工程力学创新实验教学的探究.pdfVIP

工程力学创新实验教学探究1 *,2 * 王习术 ，吴新如 * 清华大学航天航空学院，北京，100084 摘要：作者们近5年基于对工程力学实验教学的理解和体会，对如何激发学生自主动手，主观能动地寻找、 分析力学实验中出现的科学问题提出了新的教学方式和教学理念。课程教学中引入了近期材料力学性能研 究成果，以一堂典型的材料力学性能参数实验为例，开展师生互动，启发学生在实验过程中 “听其声，观 其形”地寻找科学问题并让学生们从陌生领域的一些关键内容寻找答案，激励他们的创造欲望，鼓励他们 撰写 “小论文”。 关键词：材料; 工程力学; 实验研究; 教学讨论; 案例分析 引 言 教育研究是以教学改革为载体而进行的。古人云：“意在笔先者胜，意在笔后者败。”积 极探究教学改革是各高校力推的一项教育工作。工程力学创新实验教学是一门与材料力学和 工程力学理论教学相辅相成的培养大学生动手能力的课程。其自身特点明确，教学目的清晰。 多数高校尤其一些研究型大学，在实施这门实验课程教学中还存在教师如何引导学生进行创 新性思维的启发，学生还缺乏对实验过程中如何寻找科学问题。因此，教与学出现仅是到实 验室取得每个实验的实验数据且毫无变化的一门简单的验证性的过程。这样的实验教学过程 与投入的人力、财力及教学时间极其不相一致。长期以往，学生们的积极性、主动参与性受 到极大的损害。那么如何在现有的工程力学实验教学过程中引入创新思维和探究科学问题的 教学思想？将具有提高实验教师教学水平和提供丰富多彩的工程力学实验教学内容，吸引大 学生参与学习的积极性。本文拟对下面四个问题与同仁一起理解和把握，在教学实践中更好 地实现共同的追求。 1 大学生学习工程力学实验现状 工程力学实验教学多数高校均安排在大二或大三学期进行，因此，对于这个阶段的学生 特点体现出以下特点:刚刚从普通物理或化学课程中熟悉高校的实验教学体系，有了与高中 阶段一些实验教学相同和不同的体会。通过工程力学或材料力学的基础理论学习，知道需要 在一定条件下可以用实验手段验证理论对错的一种直接方法如弯曲应力分布可以通过简支 1 国家自然基金和新金属材料国家重点实验室开放基金 （2010ZD-04 ）资助项目 2 E-mail ：xshwang@tsinghua.edu.cn 梁弯曲时的应变检测和虎克定律获得相应的应变规律；另一方面，这期间学生已由完全的基 础课程学习转向专业基础课程的学习阶段；多数同学已经或部分适应了由被动学习向主动或 研究性学习方式的转变；但多数学生没有阅读研究论文的经历。即使如此，这并不影响他们 中的一些学生显露出工科学生特有的向往设计或科学研究的 “原始冲动”与 “研究欲望”， 甚至有了一些 “new ideas ”。此外，教学层面多数高校的实验教学计划还是数年不变的标准 化的教学内容，对教学实验软环境的重视程度各高校也参差不齐，因而不可避免地存在一些 教与学的矛盾[1-4] 。 2 一堂典型实验课程的教学启示 铸铁 低碳钢 力 （ ） N 铝或铜 高分子塑料 位 移 图1 常见的电子万能试验机加载平台 图2 典型材料的室温应力应变曲线示意图 图1 所示是集计算机控制、加载平台等多项功能为一体、低成本的力学实验设备，可实 现工程力学一般性实验 （拉、压、弯、扭）和一些综合性实验。通过操作这些大型设备，对 学生的心理训练是理论教学无法给予的[5-8]。 “材料静态单向拉伸破坏实验”的时间安排为3 学时。小组间的实验内容尽可能不重复， 分别以低碳钢、铸铁、铝合金或铜、高分子材料为对象，这些材料的拉伸曲线如图2 所示。 在开始讨论前，大多数学生不知道如何利用所学知识及联系自己在生活中所接触的实际问 题，讨论中通过启发式的提问，让学生自述实验中所发现的问题并结合工程实际进行解释与 说明。经过5 年多的实践表明，这种学生自己操作与讨论结合的教学方式，能很好地调动学 生的求知欲望，大家都愿在课后带着问题投入大量时间阅读相关文献，撰写 “小论文”。例 如，根据这些曲线特点分别介绍材料的强度指标、韧性指标的定义与确定方法，同时，以对 照曲线变化中可能导致的试样表面出现相应的宏观现象向微观结构演化与宏微观关系为题， 组织学生进行讨论并给出相关参考答案；向学生提出多种研究小题目以及介绍这些研究的可 能手段与方法。 图3 所示介绍了镁铝合金试样表面的微观滑移线以及裂纹盟生的机理图像。它表明材料 试样在拉伸断裂过程中试样表面出现滑移、起裂、裂纹扩展直至断裂几个阶段。同时反映了 当滑移线延伸到晶界界面时，很少有直接穿过界面进入下一个晶粒内的情况，这表明晶界界 面阻碍了滑移扩展，当上下晶粒都出现滑移