材料力学实验教学的探索与创新

刘晓明 李明林 钟建华 锁要红

0 引言

材料力学本身的性质决定了实验教学在材料力学整个教学过程中是必不可缺的重要环节，这是因为大量的材料机械性能的测定是建立材料力学本构关系及理论的基础。同样地，材料力学的定律及理论是否符合客观实践，也必须通过实验加以验证。因此，材料力学实验对材料力学教学至关重要。

随着时代发展，目前的材料力学实验教学逐渐无法满足本科实验教学需要，无法调动学生的积极性和主观能动性，难以使学生的动手能力和创新能力得到真正的培养和提升[1]。本文首先分析当前材料力学实验教学中存在的问题，然后提出一些改革措施，希望能够进一步完善实验教学，提升学生的整体实力。

1 实验教学现状

目前材料力学实验教学存在许多问题，如实验课时少、学生不够重视等。结合笔者多年来的实验教学经验，以下两点最为突出。

1.1 教学内容相对简单

目前，材料力学实验一般可分为三大类：测定材料机械性质的实验、验证材料力学理论的实验和实验应力分析。由于材料力学实验在理论课程中的辅助定位及课时限制，大部分高校的材料力学实验教学内容还是以演示性实验与验证性实验为主，综合性和设计性实验较少甚至没有。老师基本是采用演示方法授课，学生只是被动接受。此外，学生课前没有预习，课堂上老师为学生讲解实验内容、实验仪器、实验原理和注意事项等，然后按照实验步骤依次操作演示，一般这个过程就需要1 个课时，留给学生亲自动手操作的时间不多。例如拉压实验由于设备数量及实验教师较少的原因，一个班级里只有少数学生可以亲自动手操作，这样最终导致很多学生对实验过程失去兴趣，教学效果明显大打折扣[2]。

1.2 考核方式过于简单

目前实验成绩主要分为报告成绩和实验过程成绩两部分。但是在实验教学实施环节中，因学生人数众多教师常常无暇顾及所有学生的课堂表现，对学生的实验过程考核存在一定的难度，所以众多实验成绩便舍弃实验过程成绩，仅通过实验报告进行成绩评定及考核[3－5]。这种考核方式的最大弊端是学生对材料力学实验课程不够重视，课前不预习，在实验过程中不认真动手操作、不思考、应付老师，课后抄袭其他同学的实验报告，这样的考核评定既无法真正客观地对学生进行评价，又无法使每个学生都通过实验提高自己的动手能力和实验技能，最终导致实验教学效果堪忧。

2 实验教学改进措施

针对上述材料力学实验教学中存在的两个突出问题，本文提出以下改进措施。

2.1 丰富教学内容

2.1.1 在原有实验的基础上丰富实验内容

在拉伸实验中，除了原有的低碳钢和铸铁棒状拉伸试样，还可以增加其他材料（比如铝合金和塑料等）的棒状和板状拉伸试样，事先对学生进行分组，5 个学生一组，每组学生分配一种试样。福州大学材料力学性能实验共有四种不同吨位的万能试验机：100KN、200KN、300KN 和 600KN。在实验前，让学生根据试样的大小尺寸、试样的材料参数计算这种试样拉断所需的最大力，来选择相近吨位的试验机；然后查阅相关文献，设计好实验方案包括控制方式（位移控制、程序控制、应力+ 应变+ 位移控制等）、用户参数（试样直径、试验厚度等）、结果参数（最大力、抗拉强度、下屈服强度等）、结果输出的格式等；通过查阅资料对试样的力学性能和实验现象有个初步了解，同时将预先录制的实验演示视频事先发给学生观看，让他们熟悉设备的工作原理及操作流程，节省课内演示介绍的时间，这样为学生争取更多亲自动手操作的时间；最后将这些前期工作汇总写成一份预习报告上交。实验时，学生根据试样的外形尺寸选择相应的不同直径或厚度的夹具，如图1 所示，并亲自安装夹具。同时根据之前设计好的实验方案亲自在实验软件上编辑实验方案，并完成实验。课后安排对实验现象和数据结果进行分析，将实验得到的拉伸实验现象和曲线，与资料给出的这种材料常规的拉伸实验结果进行对比，观察自己实验的特点，提出问题，小组成员一起分析探讨，并将其写在实验报告上，这样学生在亲自动手实验和思考的过程中，会形成一些独特的认识，同时更好的锻炼了学生的动手能力和解决问题的能力。

图1 拉伸夹具

2.1.2 增加开放性实验

传统应力测试实验一般是应变片已经事先贴好，学生只需接线测量即可。这样学生如果在实际工作中需要测量应力时必然不懂如何粘贴应变片，没有真正起到锻炼学生动手能力的作用。所以应开设粘贴应变片这样的开放性实验，让有兴趣的学生自主选择，培养学生的动手能力，让学生真正理解电测法的原理。选择这个实验项目的学生可不用再参与其他应力测试实验。这个实验项目内容包括：（1）确定测量方案：根据理论分析结果选择测点位置，根据测点应力状态和温度补偿原则确定应变片的布置和组桥方案；（2）应变片的选择：根据被测物体大小选择最适合大小的栅格的应变片、根据测试环境温度选择适合的温度范围的应变片等；（3）根据测量精度要求、数据采集数目和速度选择测量仪器；（4）粘贴应变片：根据试样材料和测量温度等选择黏结剂和黏结工艺，还要考虑导线电阻、分布电容和温度变化的影响等；（5）测量：接线完毕，先对测量仪器进行调试：预加载再卸载1- 3 次，预调平衡，正式测量时重复加载2- 3 次；（6）测量结果分析及完成报告：分析已采集的数据，并将其转换成应力或主应力。经过分析处理给出相应结论，例如，给出精度评价或不确定度分析。测量实验报告应包括必要数据、计算依据与计算结果、精度评价、实验结论等。

2.2 优化考核方式

实验成绩是对学生整个实验环节的综合评价，应反映出学生在实验过程中的操作能力和解决问题的能力。仅通过实验报告的考核无法真实反映学生的实验能力。为了更加公平客观地评价学生的实验能力，材料力学实验的考核应采取预习报告、课堂表现和实验报告的综合评价体系，其中预习报告和课程表现各占30%，实验报告占40%。福州大学的材料力学实验除了拉压外，其他实验均两人一组配合做实验。这样老师不仅可以监督学生实验过程是否规范，还可以根据学生在实验过程中的表现，进行过程考核。同时实验前事先跟学生强调必须在实验报告上写上同组成员姓名和学号，不同小组之间的实验数据是不同的，这样就需小组两个成员配合得到自己的实验数据，增强学生的参与感，有效减少了不同小组间相互抄袭实验数据的现象。对于像拉压实验这种小组成员较多的情况，可根据前面所说的让学生将前期调研工作写成预习报告上交，报告中明确标注每位学生的分工，老师根据分工对学生进行提问，给出成绩。

3 结论

材料力学实验是工科的一门重要的专业基础实践课程，不仅让学生体会到理论知识的实际应用，还可培养学生动手创新的能力。本文从实验教学内容和考核方式两方面对材料力学实验进行探索和改革，旨在改善目前材料力学的教学质量、丰富教学内容，提高学生对实验的积极性和主观能动性，培养学生动手能力、设计和创新能力，同时也提高学生的科研能力。当然，材料力学实验教学还有很多问题值得我们探索，对实验课程教学的探索和改革是一项长期的工作，任重道远。