材料力学实验体系研究总结报告.doc

材料力学实验体系研究总结报告黎明发 周丽 吴向春 曾海燕 陈振华力学实验是力学知识体系的重要组成部分，既是建立力学基本理论的基础和验证理论正确性的方法，又是工程研究不可缺少的必要手段。材料力学课程则是一门从刚体力学研究领域进入到变形体力学研究领域的门槛课程，例如，在中学物理、大学物理和大学理论力学中对客观物质进行了刚化处理，认为物质是不可变形的固体，而材料力学及其相关的实验是研究变形固体，有众多的工程背景和广阔的研究领域，是人们认识客观世界的一次飞跃。同时它又是理工科院校的一门重要的专业基础课，通常称它为基础理论过渡到实践应用的桥梁。为适应现代科学技术的发展和加强学生实验技能，培养创新型、复合型高素质人才的需求，我们对材料力学实验教学进行了改革。改革的总体思路：坚持“育人为本，学术至上”的办学理念，面向培养创新型人才需要，提高力学实验教学水平和质量，增强学生的实验技能和动手能力，培养学生的实践能力和创新精神。力学实验教学的水平直接影响学生的综合素质与能力，从现行的材料力学实验体系来看，“其中有一个明显的不足，即实验多为验证性实验。几乎没有结合工程实际问题来分析、解决的实验”。整个实验都局限在培养学生对常规仪器的使用，实验基本方法的学习和验证理论上。学生学完材料力学后，碰到具体的工程实际问题，不知从何下手，这反映出我们的实验教学环节中少一个衔接的环节。因此，我们提出了材料力学实验教学改革的目标：充分发挥实验教学的特点，改变力学实验教学依附于理论教学的传统观念，形成理论教学与实验教学统筹协调的理念和氛围；对实验教学的功能进行正确定位与划分，让教学-科研-实验-教学相互融为一体；实施具体可行的教学内容与教学方法，实现从应试教育向素质教育的转变、培养既有坚实的理论基础又有创新意识的新型人才，构建材料力学实验课程新体系。改革的方法：实验项目和实验内容进行调整和改革；把国内外有关科研、工程应用和教学的先进方法和实验手段融入到实验教学；改变以教师为中心的传统教学模式，坚持以学生为主体，鼓励学生个性发展，在实验过程中尽可能让学生独立完成实验全过程，充分发挥学生的主动性、创造性，从“导入式”转变为“互动式”和“自主式”。实验教学一般应有三个功能。一是验证功能，通过实验理解、验证和巩固力学理论教学的内容，以获得知识，二是技能训练功能，通过实验得到力学实验技能的基本训练，培养学生的实验技术和动手能力，三是探索研究功能，通过独立选题、设计、观察、记录、数据处理、归纳分析，探索和发现新的力学现象，以获得研究成果，同时得到科研能力、创新能力的训练。根据材料力学实验教学的基本任务，我们从优化学生的知识结构、提高学生的能力和素质的角度，从加强创新精神、实践能力和综合素质培养的高度，对实验课程的整体框架、实验项目和实验内容的安排与设计进行调整和改革，构建了与材料力学理论教学既相对独立又有机结合的材料力学实验教学新体系。新体系的重点打破原有的实验框架，设置了三层次多模块的材料力学实验课程，由基础型力学实验、课程综合力学实验和研究应用型力学实验三个层次构成，分三个步骤实施，逐渐深入，构建了三层次模块化材料力学实验教学新体系，如图1所示。 1 构建三个层次模块化的材料力学实验教学新体系第一层次：基础性力学实验。由验证性和演示性实验组成，目的是加深对力学现象的认识和力学原理的理解，强调实验设备基本操作与使用方法的训练，以及实验结果处理与分析能力的培养。第二层次：课程综合力学实验。目的是强化分析力学机理和解决力学问题的能力。同时调动学生的学习积极性，培养学生的工程观点；提高学生的动手能力。 第三层次：研究应用性力学实验。目的是开阔眼界，架设理论联系实践的桥梁。强调从科研和工程实践中发现和凝练力学问题、独立提出解决方案并付诸实施能力的培养。图1 三个层次材料力学实验教学体系示意图2材料力学实验教学新体系的内容和实施步骤2.1 第一个步骤通过基本实验的训练，使学生初步掌握基本的实验方法，学会常规仪器的使用，观察实验过程中的各种现象和结果，作一些简单的分析和数据处理，写出实验报告。这个是使学生获得了基本的实验技能，为以后的学习和工作打下基础非常重要环节，也是整个实验教学体系改革的前提。在这个环节中我们做法是：（1）公布实验项目，认真指导学生预习。力学实验中心开设基础型力学实验项目共9个（见附表一）、除部分基础型实验项目规定必须选择外，不同的专业的学生，可依据所学专业的需要和自己的兴趣、特长，从实验中心开设的实验项目中进行自主选择、组合，充分体现了以人为本、以学生为主体的自主式教学理念。我们要求学生每次实验前，根据实验指导书中的要求做好充分的预习，要求学生了解本次实验的目的，实验内容及测试方法，并写出预习报告，对提高实验质量起到了保证作用。附表一：基础型力学实验项目序号实验项目名称学时每组人数备注1金属材料拉伸和压缩实验22必做2弹性模量和泊松比测定实验22必做3金属材料扭转破坏实验22必做4梁弯曲实验21必做5主应力测量21必做6虚拟基础实验21选做7冲击韧性实验22选做8光弹性实验42选做9剪切弹性模量测定实验22选做（2）增加实验分组数。我们认为提高学生动手能力的关键是为他们创造更多的机会去实践，个个亲自动手操作，不再是“观察员”。这就要求我们增加实验分组数，使每个实验小组人数尽量减少。从2003年开始，我们力学实验中心逐步实行由原来的78人一组改为12人一组，如弹性模量的测定试验，三个电测实验，做到一人一组。由于同学们课前预习做得比较认真，积极性也很高。大家反映，经过几次实验后，对常规仪器的使用基本上掌握了。（3）把好考试关。我们把材料力学实验课的考试纳入了材料力学理论课程考试之中，在同学们上第一次实验课时，由任课教师公布实验课的考试规定。即主要采取实验全过程的评价方法，实验预习占20（教师课前检查），实验操作过程占50（教师现场记载），实验报告占30（教师课后评阅）。这样做的目的是让学生重视实验课，杜绝那种不上实验课，抄袭他人实验报告的现象，提高了同学们的自觉性。2.2第二个步骤同学们已学习了材料性能的试验，接桥试验、弯曲正应力及主应力的测试，初步掌握了常规仪器的使用及静态应力的测试方法，为此我们设计了理论与实际相结合的课程综合性的力学实验。例如，自行车车架动荷系数测定，实验对象是人们日常使用的自行车，实验的内容是自行车车架的静、动态测量。从静态向动态转变，从标准试件变为具体构件，自行车的动态测试会了，汽车、摩托车及一般工程机械等的动态测试，其基本原理是一样，用自行车静动态测试作为过渡到面向工程测试的入门实验，对众多的学生开出这个实验在经费和条件上更可能实现。为此共设计可实现实验项目8项（见附表二），有些实验项目与工程实际结合紧密，有一定的难度。 附表二：综合综合力学实验项目序号实验项目名称学时每组人数备注1组合梁弯曲实验213不同材料、不同方式的组合2压杆失稳实验212不同支撑形式的组合3偏心拉伸实验212不同材料、不同位置的拉伸5弯扭组合薄壁管筒内力素测量43利用电测桥路的组合测定弯矩、扭矩6玻璃钢管道刚度测定23采用位移控制方式测取应力和挠度7应变片在电桥中接法实验212学习1/4桥、半桥、全桥连接组桥8自行车车架动荷系数测定623将电阻应变测试技术应用结构测量根据以上实验项目具体实施办法如下：（1）制定了实验内容、实验步骤、实验目的、基本要求，派两名有经验的教师和两名实验技术人员参加。（2）04-06年分别选择过控0201、0202、车辆工程0304、0305和工力0401、0402六个班236名学生进行试点，每次实验有半个班的同学参加。（3）指导教师介绍测试原理和方法，同学们自己实验方案初稿，老师认可后可以接线、调仪器，进行相关仪器的测量。四、整理实验结果，教师和学生一起分析讨论，学生提出实验中的问题，老师解答，最后，学生以论文的写作方式提交总结报告。2.3第三个步骤机械类本科生在大学学习期间，经过以上两个环节的训练后，可以进行一般的工程测试。在这个基础上，引导学生利用已掌握的材料力学理论知识和实验技能开发一些小产品，制作实验装置，进行研究应用型力学实验项目，启迪同学们的创新思维，提高独立解决工程实际问题的能力。为了实现既定目标，从科研和工程实际中提炼了7个实验项目（见附表三），为第三个层次的实验教学改革提供了保证。附表三：研究应用型力学实验项目序号实验项目名称学时每组人数备注1薄板双向拉伸实验412来源于行业基金研究项目2钢筋混凝土偏心受压短柱承载力试验423来源于企业委托研究项目3混凝土材料拉伸弹性模量与压缩弹性模量比较423来源于国家自然科学基金项目4可变角的桁架实验412来源于企业委托研究项目5锚杆参数测定43来源于企业委托研究项目6双S力值传感器设计制作43来源于企业委托研究项目7旋转轴的转矩测量与分析413来源于省科技攻关项目以双S力值传感器设计制作为例说明第三个步骤的实施办法。（1）由教师举办一个有关力传感器的讲座，介绍传感器的原理、设计、制作及检测方法等。（2）同学们根据教师的讲座内容，参见一些参考资料，先设计出弹性元件图纸。（3）交给教师，与教师一起讨论、修改审定。（4）制作。结构简单的自己做，结构复杂的，让学生联系工厂解决机械加工。几年来，同学们做成了各种各样的传感器。2004年同学们制作的双S型拉力传感器经过严格的测试，检验合格者送到有关工厂使用，经过一年来的试用过程中，工厂反映很好，同学们的辛勤劳动终于得到了社会的承认。几年的实践证明，同学们进行研究应用型实验和一些课外科技活动，具有强大的生命力，对培养新型人才尤为重要。3材料力学实验教学新体系采用的方法和手段为了适应科学技术发展的需要，反映最新的科学技术成果，在探索和实验中，我们对实验教学方法与手段进行了创新。3.1 自制适应力学实验新体系的仪器设备新体系的实验内容增加了很多，以前只有5个实验项目，现在共有24个实验项目。为了开出这些实验项目，我们对力学实验设备进行了更新和改造，自制数字式应变仪及其相应的测试装置，同时，又反映了最新的科学技术成果，保证了新体系实施的需要。新编材料力学实验教材的内容与新的实验设备和实验装置相适应。3.2 采用多媒体和网络技术，实现力学实验的互动教学利用先进的多媒体和网络技术，在网上公布各类力学实验指导、所有面向学生开设的力学实验电子课件（拉伸实验、压缩实验、扭转实验、测E实验、测G实验、正应力实验、主应力实验）。把实验中心各种仪器设备的照片和仪器的原理以及简单的使用操作方法做成ppt文件挂在网上，学生可以在网上学习各类仪器设备的使用操作方法。强调个性化教育，开放所有力学实验，形成对优秀学生进行个性化教育的机制。3.3 利用先进的技术手段，开展多样化的实验教学力学实验数据的计算机采集与处理。要测得材料与结构在极限状态下的力学性能，力学实验一般都是破坏性实验，为了得到尽可能多的信息与减少人为干扰，力学实验中心除部分光弹性实验外，全部实现了力学实验数据的计算机采集与处理。3.4创建开放型实验教学管理体制本材料力学实验室积极探索推行全天候开放政策，为学生和教师提供良好的实验教学和科学研究平台，做到时间开放、实验内容开放、实验设备开放。4材料力学实验教学新体系应用效果4.1基础型力学实验应用效果（1）同学们掌握了基本的实验原理和方法，学会了常规仪器的使用，能够观察实验过程中出现的各种现象，并根据实验的现象和结果展开讨论，作出正确地分析和数据处理，写出实验报告。（2）使同学们获得了基本的实验技能，为以后的学习和工作打下基础。4.2课程综合实验应用效果（1）有利于调动学生的学习积极性例如进行自行车架的静动应力测量时，实验一开始同学们对其产生了浓厚的兴趣和热情，大大调动了他们做好这一实验的积极性，在同学们看来，平时很常用的生活用品竟是他们的实验对象，尤其是动态测试中自行车的冲砖和过沟工况，他们兴趣很大。（2）综合实验有利于培养学生的工程观点常规所做的实验，实验对象都是标准试件，从标准试件变为实际的构件，对实物如何测量，正是把理论与实际结合的开始，同学们开始感到茫然，当实验做完后，同学们对工程实际问题如何测试有了比较系统的认识。（3）综合实验有利于提高学生的动手能力在实验过程中，学生自己动手，各种接线，静动加载，仪器操作。经过训练，同学们掌握了一些比较重要的测试方法，这些测试方法在工程上广泛应用，许多实际的检测系统与此密切相关。通过综合实验，同学们初步掌握了电测在工程中的基本应用。（4）综合实验有利于开拓学生的智力和创造力综合实验不同于常规的验证性实验，由于其对象是具体的工程问题，这就为学生独立思考，发挥想象力创造了许多机会。实验中他们提出了许多的想法，有一个同学说：“我们用这种方法可以做出一种元件，用它作为力的传递。”其实这个同学想到的正是我们在工程测量中广泛使用的传感器。综合实验有利发挥学生的聪明才智，培养既有较高理论水平，又有解决实际问题能力的人才。4.3研究应用型实验应用效果（1）强化了前两个环节按照辩证唯物主义的观点，我们学习任何知识都是从简单到复杂，从低级到高级反过来说，通过后面的学习又对前面的内容不断充实，强化从而促使对整个系统知识和技能的理解达到融会贯通。经过这一系统的训练，同学们反映：后一个环节的学习与实践，加强了我们以前各个环节的理解和认识，使我们学到的知识系统化、应用具体化，也明白了教师的一片苦心。（2）形成了良好的师生关系我们开展的课外科技活动大都是利用节假日和平常的休息时间进行的，师生之间有了较多的接触和了解，教与学两个方面都能发挥各自的专长与兴趣，建立了较为融洽的师生关系。每当完成一个项目，同学们都很感激教师们的献身