吳 菁，劉 燕

(海軍工程大學(xué) 理學(xué)院，武漢 430033)

基于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的《工程力學(xué)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

吳 菁，劉 燕

(海軍工程大學(xué) 理學(xué)院，武漢 430033)

針對(duì)傳統(tǒng)工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐，對(duì)該實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)模式和教學(xué)方法進(jìn)行改革與創(chuàng)新的探索。同時(shí)，為了加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，構(gòu)建了“理論_實(shí)驗(yàn)_實(shí)踐”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和體系。

工程力學(xué)；實(shí)驗(yàn)；研究性教學(xué)；創(chuàng)新人才培養(yǎng)

《高等教育法》明確規(guī)定：“高等教育的任務(wù)是培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的高級(jí)專門人才。”前教育部長(zhǎng)周濟(jì)也曾強(qiáng)調(diào)：“深化改革，提高質(zhì)量，必須堅(jiān)持以培養(yǎng)創(chuàng)新性人才為重點(diǎn)”[1_2]。提高學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力是時(shí)代的要求，也是提高教學(xué)質(zhì)量的重點(diǎn)和難點(diǎn)?！豆こ塘W(xué)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)是緊密聯(lián)系實(shí)際，培養(yǎng)學(xué)生掌握科學(xué)方法和提高動(dòng)手能力的有效平臺(tái)，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)。《工程力學(xué)》實(shí)驗(yàn)作為《工程力學(xué)》課程的重要組成部分，在培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)識(shí)工程現(xiàn)象和分析工程問題的能力方面有著不可替代的作用。它能全面提高學(xué)生綜合素質(zhì)，有助于其他后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。

1 傳統(tǒng)工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

《工程力學(xué)》兼具基礎(chǔ)學(xué)科和應(yīng)用學(xué)科的雙重特點(diǎn)，《工程力學(xué)》實(shí)驗(yàn)課程必須重視理論聯(lián)系實(shí)際。它對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)，幫助學(xué)生建立工程概念起著重要的作用。但傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)觀念比較封閉和單一，力學(xué)實(shí)驗(yàn)仍是以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重心也是放在加深相關(guān)理論課知識(shí)點(diǎn)的理解上。其現(xiàn)狀特點(diǎn)主要表現(xiàn)在：(1)在實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置上，重理論輕實(shí)踐?！豆こ塘W(xué)》實(shí)驗(yàn)課程完全依附于理論課程，實(shí)驗(yàn)多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，缺乏激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造力的設(shè)計(jì)性和綜合性課題實(shí)驗(yàn);(2)在教材內(nèi)容上，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)步驟描寫過細(xì)，學(xué)生按部就班地按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書操作，寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告就算完成了實(shí)驗(yàn)任務(wù)。雖然學(xué)生參與了實(shí)驗(yàn)課程，但卻處于被動(dòng)學(xué)習(xí)狀態(tài);(3)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)上，教師過分強(qiáng)調(diào)對(duì)理論知識(shí)的復(fù)習(xí)和鞏固，片面地重視實(shí)驗(yàn)操作技能的訓(xùn)練，學(xué)生只是單一模仿;(4)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果上，學(xué)生極少進(jìn)一步思考已學(xué)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)課程沒有充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，甚至阻礙了學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

如何在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室的空間和資源條件下，充分調(diào)動(dòng)和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，進(jìn)一步提高學(xué)生實(shí)際動(dòng)手的操作技能，從根本上變學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)求知，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，成為亟待解決的問題。在現(xiàn)代高等教育思想的引導(dǎo)下，我們嘗試將創(chuàng)新性教育融入到《工程力學(xué)》實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)過程中，使學(xué)生的力學(xué)綜合素質(zhì)得到提高。

2 由教向?qū)W的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變是創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)

深入挖掘新的生動(dòng)形象的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，融入日常生活中工程力學(xué)知識(shí)的運(yùn)用以及工程力學(xué)所要解決的工程問題。使學(xué)生對(duì)課程有新鮮感，一定程度上產(chǎn)生工程責(zé)任感，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)他們的自覺性和主動(dòng)性，使得學(xué)生變“要我學(xué)習(xí)”為“我要學(xué)習(xí)”。

1)通過列舉一些司空見慣的生活現(xiàn)象，如用廢棄的PVC管演示壓桿失穩(wěn);用扭轉(zhuǎn)粉筆觀察斷口樣貌，來解釋脆性材料扭轉(zhuǎn)破壞原因等。我們身邊處處都有力學(xué)問題，這些問題中均包含著一定的力學(xué)原理，并在《工程力學(xué)》實(shí)驗(yàn)中充分體現(xiàn)。

實(shí)例1：在進(jìn)行金屬材料拉伸實(shí)驗(yàn)課前，在課堂上首先拿出一袋常見小零食問學(xué)生，為什么這些食品包裝袋的外邊緣做成鋸齒形或者有個(gè)小缺口呢？同時(shí)將啞鈴狀拉伸試件作為類比，提出試樣的過渡區(qū)為何設(shè)計(jì)成圓弧狀呢？以此加深學(xué)生對(duì)拉伸實(shí)驗(yàn)中試件外形設(shè)計(jì)應(yīng)考慮應(yīng)力集中問題的認(rèn)識(shí)。

實(shí)例2：《三國(guó)演義》中，由于赤兔馬被馬忠設(shè)下的“絆馬索”絆倒，使關(guān)羽為漢蜀事業(yè)忠義千古的故事。就這一故事問學(xué)生：馬匹是否有可能沖斷絆馬索，逃出敵人設(shè)下的陷阱呢？緊接著再進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)衡量構(gòu)件抗沖擊能力的抗沖擊韌度的測(cè)量方法。如此可將沖擊問題形象化，將抗沖擊韌度概念具體化。舉這些實(shí)例的關(guān)鍵在于教師平時(shí)的積累。有了這些鮮活的實(shí)例，學(xué)生的興趣自然會(huì)提高，求知欲望自然會(huì)更迫切。

2)結(jié)合重大工程事故，說明《工程力學(xué)》課程的實(shí)際意義及重要性，同時(shí)可培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，喚起學(xué)生的責(zé)任意識(shí)和質(zhì)量意識(shí)。

事故1：1912年4月10日，“泰坦尼克號(hào)”這一當(dāng)時(shí)世界上最大的超豪華客輪，在它的首航撞上冰山，造成了和平時(shí)期最大的航海事故。這一事故的原因是什么呢？究其原因是設(shè)計(jì)者沒有考慮到溫度對(duì)金屬材料力學(xué)性能的影響。拋磚引玉地讓學(xué)生明確溫度對(duì)材料的力學(xué)性能的影響，理解試驗(yàn)環(huán)境對(duì)工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)的影響，樹立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)觀念。

事故2：1907年加拿大548 m長(zhǎng)的魁北克大橋倒塌，事故原因就是由于施工時(shí)兩根壓桿的失穩(wěn)引起的。如何通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得壓桿的臨界力呢？此時(shí)，學(xué)生迫切地希望有效快速地測(cè)量桿件的臨界力。這不正是“我要學(xué)習(xí)”嗎？通過這些慘痛的工程事故，學(xué)生會(huì)切實(shí)感受到他們不僅僅是在做實(shí)驗(yàn)，而是在從事著關(guān)乎工程安全的大事，進(jìn)而明確進(jìn)行《工程力學(xué)》實(shí)驗(yàn)的重大意義。

3 研究性教學(xué)方法是創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的關(guān)鍵

研究性教學(xué)是注重培養(yǎng)人才創(chuàng)新精神和創(chuàng)造能力的一種全新的教學(xué)方式。它是知識(shí)傳授與探索相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生求知欲和創(chuàng)造性的教學(xué)方法。在這樣的教學(xué)方法下，學(xué)生是知識(shí)加工消化的主體，教師只是建構(gòu)知識(shí)體系的幫助者。學(xué)生面對(duì)問題必須結(jié)合所學(xué)知識(shí)，搜集信息、獲取資料，融合在一起后主動(dòng)思考，在教師的協(xié)助下解決問題。針對(duì)《工程力學(xué)》實(shí)驗(yàn)課探究性、自主性和開放性的特點(diǎn)，完全可以將研究型教學(xué)方法運(yùn)用到《工程力學(xué)》實(shí)驗(yàn)課上，自覺地將創(chuàng)新教育寓于教學(xué)過程中[3_5]。

3.1 與時(shí)俱進(jìn)，更新授課內(nèi)容

根據(jù)學(xué)生所學(xué)專業(yè)等實(shí)際情況，教師應(yīng)密切關(guān)注《工程力學(xué)》實(shí)驗(yàn)課程、《理論力學(xué)》課程、《材料力學(xué)》課程及相關(guān)專業(yè)課程的國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)研究動(dòng)態(tài)，及時(shí)更新授課內(nèi)容。教師應(yīng)從學(xué)科的理論高度把握講授課程的內(nèi)容。深入淺出地結(jié)合《工程力學(xué)》實(shí)驗(yàn)課程講解前沿知識(shí)的產(chǎn)生背景、研究方法和存在問題等，激發(fā)學(xué)生追求真理、崇尚科學(xué)、勇于探索的熱情。筆者就曾在學(xué)生完成金屬材料(鑄鐵和低碳鋼)拉伸實(shí)驗(yàn)后，介紹新型智能材料——炭黑水泥基復(fù)合材料。目前國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展表明該材料具有力電效應(yīng)，即該材料電阻變化與受力之間存在聯(lián)系，且現(xiàn)象明顯，但該材料力場(chǎng)與電場(chǎng)間有怎樣的關(guān)系還未明確。

基于此，筆者指導(dǎo)學(xué)生利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)儀器(電子萬能試驗(yàn)機(jī))和所學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)量該新材料(炭黑水泥基復(fù)合材料)的彈性模量、泊松比等力學(xué)性能，其實(shí)驗(yàn)成果將為后續(xù)研究力場(chǎng)_電場(chǎng)本構(gòu)關(guān)系提供基本的材料性能參數(shù)。研究性教學(xué)不僅鞏固了《工程力學(xué)》實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)知識(shí)，還讓學(xué)生體驗(yàn)到學(xué)科前沿觸手可及，增強(qiáng)了求知主動(dòng)性。

3.2 依托網(wǎng)絡(luò)，組織小課題研究

積極利用現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)教學(xué)手段，開展多種形式的課外交流學(xué)習(xí)。網(wǎng)絡(luò)使得教師與學(xué)生之間，學(xué)生與學(xué)生之間沒有了時(shí)間和空間的限制，大家可以在網(wǎng)絡(luò)這個(gè)無限的平臺(tái)上，共同探索和研究。目前，筆者已完成的基于校園網(wǎng)的“工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)”就是這樣一個(gè)平臺(tái)。這一系統(tǒng)除了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程的在線安排實(shí)施外，專門為研究型教學(xué)開發(fā)了一個(gè)板塊，該板塊共包含討論區(qū)、專題區(qū)和成果區(qū)(教學(xué)實(shí)施流程簡(jiǎn)圖如圖1所示)。(1)根據(jù)所學(xué)基本實(shí)驗(yàn)和當(dāng)前最熱門問題，大家可以在網(wǎng)絡(luò)討論區(qū)暢所欲言。(2)教師根據(jù)討論區(qū)內(nèi)容結(jié)合課程實(shí)際和自身科研方向，精選出具有代表性的話題放入專題區(qū)，成立小型課題組。管理員將各課題組指導(dǎo)教師信息、研究方法及內(nèi)容放入專題區(qū)。學(xué)生根據(jù)興趣自由分組，登錄到系統(tǒng)專題區(qū)，成為專題區(qū)內(nèi)某一課題中的一員。(3)各指導(dǎo)教師指導(dǎo)本組學(xué)生查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，研討問題，明確階段性任務(wù)，制定實(shí)驗(yàn)方案，著手實(shí)驗(yàn)，最后給出自己的評(píng)價(jià)觀點(diǎn)。各組指導(dǎo)教師期末將各組研究的結(jié)論在成果區(qū)展示。這些成果包括專利成果、學(xué)術(shù)論文、競(jìng)賽獲獎(jiǎng)甚至是學(xué)生的心得體會(huì)等。這樣真正實(shí)現(xiàn)研究性教學(xué)，提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效益。

圖1 教學(xué)實(shí)施流程簡(jiǎn)圖

筆者就測(cè)量炭黑水泥基復(fù)合材料電阻變化實(shí)驗(yàn)曾成立了一個(gè)專題興趣組。課題小組由五名學(xué)生自發(fā)組成。教師將當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展在網(wǎng)上提供給學(xué)生，讓組員每人擬定一種實(shí)驗(yàn)方案。對(duì)比分析幾種實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)劣后，選定一個(gè)最優(yōu)方案著手實(shí)驗(yàn)。最后在師生配合下，學(xué)生自己動(dòng)手得到了完美的力——電阻變化曲線，并最后將規(guī)律結(jié)論成文發(fā)表。這一實(shí)驗(yàn)是金屬材料拉伸實(shí)驗(yàn)的延伸與推廣，又是電測(cè)實(shí)驗(yàn)和力測(cè)實(shí)驗(yàn)的融合，更是學(xué)生創(chuàng)新能力激發(fā)與培養(yǎng)的嘗試，可謂達(dá)到了多贏的效果。

4 “理論_實(shí)驗(yàn)_實(shí)踐”的教學(xué)內(nèi)容是創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的核心

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單調(diào)，從實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的準(zhǔn)備到實(shí)驗(yàn)步驟的制定等各方面均是教師進(jìn)行，缺乏學(xué)生的參與。而學(xué)生的創(chuàng)新思維和能力在實(shí)驗(yàn)課中特別是在實(shí)踐環(huán)節(jié)內(nèi)可以得到較大提升。為此可以將《工程力學(xué)》實(shí)驗(yàn)分為理論課輔助、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐創(chuàng)新三個(gè)階段。通過理論課輔助階段提高學(xué)生動(dòng)手能力，利用基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)階段實(shí)現(xiàn)學(xué)生綜合應(yīng)用能力的培養(yǎng)，通過社會(huì)實(shí)踐、科研訓(xùn)練和實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽使學(xué)生獲得創(chuàng)新思維的訓(xùn)練和提升[6_7]。

1)理論課輔助階段。伴隨理論課的學(xué)習(xí)，開展以力學(xué)基本量的測(cè)量與實(shí)驗(yàn)儀器使用為核心內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)課。如金屬材料拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)和材料剪切彈性模量G測(cè)定等。其目的在于加深學(xué)生對(duì)理論概念的理解，了解如電子拉壓試驗(yàn)機(jī)和電子扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)等基本的實(shí)驗(yàn)儀器的使用方法，掌握基本的力學(xué)試驗(yàn)方法。

2)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)階段。該階段實(shí)驗(yàn)包括如光彈實(shí)驗(yàn)、電測(cè)實(shí)驗(yàn)(純彎曲梁正應(yīng)力測(cè)定)等實(shí)驗(yàn)，目的在于熟練掌握如靜態(tài)電阻應(yīng)變儀等儀器設(shè)備的使用。學(xué)生在課前預(yù)習(xí)的基礎(chǔ)上，按實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書步驟，熟悉基本的分析問題和解決問題方法，完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。在該階段，學(xué)生所學(xué)不再僅僅拘泥于課本或?qū)嶒?yàn)室的教學(xué)設(shè)備，為參與簡(jiǎn)單的實(shí)際工程測(cè)量(如管道應(yīng)力測(cè)試等)奠定基礎(chǔ)。

3)實(shí)踐創(chuàng)新階段。該階段的教學(xué)內(nèi)容包括組建各類課題組和參與力學(xué)實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽。如學(xué)生根據(jù)興趣參與小型課題組，將前兩個(gè)階段所學(xué)知識(shí)融入到實(shí)踐中，探究和解決新問題。教師可在學(xué)生中選拔出理論知識(shí)扎實(shí)、動(dòng)手能力強(qiáng)且有極大熱情的學(xué)生參與每年的各類力學(xué)競(jìng)賽。

5 結(jié)束語(yǔ)

創(chuàng)新性教育應(yīng)一點(diǎn)一滴地滲透到《工程力學(xué)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中。教師在傳授不斷更新的知識(shí)內(nèi)容的同時(shí)，激發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考和創(chuàng)新意識(shí)，重視培養(yǎng)學(xué)生收集處理信息的能力、獲取新知識(shí)的能力、分析和解決問題的能力、語(yǔ)言文字表達(dá)能力以及團(tuán)結(jié)協(xié)作和社會(huì)活動(dòng)的能力。

[1]周濟(jì).實(shí)施“質(zhì)量工程”貫徹“2號(hào)文件”全面提高高等教育質(zhì)量[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2007(3)：4_8.

[2]吳樹青.深化高等教育改革增強(qiáng)創(chuàng)新能力促進(jìn)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)[J].清華大學(xué)教育研究，2007(10)：1_7.

[3]范欽珊，陳件平.研究型大學(xué)需要研究型教學(xué)[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2009(11)：8_10.

[4]劉亮成，許秀英，劉健.研究型教學(xué)的探討與嘗試[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30(10)：293_295.

[5]劉小蘭.研究型教學(xué)對(duì)于創(chuàng)新人才培養(yǎng)的價(jià)值[J].黑龍江教育：高等教育與評(píng)估，2007(Z1)：101_102.

[6]陳鋒，吳明暉，顏暉.影響應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)討論[J].中國(guó)大學(xué)教育，2011(5)：23_25.

[7]王穎.高校實(shí)踐教學(xué)與創(chuàng)新人才培養(yǎng)探討[J].新技術(shù)，2007(2)：72_74.

Teaching Practice of Engineering Mechanics EXperiment Based on the Cultivation of Innovation Talents

WU Jing，LIU Yan
(College of Arts and Science，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China)

This paper analyzes the existing problems in the traditional engineering mechanics experiment.Based on teaching practice，we explored the reform and innovation of experimental instruction from the perspective ofmodel and approaches.Meanwhile，a new experiment course content and the system，which is〝theory-experiment-practice〝，is constructed in order to cultivate the practical and innovative ability of students.

engineeringmechanics;experiment;research teaching;creative students training

G40_012；G642.42

A

10.3969/j.issn.1672_4550.2014.01.052

2012_07_11

吳 菁（1981_），女，碩士研究生，講師，研究方向：復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)。