楊洪武 楊漢文 湯正良 匡 建

華中科技大學(xué) 湖北武漢 430074

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是工程力學(xué)課程教學(xué)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的教學(xué)方法主要是教師先示范，然后學(xué)生按操作規(guī)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，學(xué)生的主觀能動(dòng)性得不到發(fā)揮，不利于動(dòng)手能力和探索精神的培養(yǎng)。雖然許多高校改革了工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式[1,2]，采用啟發(fā)式、引導(dǎo)式教學(xué)，但是隨著時(shí)代的發(fā)展，這些方法也顯示出一些不足之處：或教學(xué)模式有一定局限性，不是通用的教學(xué)模式，或教學(xué)手段較為陳舊，需要引入現(xiàn)代化教學(xué)方式，提高效率。針對(duì)工程力學(xué)教學(xué)中存在的不足之處，根據(jù)教學(xué)基本要求和培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合筆者的實(shí)踐，從課程的教材編寫、教學(xué)方法、教學(xué)手段、考核方式等方面進(jìn)行了改革。

1 編寫適合本校學(xué)生特色的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書和實(shí)驗(yàn)報(bào)告手冊

實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書是針對(duì)不同專業(yè)，不同院系的學(xué)生特點(diǎn)編寫的，內(nèi)容全面，非力學(xué)專業(yè)的六次實(shí)驗(yàn)只占其中的小部分，而且設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有的與實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書不完全相符，部分學(xué)生在預(yù)習(xí)時(shí)往往會(huì)混淆，搞不清或搞錯(cuò)書上的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，或者預(yù)習(xí)的內(nèi)容和將要在實(shí)驗(yàn)室做的內(nèi)容存在差異。因此有必要重新編寫實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，解決以上問題。

我們在新編寫的實(shí)驗(yàn)報(bào)告手冊中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，編寫了六次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、注意事項(xiàng)、處理內(nèi)容以及需要回答的問題。學(xué)生在預(yù)習(xí)時(shí)目標(biāo)明確而且不必抄寫書上已有的內(nèi)容，節(jié)約了時(shí)間，提高了效率，又明確了實(shí)驗(yàn)應(yīng)該注意的問題，規(guī)范實(shí)驗(yàn)操作，避免損壞儀器，犯不必要的錯(cuò)誤。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)后需要回答的基本問題能使大部分學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)基本原理和現(xiàn)象。這樣，學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告以后，能夠比較全面地處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，避免各種疏漏，同時(shí)也便于教師批改評(píng)分。

2 采用課堂授課與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式

啟發(fā)式、引導(dǎo)式教學(xué)以學(xué)生為主體，強(qiáng)調(diào)教學(xué)的互動(dòng)性，除了傳授知識(shí)，更加重視學(xué)生能力培養(yǎng)和素質(zhì)提高，有利于創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。在現(xiàn)代教學(xué)理念指導(dǎo)下，傳統(tǒng)的單向灌輸式教學(xué)方法已被摒棄，更多的教師采用啟發(fā)式、引導(dǎo)式教學(xué)方法培養(yǎng)國家迫切需要的創(chuàng)新型人才。為在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中更好地開展啟發(fā)式、引導(dǎo)式教學(xué)，必須有師生互動(dòng)的教學(xué)平臺(tái)。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課上，由教師講解并演示實(shí)驗(yàn)，由于時(shí)間短，難以實(shí)現(xiàn)師生互動(dòng)。課堂教學(xué)是教師與學(xué)生集中交流互動(dòng)最有效、最可行的方式，因此我們嘗試開展一定學(xué)時(shí)的課堂教學(xué)，探討適合課堂授課與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的啟發(fā)式、引導(dǎo)式教學(xué)方式。鑒于不同院系、不同學(xué)科對(duì)實(shí)驗(yàn)要求不同、對(duì)非力學(xué)專業(yè)學(xué)生嘗試采用4學(xué)時(shí)課堂授課與12學(xué)時(shí)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，把預(yù)習(xí)和實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)移到課堂教學(xué)中。目前，4個(gè)學(xué)時(shí)課堂教學(xué)內(nèi)容為：實(shí)驗(yàn)原理和目的，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)和功能，實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)以及主要實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的解釋。課堂教學(xué)能讓學(xué)生做到心中有數(shù)，為實(shí)驗(yàn)操作做好充分準(zhǔn)備，可以達(dá)到事半功倍的效果。課堂教學(xué)方式要基于引導(dǎo)、啟發(fā)，要注重聯(lián)系實(shí)際，激發(fā)學(xué)生的興趣。例如在電測基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中，不但要給學(xué)生講清楚應(yīng)變片基本工作原理，而且還要告訴學(xué)生應(yīng)變片的用途。拉伸實(shí)驗(yàn)中的引伸計(jì)，扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)中的小角度扭角儀都使用應(yīng)變片做傳感器。在彎扭組合實(shí)驗(yàn)中，我們可以通過變換橋路來啟發(fā)學(xué)生設(shè)計(jì)不同的實(shí)驗(yàn)方案，分離測量彎曲正應(yīng)變、扭轉(zhuǎn)切應(yīng)變、彎曲切應(yīng)變。通過對(duì)比常見兩種梁：薄壁圓筒和矩形梁，拓展分析兩種狀態(tài)下彎曲正應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力、彎曲切應(yīng)力，使學(xué)生融匯學(xué)過的材料力學(xué)知識(shí)，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的認(rèn)識(shí)，同時(shí)給學(xué)生提供獨(dú)立思考和解決實(shí)際問題的機(jī)會(huì)，從而全面提升學(xué)生綜合運(yùn)用理論解決實(shí)際問題的能力。

在啟發(fā)式、引導(dǎo)式教學(xué)中，教師由主講者轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)者，學(xué)生由聽講者轉(zhuǎn)變?yōu)榉e極主動(dòng)參與者。教師應(yīng)有針對(duì)性地按實(shí)驗(yàn)中的重點(diǎn)、難點(diǎn)設(shè)問、置疑，鼓勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生通過積極思維得出結(jié)論。不僅要使學(xué)生學(xué)會(huì)驗(yàn)證課程的基本公式，掌握材料的基本性能，更重要的是通過實(shí)驗(yàn)研究過程的訓(xùn)練，掌握如何尋找所需要的知識(shí)，掌握如何綜合應(yīng)用這些知識(shí)解決問題。大學(xué)實(shí)驗(yàn)不是簡單地到實(shí)驗(yàn)室動(dòng)動(dòng)手按照教師的演示模仿并獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而是要重視整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，從預(yù)習(xí)到實(shí)驗(yàn)，再到撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，每個(gè)階段都要認(rèn)真對(duì)待。預(yù)習(xí)過程，包括設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，是實(shí)驗(yàn)操作成敗的關(guān)鍵因素。只有經(jīng)過認(rèn)真思考，發(fā)現(xiàn)問題，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)主動(dòng)地去解決問題，才能培養(yǎng)獨(dú)立解決問題的能力，才能在實(shí)驗(yàn)中獨(dú)立操作，提高動(dòng)手能力。實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫可以讓學(xué)生掌握處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法，而且經(jīng)常需要學(xué)生應(yīng)用相關(guān)的理論解釋一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，只有認(rèn)真思考并綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)才能很好地完成。

3 多媒體在工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)中的實(shí)踐

現(xiàn)代化的多媒體教學(xué)有很多優(yōu)點(diǎn)，直觀、生動(dòng)、形象的畫面給學(xué)生深刻印象，尤其是其信息量大的特點(diǎn)，可輕易把許多復(fù)雜的設(shè)備、操作展示出來，因此非常有利于開展實(shí)驗(yàn)演示教學(xué)。充分應(yīng)用多媒體教學(xué)可以有效提高課堂效率，提升教學(xué)質(zhì)量。過去10年，許多高校由于學(xué)生人數(shù)顯著增多，實(shí)驗(yàn)設(shè)備、人員配備跟不上，實(shí)驗(yàn)室容納學(xué)生人數(shù)有限，教師主要是板書授課，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)前給學(xué)生演示實(shí)驗(yàn)。學(xué)生擠在實(shí)驗(yàn)臺(tái)前，由于人數(shù)眾多，地方狹窄，無法仔細(xì)觀摩教師講解與示范，效果大打折扣。使用多媒體教學(xué)可以有效解決類似問題。隨著時(shí)代發(fā)展，實(shí)驗(yàn)室大多配備了多媒體設(shè)備，普及多媒體教學(xué)已經(jīng)沒有障礙。

在課堂講授中，不再羅列實(shí)驗(yàn)步驟、注意事項(xiàng)，而應(yīng)著重講授實(shí)驗(yàn)原理，對(duì)知識(shí)面較寬，理論知識(shí)較難較深的部分，要深入淺出，著重講其實(shí)質(zhì)、性質(zhì)。由于公式、示意圖較多，有限的課時(shí)內(nèi)無法完成板書，用多媒體教學(xué)將具有很大優(yōu)勢，可以將板書無法完成的任務(wù)完美實(shí)現(xiàn)。例如：在理論力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)中，既有三線擺微幅擺動(dòng)測量均質(zhì)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，又有懸臂梁振動(dòng)固有頻率測試內(nèi)容。一個(gè)是單自由度周期振動(dòng)，一個(gè)是連續(xù)體無限自由度周期振動(dòng)。懸臂梁的主振型書中只給出結(jié)論和固有頻率的計(jì)算公式，其原理并未給出。筆者用PPT課件簡要講述其假設(shè)、推導(dǎo)及其性質(zhì)，使學(xué)生對(duì)梁的振動(dòng)有深刻的認(rèn)識(shí)。在用橡膠錘頭敲擊時(shí)，屬于沖擊激勵(lì)。而沖擊函數(shù)屬于非周期函數(shù)，通過對(duì)沖擊激勵(lì)的傅里葉變換理論講解，使學(xué)生懂得周期振動(dòng)、非周期振動(dòng)的區(qū)別與聯(lián)系，從理論認(rèn)識(shí)上得到提高。時(shí)域沖擊實(shí)際上是給出了無限寬頻率激勵(lì)，只有激勵(lì)頻率接近梁的固有頻率才會(huì)發(fā)生共振，從而深刻解釋了實(shí)驗(yàn)操作原理。

在實(shí)驗(yàn)課講授時(shí)，可以將多媒體與實(shí)驗(yàn)演示有機(jī)結(jié)合起來。有些高校教師錄制實(shí)驗(yàn)演示過程，在學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作前播放，這樣雖然省去了教師重復(fù)講解，但是類似于放電影的教學(xué)也易使學(xué)生抓不住重點(diǎn)，缺乏師生之間的互動(dòng)。在筆者制作的多媒體課件中，圖片主要涉及實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)操作軟件等，制作時(shí)用高清晰數(shù)碼相機(jī)拍攝，軟件操作圖片則采用拷屏方式，并輔之以文字說明。以低碳鋼拉伸實(shí)驗(yàn)為例，操作步驟、注意事項(xiàng)以及軟件操作的使用借助多媒體講授，尤其是軟件操作，在投影儀上放大講解遠(yuǎn)比學(xué)生擠在計(jì)算機(jī)屏幕前觀看效果好，而且我們將不同階段的操作圖制作出來，并合理地進(jìn)行標(biāo)注講解，重點(diǎn)突出，層次分明，讓學(xué)生容易記憶和理解。在操作難度較大的地方輔之以動(dòng)畫演示，動(dòng)畫要做到直觀、生動(dòng)，靜態(tài)文字與動(dòng)畫要搭配合理，力圖在有限時(shí)間內(nèi)完成講解，不宜過多占用學(xué)生的動(dòng)手操作時(shí)間。而試樣裝夾、引伸計(jì)安裝等則可以給學(xué)生演示，增加感性認(rèn)識(shí)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)演示時(shí)，由于講解的內(nèi)容較多較快，尤其是實(shí)驗(yàn)操作和注意事項(xiàng)煩瑣，學(xué)生往往容易遺忘和疏漏，用多媒體講課則可以在講授以后，把要強(qiáng)調(diào)和注意的內(nèi)容在屏幕上展示出來。每個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)前都配有計(jì)算機(jī)，在做拉壓、扭轉(zhuǎn)綜合實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以把多媒體課件置于計(jì)算機(jī)桌面，方便學(xué)生查閱。

4 改革實(shí)驗(yàn)成績評(píng)定方式

實(shí)驗(yàn)成績是對(duì)學(xué)生整個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的綜合評(píng)價(jià)，應(yīng)反映出學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中操作能力和解決問題的能力。目前有的高校對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績的評(píng)定以實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績?yōu)橐罁?jù)，這樣做的弊端很多，不能全面真實(shí)地反映學(xué)生的實(shí)驗(yàn)水平，因?yàn)橛械膶W(xué)生不做預(yù)習(xí)，實(shí)驗(yàn)時(shí)不知如何操作，但是通過抄襲其他學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告同樣可以得到很好的成績。為此，有的高校在此基礎(chǔ)上增加了實(shí)驗(yàn)態(tài)度和實(shí)驗(yàn)操作評(píng)定環(huán)節(jié)，但是由于學(xué)生人數(shù)眾多，教師無法實(shí)時(shí)跟蹤評(píng)定每個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)施起來有較大難度，難以對(duì)每個(gè)學(xué)生做到客觀、公正的評(píng)價(jià)。為了考查學(xué)生的真實(shí)掌握情況，我們對(duì)考核方式進(jìn)行改革，增加試卷考查方式，考查學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的掌握以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告的處理情況。改革后的實(shí)驗(yàn)成績評(píng)定內(nèi)容除了實(shí)驗(yàn)態(tài)度、實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告3部分以外，還增加了考試成績評(píng)定方式?？荚囶}目須與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容緊密結(jié)合，如在彎扭組合實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求學(xué)生對(duì)所測數(shù)據(jù)與理論值進(jìn)行誤差分析。在考題中，我們模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)受橫向力的薄壁環(huán)或矩形梁構(gòu)成的懸臂梁，要求學(xué)生從理論上進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算出的應(yīng)力應(yīng)變對(duì)比，做誤差分析。這樣不僅考查了學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)、處理實(shí)驗(yàn)報(bào)告的質(zhì)量，而且拓寬了學(xué)生思路，培養(yǎng)了獨(dú)立解決問題的能力。在考題中，我們設(shè)計(jì)出各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，讓學(xué)生分析判斷。例如：畫出鑄鐵扭轉(zhuǎn)斷裂斷口，鑄鐵壓縮破壞斷口、兩者曲線類似，容易混淆；或者解釋鑄鐵扭轉(zhuǎn)斷口形貌及原因，這些都能很好地考查學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中是否認(rèn)真觀察、仔細(xì)思考，能很好地評(píng)價(jià)學(xué)生的實(shí)際水平。

5 結(jié)束語

通過教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的研究，利用課堂授課和實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的方式，積極展開啟發(fā)式、引導(dǎo)式教學(xué)，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性，有利于提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。同時(shí)引入多媒體教學(xué)手段，有效地提高了教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效率。

[1] 柴維斯,謝靈.高等院校材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式[J].力學(xué)與實(shí)踐,2008,30(5):101-102.

[2] 王瑾,趙亮.工程力學(xué)課程教學(xué)方法改革研究與實(shí)踐[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2009(17):60-62.