过程中不仅需要知道模芯的抗拉强度，还要知道其抗压强度，当然，其余两层预应力圈的相应力学性能指标也是我们设计过程中必需的数据。

通过这样类似的情景设计，在教学过程中，教师始终不直接给出答案，一直以引导的方式鼓励学生思考问题，学生的主观能动性得到了很好的调动，获得了很好的工程体验，并且了解了材料力学性能实验在工程实践中的重要作用，达到了实验教学培养学生综合能力的目的。

图1 弧齿锥齿轮冷挤压组合凹模实物图

图2 模芯纵向开裂失效實物图

1.2 鼓励学生与教师，学生与学生之间的交流、讨论

现代建构主义教学理论认为，讨论是一种群体协作学习模式，讨论的结果有可能使原来确定的、与当前所学概念有关的属性增加或减少，各种属性的排列次序也可能有所调整，并使原来多种意见相互矛盾、且态度纷呈的复杂局面逐渐变得明朗、一致起来。在共享集体思维成果的基础上达到对当前所学概念比较全面、正确的理解，即最终完成对所学知识的意义建构。如上述案例关于“如何解决模芯材料含碳量高抗拉性能差与使用在受拉场合的矛盾”的问题，不是学生个体立刻就能得到答案的，需要留给他们思考和讨论的时间，教学实践证明，讨论的效果是很好的，有时不经教师提示，学生也能自行分析得到正确结论。

1.3 在教学过程中引导学生重视标准

标准是为了在一定范围内获得最佳秩序，经协商一致制定并由公认机构批准，共同使用的和重复使用的一种规范性文件。它以是科学、技术和实践经验的总结，是工程技术领域的法规，是相关领域人们进行技术活动的准则和依据。作为工科学生，将来无论是从事科研工作还是走上生产岗位，都离不开标准，因此，我们在实验教学过程引入标准学习，使学生提早接触和了解这种行业法规。我们在实验过程中，会根据实验内容布置学生去查找相关标准，引导学生阅读相关标准文件，比如金属材料的室温拉伸实验方法（GB/T228—2002）、金属材料夏比摆锤缺口冲击实验方法（GB/T229—2007）、金属材料平面应变断裂韧性实验方法（GB/4161—84）等，让学生明白我们的实验设计和操作是有据可依的，从而培养学生的工程规范意识。

1.4 引导学生注意细节并思考现有实验方式的缺点

注意细节是一种很重要的工程素质，它不仅仅出于实验安全的考虑，更重要的是只有注意细节才能有新发现，才能找到实验结果和理论知识存在差异的原因。仍以“低碳钢、铸铁的拉伸、压缩”实验为例，我们在做完铸铁的压缩实验后，有细心的同学经过观察就会提出一个问题：为什么断口斜面角度不是45度？学生经过讨论和分析后就会明白这是由于压盘和试样上下端面在试样压缩变形的过程中存在摩擦力，（下转第159页）（上接第124页）从而使试样的受力不再是单向压应力状态，因而断口角度发生变化。他们会发现，压缩实验与拉伸实验相比就没那么“纯粹”了，并且会思考“有没有办法让试样仅仅受压”这样的问题。可见，一个细节就能大大拓宽学生的思路，对于培养学生的创新精神和能力是十分有利的。

2 结语

教学实践证明，我们基于现代建构主义教学理论，面向工程实践能力培养的材料力学性能实验教学实践是成功的，在教学过程中，大部分学生能保持很好的主动性，通过对工程案例的分析和思考，学生以工程实践为导向的思维得到了很好的训练，培养了他们的创新精神和工程规范意识，同时也让他们认识到了自身知识结构的不足，从而为进一步的学习带来了动力，同学们普遍反映上材料力学性能实验课是有收获的。当然，这样的教学改进实际上是对传统实验内容的扩充和提高，一方面对教师提出了更高的要求，教师必须积极参与科研，不断提高自身的业务水平才能更好地设计情景，同时，教师还应重视相关教育理论的学习并关注学生学习心理，以更好地引导学生，激发其主观能动性；另一方面，改进后的教学模式势必拉长实验过程，现有的实验课教学时间很难满足需要，如何更好地适应现有教学体制是我们需要进一步探索的内容。

重庆市高等教育教学改革研究重大项目：机器人产业发展新形势下机械电子工程专业实验教学体系的改革与实践（151015）；

重庆市教育评估研究会研究项目：以行业需求为导向的机械工程实验教学内部质量保障体系研究（PJY2015-53）；

重庆理工大学教学改革研究项目：“虚拟仿真实验教学示范中心”建设背景下机械工程专业实验教学平台建设的研究与实践（2014YB05）

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