陳衛(wèi)華，崔德立，王 洋

（裝甲兵技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130117）

盧嘉錫院士指出：“當(dāng)我們注意面向21世紀(jì)培養(yǎng)高等科技人才時(shí)，科技和社會(huì)發(fā)展要求我們培養(yǎng)的人才必須掌握現(xiàn)代科技的最新成就，必須具有較強(qiáng)的能力和寬厚的基礎(chǔ)，這就要求教學(xué)內(nèi)容和課程體系現(xiàn)代化”。力學(xué)演示實(shí)驗(yàn)屬于工科本科教育中一門必修的基礎(chǔ)課程中的重要環(huán)節(jié)，它的重要性在于工程力學(xué)對自然科學(xué)進(jìn)步的推動(dòng)作用。學(xué)員心中會(huì)產(chǎn)生這樣的問題：學(xué)習(xí)工程力學(xué)為了什么？有必要費(fèi)那么大的勁去學(xué)這門較難的課呢？教學(xué)實(shí)踐中我們進(jìn)行了多年探索如何使教學(xué)內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn)。工程力學(xué)教育需要從多方面進(jìn)行創(chuàng)新改革。其中“充分利用力學(xué)演示實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)員動(dòng)手能力，觀察能力和創(chuàng)新思維能力”是其中一個(gè)重要方向[1－3]。

在工程力學(xué)教學(xué)中為了突出學(xué)員的主體地位，培養(yǎng)學(xué)員的創(chuàng)新思維能力，教員應(yīng)對工程力學(xué)演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行合理的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，開發(fā)工程力學(xué)演示實(shí)驗(yàn)巧妙的構(gòu)思和方法，以演示實(shí)驗(yàn)為載體，拓寬學(xué)員思路，挖掘演示實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵，結(jié)合現(xiàn)代化的教學(xué)手段，通過演示實(shí)驗(yàn)活動(dòng)來培養(yǎng)學(xué)員的動(dòng)手能力、觀察能力和創(chuàng)新能力。

1 靈活把握演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過程

教學(xué)的同時(shí)引入演示實(shí)驗(yàn)，并且教員隨時(shí)提出問題，讓學(xué)員自己動(dòng)手實(shí)踐，探索問題產(chǎn)生的機(jī)理，進(jìn)而得出結(jié)論。這種方式有利于鍛煉學(xué)員通過實(shí)際操作分析問題和解決問題的能力，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)員創(chuàng)新的能力，教員也要盡可能的將演示實(shí)驗(yàn)變成邊教邊實(shí)驗(yàn)的形式進(jìn)行教學(xué)。

例如，在做《驗(yàn)證力的平行四邊形定則》的實(shí)驗(yàn)中，教員可讓幾個(gè)學(xué)員為一組準(zhǔn)備方木板、白紙、彈簧秤（兩個(gè)）、橡皮條，細(xì)繩套（兩條）、三角板，刻度尺、圖釘（幾個(gè)）。

讓學(xué)員們自己親手驗(yàn)證：一個(gè)力F′的作用效果與兩個(gè)共點(diǎn)力和的共同作用效果都是把橡皮條拉伸到某點(diǎn)，所以F′為和的合力。作出F′的圖示，再根據(jù)平行四邊形定則作出和的合力F的圖示，比較F′與F是否大小相等方向相同。學(xué)員們做實(shí)驗(yàn)的同時(shí)進(jìn)行觀察，增強(qiáng)了對知識的理解，還有教員有針對性的提出問題，激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，提高學(xué)員們動(dòng)手、動(dòng)口、動(dòng)腦的習(xí)慣養(yǎng)成。一邊教學(xué)一邊進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，不僅僅讓學(xué)員關(guān)注他們感興趣的現(xiàn)象和事物，而要引導(dǎo)他們逐步深入、擴(kuò)散思維，進(jìn)而培養(yǎng)他們的觀察能力、動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

2 與時(shí)俱進(jìn)，使工程力學(xué)演示實(shí)驗(yàn)跟上科學(xué)發(fā)展的步伐

工程力學(xué)演示實(shí)驗(yàn)對培養(yǎng)學(xué)員的創(chuàng)新意識和提高學(xué)員的創(chuàng)新能力起著至關(guān)重要的作用。教材中的實(shí)驗(yàn)不能完全滿足教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)員創(chuàng)新能力的需要，在這種情況下，教員可以帶領(lǐng)學(xué)員一起對演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，對較好的想法或改進(jìn)觀點(diǎn)進(jìn)行口頭表揚(yáng)或在平時(shí)成績上給予加分。這樣，不但加深了學(xué)員對知識的理解，而且可激發(fā)學(xué)員強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)手的愿望，強(qiáng)化學(xué)員的探索意識和創(chuàng)新欲望。

例如，材料的拉伸實(shí)驗(yàn)是材料力學(xué)中最基本實(shí)驗(yàn)，通過拉伸實(shí)驗(yàn)可以測定出材料一些基本的力學(xué)性能參數(shù)，如彈性模量，強(qiáng)度，塑性等。但是學(xué)院并不具備做拉伸實(shí)驗(yàn)的器材萬能試驗(yàn)機(jī)，因此這個(gè)實(shí)驗(yàn)只能講解，不能實(shí)驗(yàn)，怎么解決這個(gè)問題呢？有想法的教員會(huì)將現(xiàn)代的教學(xué)方式與傳統(tǒng)的教學(xué)方式相結(jié)合，充分利用多媒體資源，從網(wǎng)絡(luò)上截取了大量有關(guān)萬能試驗(yàn)機(jī)的一些圖片以及動(dòng)畫，然后根據(jù)幻燈片對學(xué)員進(jìn)行講解，這樣的做法并沒有錯(cuò)誤，并且效果還是不錯(cuò)的。但是換一種方法也許效果會(huì)更好：我們將萬能試驗(yàn)機(jī)用多媒體演示之后，其實(shí)教員可以組織學(xué)員動(dòng)手做一個(gè)近似的萬能試驗(yàn)機(jī)，演示一下萬能試驗(yàn)機(jī)的最基本工作原理。取兩個(gè)彈簧秤，找兩個(gè)框架，將兩個(gè)彈簧秤與框架相固聯(lián)，取來兩個(gè)千斤頂，放在兩個(gè)框架中間，這樣一個(gè)簡單的萬能試驗(yàn)機(jī)模型就呈現(xiàn)在眼前，在直觀性、趣味性還是美感上，比課堂上枯燥的講解效果強(qiáng)得多，還有讓學(xué)員自己動(dòng)手設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，可以更好地培養(yǎng)學(xué)員的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

3 使演示實(shí)驗(yàn)的層面加深、加寬

通常學(xué)員對事物的觀察往往是表層的、片面的甚至有時(shí)是錯(cuò)誤的。而力學(xué)知識的表現(xiàn)是多層次、多側(cè)面的。我們的教材中提供的知識往往是單層次、單側(cè)面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。對于培養(yǎng)學(xué)員創(chuàng)新能力，教員需要對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐卣购脱a(bǔ)充，盡可能地使學(xué)員從多層面、多方位去認(rèn)識力學(xué)規(guī)律的全貌。

例如，為驗(yàn)證材料的強(qiáng)度不僅跟軸力大小有關(guān)還與材料的橫截面積有關(guān)而做的粗細(xì)不同的兩根桿件承受相同外力作用的軸向拉伸試驗(yàn)，很多教員只是通過兩桿軸力相同，但隨著拉力的增大，橫截面小的桿件必然先被拉斷的這個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，就說明桿件的強(qiáng)度不僅與軸力的大小有關(guān)而且與橫截面面積的大小有關(guān)，實(shí)驗(yàn)做完不去進(jìn)行開發(fā)、挖掘，只讓學(xué)員了解了一個(gè)“理所當(dāng)然的事實(shí)”。如果對這個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，學(xué)員先根據(jù)以前的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行思考“哪根桿件不容易被拉斷”，讓學(xué)員帶著問題進(jìn)行觀察，目的是引起學(xué)員對這兩根粗細(xì)不同的桿件受力的重點(diǎn)觀察，然后分別演示兩根粗細(xì)不同但是長度相同、粗桿長而細(xì)桿短、細(xì)桿短而粗桿長等情況下桿件變化的情形，啟發(fā)學(xué)員對結(jié)果與條件關(guān)系的深層觀察和全面思考，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)員的創(chuàng)新能力。

4 合理設(shè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)問題，開發(fā)學(xué)員創(chuàng)新能力

創(chuàng)新教學(xué)的構(gòu)成要素是研究性、引導(dǎo)性、發(fā)現(xiàn)性、歸納性等有機(jī)的結(jié)合起來，在演示實(shí)驗(yàn)中創(chuàng)造性的應(yīng)用現(xiàn)代的教學(xué)方法和教學(xué)手段，將多種教學(xué)方法和教學(xué)手段進(jìn)行優(yōu)化組合，為學(xué)員創(chuàng)新能力的培養(yǎng)必須創(chuàng)造環(huán)境和條件。因此在工程力學(xué)教學(xué)中除了演示實(shí)驗(yàn)和分小組實(shí)驗(yàn)之外，在車間進(jìn)行試件制作等活動(dòng)中，讓學(xué)員進(jìn)行參觀，也可以舉行創(chuàng)造活動(dòng)，鼓勵(lì)學(xué)員創(chuàng)新發(fā)明。例如，在扭轉(zhuǎn)破壞演示實(shí)驗(yàn)中，我們分別做了低碳鋼和鑄鐵的扭轉(zhuǎn)破壞實(shí)驗(yàn)，對于鑄鐵的扭轉(zhuǎn)破壞實(shí)驗(yàn)結(jié)果鑄鐵斷口是與軸線成450的螺旋面，斷面呈閃光的顆粒狀組織與拉伸斷口的組織相同。這充分表明斷裂是由最大拉應(yīng)力引起的。而最大拉應(yīng)力先于最大剪應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限后發(fā)生斷裂又說明了鑄鐵的抗拉能力弱于其抗剪能力。這個(gè)實(shí)驗(yàn)給學(xué)員以深刻的印象，然而實(shí)驗(yàn)過后，不少學(xué)員提出：鑄鐵拉伸和扭轉(zhuǎn)的破壞原因是否相同？為什么鑄鐵扭轉(zhuǎn)斷裂較拉伸斷裂時(shí)有較明顯的塑性變形 ？鑄鐵扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)速不變，為什么開始時(shí)力盤指針轉(zhuǎn)動(dòng)很慢，以后卻越來越快，據(jù)此能否想象出鑄鐵扭轉(zhuǎn)曲線的形式。如果改變演示實(shí)驗(yàn)的一些做法，此時(shí)便可自然地引出一個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)的問題情境，結(jié)束之后學(xué)員便會(huì)根據(jù)扭轉(zhuǎn)斷口說明兩種材料的破壞原因，并對它們自身的抗斷能力進(jìn)行比較。依據(jù)這個(gè)想法開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)是學(xué)員親自參與設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)想法明確，學(xué)員會(huì)對實(shí)驗(yàn)所揭示的規(guī)律和實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想均留下了深刻認(rèn)識。

5 靈活掌握實(shí)驗(yàn)方式，增強(qiáng)學(xué)員創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

一般情況下，課堂演示實(shí)驗(yàn)教員講解、演示，學(xué)員認(rèn)真觀察、思考，并沒有直接參與，這樣很難培養(yǎng)學(xué)員的創(chuàng)新能力。欲將演示實(shí)驗(yàn)改為探索發(fā)現(xiàn)型實(shí)驗(yàn)，使學(xué)員親自動(dòng)手、動(dòng)腦、動(dòng)口，顯示學(xué)員的主體地位，這樣更有利于學(xué)員創(chuàng)造性思維的激發(fā)，以下是本人設(shè)計(jì)的兩個(gè)工程力學(xué)演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案：

案例一 應(yīng)力分析演示實(shí)驗(yàn)

有電測、光彈性、x射線測試儀等實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析的方法，實(shí)驗(yàn)前提醒學(xué)員仔細(xì)觀察用不同方法測應(yīng)力的區(qū)別之處，了解靜態(tài)測試技術(shù)，了解電測實(shí)驗(yàn)的基本原理和方法分析，比較確定最佳方法。課堂上再討論總結(jié)，測得應(yīng)力的方法可以有以下幾種：

（1）電測應(yīng)力分析法；

（2）x射線測試儀測應(yīng)力分析法；

（3）光彈儀測應(yīng)力分析法；

教員和學(xué)員再一起研究以上方法的可行性，選擇出最佳的演示實(shí)驗(yàn)方案。

案例二 比較小球質(zhì)量大小實(shí)驗(yàn)

我們在做“用單擺測重力加速度”這個(gè)實(shí)驗(yàn)之前可對學(xué)員說：現(xiàn)在來研究一下兩個(gè)質(zhì)量不同的小球。我現(xiàn)在手里有兩個(gè)擺球，怎樣才能比較出它們的質(zhì)量大小呢？學(xué)員們可能會(huì)想出以下幾個(gè)方法。

（1）材質(zhì)相同的實(shí)心小球，觀察它們體積的大??；

（2）用手感覺一下球體的輕重；（3）用天平稱一下球體的質(zhì)量；（4）使兩小球相碰撞，根據(jù)工程力學(xué)理論知識就可知質(zhì)量大小。

上面幾種方法，第（4）種方法值得鼓勵(lì)。它將工程力學(xué)中碰撞的知識應(yīng)用在兩物體質(zhì)量的比較中。已經(jīng)達(dá)到了知識發(fā)散的要求。這正是微觀世界中測質(zhì)量的一種方法。

總之，我們依據(jù)創(chuàng)新教育的教學(xué)理念，認(rèn)真的分析每個(gè)演示實(shí)驗(yàn)、對有價(jià)值的演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行開發(fā)，認(rèn)真研究每個(gè)演示實(shí)驗(yàn)要培養(yǎng)學(xué)員哪方面的能力和素質(zhì)，就一定會(huì)在培養(yǎng)學(xué)員創(chuàng)新能力的教學(xué)中取得良好的效果。

[1]教育部.普通高等學(xué)校本課教學(xué)工作水平評估方案（試行）[EB／OL].2004（8）：12.

[2]盧德馨.大學(xué)物理學(xué)研究性教學(xué)[J].物理與工程，2004（1）：1－4.

[3]方康年.淺談開放式實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與管理[J]合肥學(xué)院學(xué)報(bào)，2008（1）.