同济大学精品实验项目验收报告(精)

1、司济大学精品实验项目验收报告项目名称工程力学I试验设计院（系）主管负责人韦林所在院（系）航空航天与力学学院填表日期2008-8-26实验室与设备管理处2008年7月项目基本情况：项目名称类型（演示型、验证性； 综合性、设计性；探究性）项目负责人项目负责人所属教研室（研究室），实验室项目负责人职称工程力学1试验设计综合性、设计性李尧臣基础力学教 学研究部教授院（系）主管负责人：韦林学院（系）项目建设总经费:16一、实验项目指导书（建议内容：实验项目涉及的理论知识点；实验设计思想、背景；实验项目设置目的及能 力培养目标；实验仪器设备功能介绍、注意事项及可开发的其他功能；实验过程设计，新思路的引导、

2、启发； 实验总结，实验现象、结果分析，探究性内容的引导和要求。）一、实验设计思想和背景为加强素质教育，培养学生的实际动手能力和创新能力，要求学生在学习工程力学（I）课程后，自行设计和研制一个结构受力体系，并进行加载比赛，以提高学生学习的积极性，发挥学生 的创造力和想象力，加深对工程力学基础课程的理解，加强对动手能力的培养，以达到学以致用 的目的。在整个课程的实施过程中，还要求同学们集思广益，发扬集体智慧和团结协作的团队精 神。二、实验项目涉及的理论知识点1. 静力学：桁架部分；2. 材料力学：杆件轴向拉伸与压缩，剪切与挤压，压杆稳定。1.2.3.4.三、实验项目设置目的及能力培养目标 开发学生

3、的创新能力和想象力。促进知识的活化，把课堂上学到的理论知识用于实践中。培养学生的动手能力。培养学生的团队精神，组织和协调的能力。能力培养的目标是：通过桁架制作活动，开发学生的创新能力和想象力，复习和巩固已学的 有关知识，把所学的知识用到实践中；在模型制作和加载试验过程中培养动手能力和试验设备的 操作能力；综合素质有所提高。四、实验仪器设备功能介绍、注意事项及可开发的其他功能设计和制作一个木桁架。为了保证加载比赛的公正性，规定长度为1 = 500mm （跨度为480mm）,高度h < 170mm ,宽度b < 100mm。制作要求为：该结构所用的材料较少而受荷载较大， 而且造型美观。

4、1.2.3.材料与工具：8mm< 8mm和6mnrX 6mm正方形截面木条、木片、胶水、美工刀、砂纸。 天平：精度0.1g，用于称重。电子万能试验机和 n形加载夹具：最大加载能力2T,用于桁架加载。注意事项：方案讨论要充分，不要急于动手。先要在纸上按实际尺寸放样。桁架制作时注意安 全，小心划破手。加载时遵守电子万能试验机操作规程，注意桁架破坏时的荷载读数和破坏位置。可开发的其他功能：从桁架制作的思路出发，可以开发用铝合金等其他材料制作的桁架试验。 用铝合金制成单根桁架杆件，两端设铰，学生可以根据自己的兴趣搭建不同形式的桁架，加载形 式也可自行确定。测定杆件的应变，计算内力，并与理论计算结

5、果比较。此项目已开发，作为创 新实验项目，放在开放实验室中。五、实验过程设计，新思路的引导、启发1. 实验过程和内容：设计和制作一个木桁架。为了保证加载比赛的公正性，规定长度为1 = 500mm （跨度为480mm）,高度h < 170mm ,宽度b < 100mm。制作要求为：该结构所用的材料较少而受荷载较大， 而且造型美观。桁架制作完成后，称重，在电子万能试验机上加载于桁架下弦的跨中，直到结构破坏。记录结构的重量和最大承载力。对桁架进行力学计算，求得桁架能承受的最大荷载，并与试验结果比较。任务书中有计算所 需的数据资料，“材料力学精品课程”网站上有三角形、梯形、拱形桁架的计算书

6、可供参考。完成实验报告。2. 组织形式：以小组为单位，3-4人为一组，自由结合，共同协作，完成任务。3. 成绩评定：分优，良，中，及格，不及格5级，评定依据如下：(1) 结构的最大承载力与所耗材料重量之比(比强)，以大为佳。占50 %。为避免结构形式的雷同，将结构分为三角形、梯形和拱形3类，它们的比强分别乘以系数 1.0、1.05和1.1后再进行评定。试验结果与理论计算结果的接近程度，占10%。造型美观，占20%。实验报告完成情况，占 20 %。(2)(3)4.实验报告内容(1)(2)(3)(4)(5)(6)(4)设计构思与计算简图；理论计算与结果。要求算出结构能承受的最大荷载，预测结构破坏的

7、位置; 制作过程介绍；实验数据与理论计算结果的比较；加载破坏现象分析；心得体会。要求每组独立完成报告一篇，用电子文档打印完成。5. 时间安排第1天：动员，分发材料与工具，参观加载比赛用的设备;第2 -4天：小组讨论，构思，设计与计算；第5 -8天：制作阶段；第9天：加载比赛；第10天：完成并提交实验报告。6. 新思路的引导、启发最初我们的实验只是制作桁架，然后放到试验机上去压一压就了事，完全按照比强的大小排 名、给分，学生收获并不大。后来我们增加了计算方面的内容，进一步又测定了木杆的临界荷载 和力学性质，胶缝的抗拉和抗剪强度等，供计算使用。实验活动就变得有意思多了，过去在工程 力学中学到的知识

8、有相当一部分得到了应用。而且学生也不仅仅限于我们建议的求解方法(就是 教科书中的桁架计算方法)，而是把节点当作刚性节点，从网上下载了结构力学求解器，按超静定大家都知道了三角形桁架是最具优势的。同学们为了追求高比强，都清 这样，桁架形式单一、雷同，不利于发挥同学们的创造力和想象力。为我们增设了评比中的美观分项目，并在比强的计算上，分别按照三角形、1.05、1.1的系数，使同学们对于制作梯形和拱形桁架的兴趣大增，尤其是结构求解。讲解中说明了破坏形式是节点破环和上弦杆受压失稳破环，制作是很多同学们注意到 了要加强节点。在最后的试验中，如果节点完好，上弦杆失稳折断，桁架的比强都是比较高的。 而且许多同

9、学还是第一次注意到，桁架的破坏是以压杆失稳的形式破坏的。经过了几年的实践， 一色地制作三角形桁架。 了使实验活动更有收获， 梯形、拱形乘以1.0、 拱形桁架，由于其美观的造型和制作上的技巧而备受青睐。而且有的同学还制作了其他形式的桁 架。六、实验总结，实验现象、结果分析，探究性内容的引导和要求1.实验总结：,(2)本实验要求同学们每组设计、制作一个木桁架，跨度、宽度和高度都有统一规定。对桁架进 行力学分析计算，最后进行加载试验，测定桁架的最大承载能力。实验结束，每小组写出实验报 告一份。本次实验活动的评分将考虑四个方面： （1）比强（即最大承载力与桁架质量之比） 计算结果与实验结果的接近程度，

10、 （3）美观程度，（4）实验报告的质量。课程开始首先有任课教师给同学们讲解，发给实验任务书、材料和工具。在讲解中，着重讲 清实验的目的、意义、任务和要求，制作过程中要注意的一些问题和加载方法。以后是各小组讨 论方案，进行桁架的设计和制作。在这个阶段每天安排有教师答疑，而且往往来答疑的学生还很 多。由于实验活动是分组进行，而且每组又基本上以寝室为单位，同学们的制作活动都在寝室进 行。因此教师有时到寝室走访，帮助同学们研究制作中的问题。最后的加载试验在力学实验中心举行。指导教师讲解后基本上由学生自行操作，打印桁架的 加载曲线、最大荷载和比强。注意观察破坏的位置，分析破坏的原因。按照实验报告内容的规

11、定每小组写出一份实验报告。我们发现各小组的实验报告写得还是比 较认真的。对于方案讨论和制作过程都写得比较详细，对于实验过程中的心情描述十分生动，破 坏原因的分析也比较仔细。写到在这项实验活动中的收获时都非常具体和感人。只是在力学计算 部分，有些小组写得太简略，不够好，有的甚至不写，可能是有些困难。在网上公布了计算书以 后，情况有所好转。2.实验现象和结果分析：实验中观察到破坏现象一般有节点破坏和上弦杆的受压失稳破坏，以节点破坏者为多。破坏 形式有脱胶、节点板（木片）的受拉和受剪破坏。究其原因往往是粘结质量不好；节点结构单薄, 没有用楔子加固；有的是节点板木纹方向不对，刚好垂直与受拉方向。比较正

12、常的是上弦杆受压 失稳破坏，也有同学为了提高桁架的承载能力加强了上弦杆。还有其它的破坏方式，往往是应力 集中引起的，是在制作时不经意在某些位置留下了小缺口等。，把3. 探究性内容的引导和要求一般说来，在桁架制作过程中并没有多少探究性的问题。在纸上按实物画好桁架（放样） 各根桁架杆按样图的尺寸切割下来，用胶水粘好，在节点处贴上节点板，某些部位再加强些就可 以了。但这样做比强的大小是不知道的，反正最后有加载试验，做出来多少就是多少。要有探究 性的内容，就必须对桁架作进一步的分析研究。我们从以下四方面作探究性内容引导：（1）如果要追求高比强，就需要通过内力计算，判断哪些杆件受力小，可以用细一些的木条

13、；哪 些杆件受力大，需要用粗一些的木条； 哪些杆件是不需要的； 有些杆件是由于构造要求而必须加， 也可以用细一些的木条。一些主要的受力部位要加强，这样虽然重量增加了一些，但比强还是能 上去的。（2 ）节点的计算比较复杂些。一般说来，如果节点板（木片）木纹的方向放置正确的话，节点是 由于剪切而破环，而剪力的传递和剪切面的判断则需要有清楚的力学概念，还要有一定的近似和 简化的能力。这在计算中是要求的。有了计算书做示范以后，同学们在这方面的困难会少一些。（3 ）侧向失稳。这也是桁架结构破坏的常见形式之一。如果两片桁架之间没有牢固的连接，加载 时它们会向同一侧倒下。侧向失稳的计算比较复杂，相当于组合柱

14、的缀条间距计算，已超出课堂 教学的范围。在此也不要求同学计算，可以根据同学们的经验和感觉来设计，但要求同学们了解 侧向失稳的现象。（4）设计成等强度结构。要使结构的比强高，就应该把它尽量设计成一个等强度结构，这使得同 学们回想起等强度梁的内容。也就是说，当结构破坏时，各个构件是同时破坏的。对于桁架来说， 就要求上弦杆的失稳、 所有节点的破坏以及桁架的侧向失稳同时发生。这是需要由计算来控制的。 但是，上弦杆的失稳计算是比较准确的，节点板的计算是近似的，而侧向失稳是不算的。而我们 的计算工作是要求比较准确地算出桁架的最大承载能力，是要与试验结果比较的。因此，宁可节 点计算略微保守些，侧向连接的设计

15、也略微保守些，保证桁架破坏时是因为受压失稳而破坏。三、实验项目教学案例 （根据实验指导书，典型实验项目教学过程的描述。实验项目教学案例包括实验教 学前的预习、引导及准备工作；实验教学过程中氛围的营造，学生积极性的调动；实践能力的锻炼，创新意 识的培养，探究性思维的启发等；典型的实验报告，包括实验总结，实验现象、结果分析，探究性内容的 引导等。）教学案例：2007级土木、地质、港口专业，刚学完工程力学I并举行了考试。共 550学生参加本实验项目。时间：2008年7月16日至25日。一、实验教学前的预习、引导及准备工作第一课：发给同学们试验设计任务书，观看录像（包括讲解和桁架设计、制作和试验的简要

16、 过程），任课教师讲解，主要内容有：（1）本次活动的目的和意义：是将理论知识与工程实践相结合的一次演练，强调团队精神， 各成员之间的协调和配合。（2）试验设计的内容和要求。这部分内容在任务书中写得比较清楚（包括材料、工具、桁架尺寸规定、试验方法、评分标准和时间安排等），我们主要强调以下几点：对于制作方案要充分讨论，其中还包括一些探究性问题，定出目标以及制作中要采取的一些措施等。制作中出现一些问 题也要大家一起讨论；强调对桁架进行分析计算，可以到“材料力学精品课程”网站上去找我们 的桁架计算书，作为参考；强调了实验报告要认真写。讲解完毕同学们可以提问。（3）发放材料和工具。二、实验教学过程中氛围

17、的营造，学生积极性的调动第二课（第二阶段）：在方案讨论、设计和制作阶段，各小组可自行确定地点。由于分组时都 是尽量以寝室为单位，各小组都选择在寝室进行。宿舍大楼有严格的管理制度，环境优雅、安全。 又由于同一专业的学生基本上都住在同一楼层，在这段时间内都在进行桁架的设计制作，因此有 浓厚的实验气氛。在这段时间里每天都有教师轮流答疑，还到寝室里去走访，同学们提问也十分踊跃。有的问 制作中的一些问题，如杆件接头怎样制作、连接；有的问计算中的一些问题；有的把做好的桁架 给我们看，问制作上有什么问题，形式上是否合理，荷载如何传递等。教师也同时把一些探究性 的问题向他们提出并引导他们思考。第三课：加载试验

18、在校本部航空航天与力学学院力学实验中心（现已获得“上海市力学实验教学示范中心”的称号）材料力学实验室内的实验大厅进行。大厅宽敞明亮，装有7台电子万能试验机，配套设施齐全。实验室有完善的管理制度和操作规程。有专业实验技术人员负责，保证 用水、用电的安全。学生在进行实验操作之前，均由实验室老师详细讲解仪器设备的使用方法和 安全注意事项，在学生独立操作实验时，必须有实验指导老师在旁，以保证实验的安全性。试验 气氛团结、活泼、热烈，同学们对于试验结果很在意的。如果试验结果很好，他们欢呼、相互击 掌拥抱；如果结果不好，他们往往会很伤心。学生参与本实验的热情很高，参与程度达到100%。为了把桁架做得更好，

19、 有的同学还自己花钱买材料。有的小组做了两个桁架，一个作为演练，一个是正式的，要送去加载，而且把演练的 那一个自己先试压，看看承载能力是多少。实验报告也写得十分生动。同学们基本上是按照任务 书中规定的试验报告的内容写的，在心得体会这部分，可以看得出，他们写的一些收获是发自内 心的。近几年来这项实验只在工程力学 I的课程中开展，但有些未开设这门课的专业的学生也纷 纷要求开展这项实验。这项实验能够获得成功，一方面是它本身有较大的趣味性，令一方面也在 于教师的引导，使得学生在参与这项活动以后收获更多。在这里我们也不否认，有少数学生很不认真，桁架制作不动手，实验报告不动笔，就依赖小 组的其他成员。有的

20、自己不动手，还老想往成绩优秀的小组靠（因为成绩是按小组给的）。有的课程还没有结束就乘火车回家了，写实验报告和最后的加载实验不参加了，让别人代劳。三、实践能力的锻炼，创新意识的培养，探究性思维的启发等实践能力的锻炼有两个方面：一是动手制作桁架，这是同学们进大学后第一次制作模型，而 且又是需要互相协作、配合，集体完成的一件作品。另一方面是理论知识和实践的结合，是一个 知识活化的过程。实验活动中教师鼓励大家创新，重视创新意识的培养。制作开始时同学们知道桁架大致有三 角形、梯形、拱形三种形式，但对于杆件如何搭建成桁架并没有印象，通过方案讨论才形成了桁 架的形象，再把桁架制作出来，这个过程本身就是一个创

21、新行为。其次，我们在讲解是也鼓励大 家创新，不要受这几种桁架形式的限制。实际上有几个小组制作了形式新颖的、美观的桁架。实 际上，即使是上面三种常见形式的桁架，杆件的搭建形式也各不相同，有的内部形式也很新颖， 而且也能说得出道理来。虽然同学们的有些想法并不全面，从力学观点来看并不合理，比强也不 高，但是这种创新意识折的鼓励。而且教师还可以提出一些探究性的问题供他们思考。第三方面 是在计算工作中的创新，这是较高层面上的创新活动。虽然计算理论和方法是学过的，但在计算 模型的建立，以及已知条件的选取，近似和简化方面，仍然需要创新思维。在上面的“实验项目指导书”的第六节，提供了探究性内容的引导和要求。这

22、些内容是较具 有思考性的。我们是在制作过程中给学生答疑时提出这些问题，若有需要，在适当时候给予解答。有时学生提问时就问到了这些问题。有些是在加载实验中出现的一些破坏现象，教师会指给学生 看并启发他们思考。四、典型的实验报告这里我们选作了两份写得比较好的实验报告。这两个组制作的桁架，比强较高，而且计算结 果和实验结果比较接近，有叙述，有计算分析，有心得体会。实验报告要求的几项内容全部写到, 也比较详细。报告内容有：设计构思，制作过程，实验数据与理论计算结果的比较，加载破坏的 现象分析，心得体会。二、实验支撑条件 （仪器设备数量及运行状态；实验室环境等 ）本项实验活动所用的材料和工具在市场上都可以

23、买到，桁架方案的讨论，设计和制作都在寝 室进行，对于场地和仪器设备并无要求。加载试验在电子万能试验机上进行。校本部航空航天与力学学院力学实验中心（现已获得“教育部力学实验教学示范中心”的称号）材料力学实验室内的实验大厅进行。大厅宽敞明亮，装有 7台电子万能试验机，配套设施齐全。实验室有完善的管理制度和操作规程。有专业实验技术人 员负责，保证用水、用电的安全。学生在进行实验操作之前，均由实验室老师详细讲解仪器设备 的使用方法和安全注意事项，在学生独立操作实验时，必须有实验指导老师在旁，以保证实验的 安全性。本实验室致力于建设团结、活泼、开拓、奋进的实验室文化。已实现与长春试验机研究所合 作共建实

24、验室，目前已着手与美国波音公司开展共建实验室的工作。本实验室面向全院的本科生和研究生开放，特别是鼓励本科生参与学院的科研工作。目前力学创新实验室已经建立，并实现 了实验室开放的管理制度。四、学生参与实验项目的积极性、参与面、效果及体会和评价1、积极性本实验为综合性实验，是集设计、制作与试验为一体的实验项目。较为充分和全面地用到了 课堂上学习的理论知识，又是一次实践能力的锻炼和学生综合素质的考验。学生参与本实验的热 情很高，为了把桁架做得更好，有的同学还自己花钱买材料。有的小组做了两个桁架，一个作为 演练，一个是正式的，要送去加载，而且把演练的那一个自己先试压，看看承载能力是多少。试 验气氛团结

25、、活泼、热烈，同学们对于试验结果很在意的。如果试验结果很好，他们欢呼、相互 击掌拥抱；如果结果不好，他们往往会很伤心。同学们在实验报告中写道：通过这次活动，在对 已学知识的理解和掌握方面、发扬团队精神方面和动手能力方面都有了很大提高，甚至对周围的 人和事的认识都有了变化。2、参与面学生参与本实验的热情很高，参与程度达到100%近几年来这项实验只在工程力学I的课程中开展，但有些未开设这门课的专业的学生也纷纷要求开展这项实验。3、实验效果本实验的效果是很好的，这体现在以下方面：（1）运用了材料力学、工程力学或建筑力学等课程中的大部分知识。这不仅是对所学课程的复习，也促进了学生所学知识的活化。同学们

26、不仅 对所学的知识有了更深刻的理解和进一步的掌握，而且认识到他们所学到的知识是有用的，初步 知道了应该怎么用。（2）培养了学生如何把一个工程实际问题转化为力学模型，并进行分析的能 力，初步懂得了对于一个工程结构应该分析那些问题。（3 ）对学生素质是一个锻炼和考验。在团队精神方面，包括小组成员以及组长之间的沟通、理解、协调和必要的让步等。此外还有对于工 程和自然的认识，对于周围人和事的认识，以及事业心、成就感等。下面我们摘选学生在实验报告中所写的心得体会，从中可以看出本实验活动的效果、效益和 学生的评价，实际上，类似这样的心得体会在很多实验报告里都有。07地质工程，组长：黄保生经过我们几天的辛苦

27、努力终于完成了这一项伟大的工程。在这几天中，我们付出了许多，但 是收获更多。这几天我们感受到了真正的大学，而不是以前的一味一课本为主，而是把理论与实践结合起来。首先，我们学到了一些合作技巧。在第一天的讨论之中，我们很激烈，开始的时候几乎不能 达成一致，各自坚持自己的观点，互不相让。我们甚至一度出现了僵局，大家冷静了几分钟后， 在心里肯定都进行了反思，再次讨论时我们才看到了曙光。我们都互相让步，接受对方的思想， 好不容易才得到了最终方案。有了第一天的教训以后，在以后的制作过程中，我们四人合作得比 较成功了。这次的经历对我们以后定会产生深远的影响，给我们以后的学习生活以指导。我想，这是有原因的，我

28、们现在大多都是独生子女，从小就得到很多的爱，父母把我们保护 的很好。上了学之后，能进同济的以前都是优秀学生，以前哪有要自己去听别人的，都是同学们 听自己的。但是现在大家都是这样，所以这种现象就孕育而生了。还好，我们毕竟不是小孩子了， 懂得反思和找到方法解决问题。这种现象应该引起我们的重视，现在社会的各行各业都需要合作，进行的都是流水线作业， 一个人要想很好地融入社会，那学会合作是他必须要的基本素质。其次，我们锻炼了自己的实际动手能力。我们知道这次试验的要求后，都会说很简单。但过 程之中的困难是我们难以想象的。特别是我们的方案出来以后，大家都松了一口气，看着图纸， 都是不屑的，都想那不是我幼儿园

29、时玩的积木吗？但到做的时候才发现，非也！我们切木条的时 候都是咬着牙的，不一会就汗流浃背了，而且一不小心还会切得不好，要不了。并且在制作过程 之中，存在着很多的技巧，这所有的东西，你不亲自动手，你是不会发现的。克服了困难就有了 收获，就增长了自己的能力。另一方面，也培养了我们分析问题和解决问题的能力。制作过程中，会有各种各样的小问题,我们就积极思考，不断完善我们的桁架。“实践是检验真理的唯一标准”，我们通过了实际动手，巩固了我们所学的理论知识，加深了对理论的理解，并把理论华为实际。精神方面，我们的收获也是很大的，不但培养了我们做事一丝不苟的工作精神和吃苦耐劳的 奋斗精神，而且也锻炼了我们的创新思维。总之，这次试验对我们的影响是巨大的，收获太多太 多了。07港口工程，组长：杨蔚为通过四天的思考与制作，我们