面向创新人才培养的力学实验教学改革研究
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摘要：根据当前创新人才的需求，在充分分析了当前高等学校力学实验教学所存在的问题基础上，提出了力学实验教学内容应与工程背景相结合，同时，设计了新的因材施教培养模式，以及“虚”“实”结合的教学方式，并且对实验室开放进行了探索，从而促进了力学实验教学内容、模式的创新，为其他实验课程的教学改革提供指导和借鉴。
关键词：力学实验；教学改革；因材施教；虚实结合；实验室开放
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）33-0111-02
一、引言
力学是高等学校工科专业的一门基础课，具有显著的理论性和工程性特点。力学实验是力学理论教学中的一个重要环节，是理论教学向工程实际的延伸，在培养学生工程实践能力方面具有重要作用，是高等学校培养高质量工程技术人才的关键。然而，出于各种原因，在不少工科院校中存在重理论、轻实验的现象。本文通过深入分析当前力学实验课程中存在的问题，结合工程实际和现代化实验教学方法，对力学实验教学内容建设、课程管理、设备改造等多个方面提出切实可行的改革方案，以实现高质量人才培养目标。
二、目前存在的问题
1.实验内容固定。多年来，力学实验教学内容主要包括金属材料拉伸、压缩、扭转、直梁弯曲正应力实验，这类实验均以验证为主，内容相对单一，形式较为固定。然而这些验证性实验大多只能让学生了解实验设备的基本操作、熟悉实验过程，对理论课所学内容有一个直观的认识，但是并不能充分调动学生的学习兴趣和主动性，不能让学生在实验过程中有更深层次的思考。
2.实验教学方式单一。传统的力学实验教学大多沿用老师讲授，学生被动灌输的教学方式，学生被动学习，且完全依赖于老师所讲解的实验目的、方法和步骤，极大地限制了学生的创造性和自主性，与目前所提倡的素质教育和创新性人才培养大相径庭。不仅无法培养学生的动手能力，而且也不能够发挥学生的创新精神和实践能力。
3.实验教学质量不高。力学为全校性基础课，学生选课人数众多，但实验场地和设备数量非常有限，远不能满足目前的使用需求，由此造成了同一组学生个别人操作、多数人观摩的现象，很多学生并没有真正按照要求进行实验。与此同时，实验结束后，学生对于实验结果数据处理和分析不重视，经常出现实验报告相互抄袭的问题，然而对于力学实验而言，实验后的数据处理和分析是一项十分重要的工作，需要学生找出误差产生的原因及处理方法。
4.实验设备陈旧。由于力学实验设备和仪器的年代相对较久，逐渐开始不能够满足新时代的使用要求。例如，我校一直采用的JNSG-144型教学用扭转试验机，采用涡轮减速器手动加载，通过弹簧测矩装置测量扭矩，用户观察扭矩和扭转角刻度盘读取数值。实验时，扭矩由尼龙线传递到度盘上，在线轮位置容易出现断线的情况，需要经常对设备重新接线，使用费时费力。扭矩和扭转角读数由度盘反映，造成实验数据误差较大，实验效果不理想，无法完成教学大纲规定的教学任务。
三、针对这些问题的改进
1.内容上与工程背景相结合。与枯燥的理论验证实验相比较，学生更容易接受贴近工程应用的实验内容，因此，在传统的力学实验基础上，可以增加一些更生动、更直观的实际工程问题，通过提高学生的学习兴趣和积极性，使其能够更加扎实地掌握相关知识点[1]。例如，在基本的金属材料拉伸、压缩、扭轉等实验基础上，增加一些实际工程中所采用的金属、非金属材料的力学性能实验，让学生从多种途径增强对基本理论知识的理解和应用，不仅能够使得实验内容更加丰富并且贴近实际，而且能够进一步培养学生的动手能力。
2.因材施教的培养模式。对于全体学生，只需要根据实验指导书中列明的实验目的、内容和步骤，完成相应的验证性实验即可。而对于学有余力且希望深入探索的学生，开展创新实验，并给予相应的学分奖励，以达到提高学生积极性和个性化培养的目的[2]。创新实验应采用“三不固定”的自主式学习方式，即：一没有固定的实验内容。学生的实验内容可以是自己想要探明的相关问题，也可以是教师根据自身研究方向所总结出来的相关内容。二没有固定的实验方案。学生在确定实验内容后，可根据实际情况组建创新实验团队，并确定团队成员各自的分工及具体的实验步骤，待老师认可实验方案后进行相应实验。三没有固定的考核方法。学生实验完成后，可以采用书面报告、口头报告、小论文等多种形式进行考核。这样的创新实验，是以学生自身的兴趣作为出发点，自主地进行选题、组织、设计和汇报等一系列实验活动，从而达到培养学生协调组织、创新，以及分析、解决问题能力的目的。
3.“虚”“实”结合的教学方式。结合力学专业特点，建设虚拟仿真实验教学项目，打破传统的实验教学在时间和空间上的限制，充分发挥虚拟实验所具备的低消耗、操作可逆、可完成综合实验等优势，将力学实验采取“虚”“实”结合的方式进行。这里需要强调的是，实物实验具有虚拟实验不可替代的地位，因此，需要将虚拟仿真实验与实物实验综合进行。建成后的力学虚拟仿真实验系统可进行拉伸、压缩、扭转、弯扭组合、小梁弯曲、压杆稳定等多种实验。
4.实验室开放。在学期初，由实验教学中心统一管理并发布本学期的实验室开放情况，对于各类开放性实验由导师和学生共同进行预约，经过安全的仪器设备基本操作，以及实验规程培训后，即可进入实验室开展相应的实验。以“大学生创新创业计划项目”“互联网+大学生创新创业大赛”等一系列竞赛项目为依托，形成以项目驱动的实践教学模式，学生可以从自己的兴趣出发申请相应的比赛项目。与此同时，需要规范实验室开放的管理[3]。目前，我校已建立了较为完善的大型设备开放共享管理平台，通过该平台，教师和学生可对相关仪器和设备进行网上预约，实验室管理员可以对仪器设备的开放情况进行管理。共享管理平台的使用，不仅促进了实验室资源的共享，而且创立了良好的开放性实践教学运行机制。
5.设备升级改造。利用中央及地方各种项目资助平台，或者学校设备自研自制专项经费资助，筹措必要的资金，对年久失修的设备进行检查、测试、维修和升级改造，尽量提高现有设备的完好率和使用率。我校改造后的新型教学用扭转试验机NJNSG-144采用拉力传感器替代弹簧测量装置，加工联接杆把拉力传感器安装在试验机力臂上，通过拉力传感器测量力臂在该位置的拉力大小，根据力矩计算公式M=L*F即可求出扭转力矩。扭转角通过旋转光电编码器测量，在减速器齿轮输出轴上安装联轴器连接编码器，编码器每旋转1°时便产生一个脉冲信号，采集产生的脉冲信号即可计算出试件扭转的角度。信号测量初步选用智能显示仪，智能显示仪要求两通道以上，分别读取模拟信号和脉冲信号。
四、结语
在创新教学思想指导下，探索和实践力学实验教学改革方法。实验内容方面，提出将传统力学实验与工程背景相结合；培养模式方面，设计不固定实验内容、实验方案以及考核方法的“三不固定”自主式学习方式；教学方式方面，建议实物实验应与虚拟实验相结合；同时，提出实验室开放和老旧设备升级改造相关思路。通过以上教学改革内容，不仅能够有效地激发学生的学习兴趣、培养创新意识和动手能力，而且能够使得实验室最大限度地发挥其功能，促进全体师生的学习和科研工作，对其他相关专业实验教学研究具有一定的参考价值。
参考文献：
[1]刘雯雯，杜云海，王志，刘冰雁.材料力学实验教学改革与创新人才培养[J].实验室研究与探索，2013，32（6）：332-333+337.
[2]刘聪聪.新形势下土力学实验教学改革的探讨[J].教育教学论坛，2016，（7）：101-102.
[3]李强，明艳.专业实验室开放模式的探索与实践[J].实验技术与管理，2017，34（2）：224-226+263.
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