材料力学机械性实验教学的改革与探索

王小玉 ，薛娜，杨英

（河南城建学院 土木与交通工程学院，河南平顶山 467036）

材料力学实验是材料力学的重要组成部分，是课堂教学不可或缺的专业基础实践性教学环节。通过实验教学，可以实现学生对课堂知识的巩固、补充和提高，训练学生进行科学实验和独立工作的能力，培养学生严肃认真的科学态度和严谨的工作作风，加深对材料受力特性、力学性能等的直观理解。同时，通过实验可掌握必要的实验基本功及对实验数据的整理和分析能力，培养学生的组织协调和创新能力，为学生今后进一步的学习、研究打下坚实的基础。

1 机械实验教学中存在的问题

1.1 大班授课，学生参与度不高

目前开设材料力学机械性能实验的有土木工程、地下空间工程、勘查技术与工程等共计17个专业。由于机械实验属于破坏性实验，实验操作过程中存在一定的不安全性，需有实验指导教师在侧，以应对突发状况，但实验指导教师数量及试件预算有限，不能使每名学生单独进行实验，所以在机械实验过程中学生以大班进行实验。这个过程中就会存在一部分学生参与度不高，达不到培养学生动手能力的目的。

1.2 师生对实验教学重视程度有待提升

本校材料力学的实验教学属于课内实验，穿插在理论授课过程中，实验指导教师主要由理论授课教师担任，部分教师仅把实验作为课内理论知识的验证手段，缺乏对实验的正确认识[1]，导致学生对实验同样不重视，实验课未能实现提高学生综合分析问题能力的目标。

1.3 实验考核体系不完善

以往实验教学中教师只依据学生上交的实验报告对学生在实验环节的表现进行考核，并将其作为《材料力学》课程平时考核的一部分，而实验考核只占平时考核的一小部分，且该考核方式忽略了学生在实验过程中的实际动手能力，无法充分反映学生在实验环节的真正表现，无法有效调动学生参与实验的主动性和积极性，难以为学生学习能力和知识水平的提高提供保障[2]。

1.4 实验前预习不充分

实验前要求学生对实验指导书进行预习并完成预习报告，学生通常简单抄写实验指导书作为预习报告上交，并未真正做到对实验内容进行充分预习。导致学生来到实验室之后，依旧不清楚实验流程及实验具体操作，这就需要指导教师花费大量时间讲解实验步骤及实验操作，或者直接带着学生完成整个实验过程，不利于学生各项实践能力的培养。

1.5 学生缺少独立思考的时间和空间

传统的实验教学模式为，在有限的时间内，指导教师讲解实验原理、操作步骤等，学生完成实验前数据测量、实验过程操作、实验后数据测量等。整个实验过程步骤多，连贯性强，需要学生完成的任务也较多。通常只有一小部分学生在整个过程中思路是清晰的，大部分学生并不清楚每一步的作用，也不清楚接下来该做什么。最后，大部分学生在教师和一小部分学生的带领下完成了整个实验。这样的授课模式，使大部分学生在实验过程中对指导教师的依赖程度过高，缺少独立思考的空间和时间，导致学生缺乏独立性，失去学习主动性及创新性。

2 实验教学进行的改革

2.1 改进传统实验教学分组方法，做到人人动手

工程教育专业认证提出了以学生为中心的核心理念，强调教学中体现学生的主体地位，充分调动教师和学生在教学过程中两方面的积极性，不仅有利于学生提高学习兴趣与动机、加强学习时间与精力投入，更有利于学业满意度的提升。在此前提下，要求教学设计聚焦学生能力培养。目前，根据实验室设备台套数以及实验指导教师数量，按照15-20人的小班进行实验授课，3-4人/组进行分组，做到人人参与、人人动手，锻炼学生动手能力、提高学生学习主体自主学习和独立思考的自觉意识，激发学生自身的潜能和创造力。

2.2 完善考核方式，提高学生主动性

依据实验报告完成质量对学生实验环节掌握情况进行考核，会使学生对实验环节缺乏学习主动性，不利于教师了解学生在实验环节的动手能力及学习情况，对学生提升动手能力和学业水平也极为不利[2]。因此，材料力学机械实验教学改革应完善考核方式，提高学生主动性。主要针对学生预习情况、实验操作过程、实验后数据处理能力及综合分析能力进行考核。

根据学生在“学在城建”教学平台上完成任务情况、实验预习报告完成质量及随机提问情况对学生预习情况打分。实验室提前做好实验卡片，见图1，指导教师根据学生参与实验情况、对实验基本操作流程的熟悉程度、操作的规范性及独立性对每名学生实验过程进行打分。实验结束后，根据学生上交的实验报告，见图2，对学生实验数据处理能力及实验分析能力进行打分。以上三部分按照一定比例进行折算，即为学生实验成绩。此方法较传统考核方法更加合理、客观、多元化。

图1 实验卡片

图2 实验报告部分内容展示

2.3 借助虚拟仿真软件，增加学习趣味性

虚拟仿真实验是一种利用互联网、虚拟现实等信息技术，通过构建虚拟实验场景、实验内容、操作对象，以及灵活多样的交互环节，使学生可以不受时空限制进行在线实验的一种全新的教学手段和教学方式[3]。虚拟仿真技术为学生提供了多样化的学习方式，增加了学习趣味性，引导学生自主学习，为材料力学机械实验教学改革提供了重要方向。

本校力学虚拟仿真实验室开设有“基于互联网的金属材料单轴拉伸实验、单轴压缩、金属材料扭转”3个基础力学三维仿真实验项目，如图3所示。学生可通过虚拟仿真实训软件反复练习操作过程，观看实验现象及实验数据，对实验过程进行充分预习，并有充分时间进行相关思考。

图3 材料力学虚拟仿真软件

2.4 构建“互联网＋”师生交流平台

材料力学机械实验教学改革顺应网络时代发展趋势，发挥当代大学生对互联网高度依赖的特征，以现代信息技术为载体，为学生碎片化的学习提供条件，使学生获取知识的途径更加方便快捷[4]。具体措施如下：

在“学在城建”网络教学平台上建立课程门户，见图4，提前将实验指导书、实验操作视频按照任务点的形式上传到此网络教学平台，见图5。学生在实验前通过移动客户端对实验原理、实验设备操作及实验步骤进行预习，学生到实验室之后就不需要指导教师把大量的时间花在讲解实验原理和实验操作上，为学生腾出更多动手操作和分析思考时间。

图4 建立网络教学平台课程门户

图5 网络平台实验操作视频

3 未来机械实验探索

3.1 增加创新性实验

一直以来，材料力学机械实验开设的实验项目比较固定，主要包括金属材料拉伸、压缩、扭转以及等增量法测金属材料的弹性模量，开设的实验教学项目偏于基础与常规[5]。学生按照准备好的试件，设计好的加载方式进行实验加载及实验操作，即可得到预定结果，该模式可以培养学生基础实验能力，但缺少独立思考空间。今后要在机械实验部分增设创新性实验，实验室每年根据计划购买创新性实验所需要的试件，学生可根据实验室现有设备、试件等，结合所学理论知识，自己设计实验目的和实验步骤，完成实验过程，激发学生的自主探索能力。

3.2 提高实验课教学地位

目前，材料力学课程将实验授课穿插于理论授课过程中，此方法虽然便于知识点讲解，但是弱化了实验课地位。此种授课方法使实验课成为验证理论知识的手段，并不能起到培养学生素质、提升学生能力的作用。今后希望能够将实验授课从理论授课中独立出来，作为单独的一门课程进行教学，提高学生对实验课的重视程度。

3.3 建立专业的实验教学授课团队

专业的实验教学队伍是进行实验教学的强有力支撑，直接影响实验教学水平和教学效果，很多院校已经意识到专业团队的重要性，配备了独立的实验教学团队[6]。实验教学人员要不断学习理论知识，拓展实验授课方法，把新的教学模式、教学方法、教学理念等应用到实验授课中，提升实验授课水平和效果。

4 结语

实验教学是培养创新人才的必由之路，是高校办学水平和办学特色的重要标志，是学校核心竞争力的重要体现。实验教学是培养学生理论联系实际、提高学生实践能力和创新能力的重要环节[7]。因此，深化实验教学改革，充分发挥实验教学重要作用，直接关系着高校的教学质量和发展。