基于科研实践活动的材料力学综合实验教学改革与实践

天水师范学院机电与汽车工程学院 甘肃天水 741001

教学是教师有目的、有组织引导学生学习并掌握科学基础知识、技能，进而全面提升综合素质的过程[1]。科研是依据自身知识，利用科学手段和思维对已存在的客观事物本质、规律进行系统的调研、实验等的相关活动，同时提出新理论、新技术、新产品[2]。教学和科研作为高等院校两大职能，辩证统一、相互促进，共同组成高校教书育人的环境，即教学是科研产出的前提，科研是教育质量的升华[3]。2018年6月，教育部新时代全国高等学校本科教育工作会议中指出：“要推进科教融合，让学生尽早参与和融入科研，早进课题组、早进实验室、早进团队，加大各级科研基地向本科生的开放力度，提高学生科研实践能力和创新创业能力。”[4]因此，通过开设符合应用实际的创新类实验项目、引入部分科研项目，建立健全多层次实验教学体系，使学生尽早进入实验室，接触科技前沿，培育本科学生所具备的创新、合作和终身学习的能力。

材料力学作为工科各专业中重要的基础实验课程，其项目背景、分析理论和计算方法均源于工程应用，注重实际操作能力的培养[5]。目前，在工科院校的材料力学实验教学中，基本上是让学生在一定教学时间内，按照教师示范实验步骤，利用实验室现有仪器设备，完成相应的验证性实验[6-8]。这种不变的教学模式，与实际工程应用严重脱节，使得学生在实验过程中仅仅处于被动状态，限制其创新思维和主观能动性的发挥。

近年来，结合创新创业教育要求，以更为具体、更为系统、更为创新性的工程实际的科研项目为驱动，改革各类课程教学模式，培养符合时代要求的创新型、应用型人才，是新工科发展的一条必由之路。为此，天水师范学院(以下简称“天水师院”)机电与汽车工程学院在本科生阶段引导部分教师将自身科研项目列为研究型开放实验，通过合理设计教学内容、完善教学体系，将材料力学综合实验作为试点课程。经过一年多的改革创新，以科研项目为基础的材料力学实验教学切实提高了学生分析解决实际工程问题和创新实践能力，初步建立对具体问题的科学性分析体系，取得了良好的教学效果。2018年3月，教育部对天水师院本科教学工作审核评估期间，这种以科研项目为导向的实验教学方式受到了评估专家的肯定。以天水师院材料力学综合实验为教学改革研究对象，介绍该实验课程改革思路方法、具体措施和效果，为相关专业实验课程建设提供借鉴。

1 明确实验教学目的 优化实验教学模式

高校在设置各类实验项目时，其目的在于重点培养大学生对所学专业课知识的理解和运用，同时通过基于科学思维的综合训练，强化学生创新意识和创新能力。因此，提升实验教学效果，首先要明确并合理设置实验教学目的。而实验教学目的是通过一定数量的基础实验、不同阶段的综合实验和创新实验实现的。这个过程中，科学的实验教学内容和实验教学模式在培养学生实际操作能力中起到关键作用[9]。

2016年底，天水师院机电与汽车工程学院在中央财政支持地方高校发展专项资金的支持下，结合机械工程学科专业发展和人才培养目标，根据学院实际教学科研情况，申报并成功建设材料力学创新实验室，引入15套材料力学创新实验平台(如图1所示)。首先，对诸如等强度梁、悬臂梁、弯扭组合梁等传统电测实验内容进行讲解，学生经过训练并掌握一定实验技巧之后，指导教师改变原有“做一遍，仿一遍，写一遍”的教学模式，主要做了以下创新实践：以实验室现有铸铁、碳钢、尼龙、木材等材料为主，学生5人一组，团结合作，充分发挥主观能动性，自主选择、设计、机械加工成不同类型结构件，并对其特征点进行应变片粘贴和布线。经过受力和数据测试，分析不同结构件在使用过程中的力学分布和变化趋势，并给出设计结构中存在问题和改进措施，最后撰写研究报告。

图1 材料力学创新实验室与应变片工具箱

例如，在工程力学经典实验—拉压扭冲部分中，学生之前仅仅像“听响声”一样完成各部分实验，数据和图像也是计算机给出，缺乏主动思考过程。针对这一现象，实验中心整合力学类课程相关教师，结合材料科学 四要素(组织、性能、加工、应用)关系，以组织与力学性能特征关系作为实验目的，优化和丰富实验教学模式，将金相分析、断口分析和硬度测试打包为综合实验，并在部分学生中试行。通过在不同实验室(金相实验室、扫描电镜实验室、工程力学实验室)观察典型金属材料组织结构、力学性能、断口特征等，分析各参数相互关系，学生对材料四要素理解和实际操作能力明显加强，科研兴趣和创新意识显著提高。图2为改进后工程力学实验和实验报告对比。可以看出，学生实验过程中团队合作，分工明确，单一的实验报告转变为具有更加详实数据和图像分析的综合报告。

图2 材料力学综合实验过程与实验报告

2 引入科研项目 建立创新思维

自1999年高校扩招以来，中国高等教育进入大众化阶段，但这种跨越式发展也带来了诸多问题，如教学质量降低，学科建设不足，就业困难，专业之间、高校之间发展不平衡等[10]。党的十八大以来，高等教育的综合改革不断深化，教育部和各级教育部门、高校都出台相关文件和政策，要求要保证扩招后的教育质量。在阐述培养什么人才、怎样培养人才的重要性的同时，提出强化学生创新精神和实践能力，早进实验室参与科研项目。科学研究作为高校重要职能之一，但实际操作主要集中在教师和研究生阶段，本科生很难接触或进行有效的科研实践活动[11]。

天水师院作为甘肃省首批应用技术型大学转型发展试点院校，近年来对机电学院的实验室建设投入巨大，先后建成并完善了基础实验室和相关科研设备；另外，学院教师先后获得国家自然科学基金、省科技厅、教育厅、市级(校级)科研和创新创业项目的资助。这些硬件设备和科研项目提高了本科生综合分析实验层次，是提升学生科研和创新思维的重要基础。为此，学院适时在材料力学实验和毕业设计中引入部分教师科研项目，合理设置实验项目，开放相关实验室，为学生科研实践活动提供保障。主要做了以下改革措施。

(1)在前期优化实验教学模式的基础上，结合教师科研项目研究方向，挑选2～3个研究内容，供学生自由报名选择，指导教师根据学生参加科研工作和取得的进展情况作为创新创业模块学分。

(2)科研小组每周进行一次科研工作汇报和交流，提出下一阶段工作目标；经过一段时间的资料收集和文献阅读之后，各组撰写类似“开题报告”的实验工作预案。

(3)材料制备与加工、分析检测、绘图等工作完全由学生自主完成，并自学相关设备操作和软件分析(如JADE5.0和ORIGIN8.0等)，同时各组推选一名学生为低年级学生做一场科研工作报告会。

(4)最后的撰写实验报告改为提交调研报告，并按照毕业论文格式撰写，应有详尽的研究目的、意义、方法内容、实验与分析过程、结论等环节。

学院实验中心利用甘肃省科技厅科技支撑计划项目“高性能铁基复合材料的粉末冶金成型工艺优化与应用研究”，提取科研课题中的“压制力与组织关系”和“铜含量对组织和性能的影响”作为两个主要研究方向。学生经过资料搜集、实验过程设计、试样制备、性能检测、撰写报告等将近一年的科研工作，最终获得了较为理想的实验结果，并发表论文两篇[12,13]。这个过程中，学生面对未知的科学知识，挖掘了自身的潜在能力，真正实现了从书本到应用的跨越。同时在科研小组成员中，有4位学生在2018年研究生考试中取得优异成绩，先后被南京工业大学、兰州理工大学等高校录取。图3和图4所示为各科研小组工作状态图与部分成果数据。

图4 微观组织与力学性能分析

3 教师全程引导监控 学生阶段自我反馈

在做综合实验或研究型课题时，指导教师应对整个过程进行监控。这里的监控不是指实时管理，而是给学生以充分的发挥空间，让学生自主提出问题、解决问题，而教师只是在实验流程和节奏上做好把控：当学生遇到阻碍或无法自主解决的问题时，教师通过鼓励使之迎难而上并引导变换思路，给出建议。要充分利用好每周进行的课题组会和阶段性检查，学生以书面和现场讨论形式汇报近期研究进展和问题，通过相互交流，达到自我反馈和自我管理的目的。

材料力学综合实验最终成绩以过程性和结果性(综合报告)相结合的形式呈现。教师关注每组成员在实验过程中所体现的团队合作、实际操作能力和最终报告质量，并依据材料力学综合实验课程考核说明中的成绩指标点给出成绩。研究型课题成果汇报和成绩考核按照毕业论文模式进行，学生要汇报项目的研究背景、意义、实验方法、数据成果和总结，要求有3位教师参加答辩(至少一位具有副高级及以上职称)，通过质询、讨论和阅读调研报告，最终给出相应成绩。

4 结语

通过构建材料力学综合实验与学生科研实践活动能力关系，合理调整和扩充教学内容，创新教学方法，建立健全开放式的实验室管理体制，将实验项目与企业实际、教师科研相结合，培养学生创新能力、工程实践能力。基于一年多的改革实践，试行学生对基础知识的理解运用和实践动手能力明显要好于未试行学生；科研思维和敏锐性的提高更是为将来进一步深造和新材料的研发工作打下良好的基础。本课题组在基于材料力学综合实验教学改革的过程中，将教学模式、教学内容、教学观念进行了大胆有效的创新，搭建了基础实验与科研项目相互促进的教学平台，对其他实践教学具有积极的借鉴作用。