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摘要:实验教学是“工程力学”教学中的一个重要环节,对于提高学生的综合素质、培养学生的动手能力与创新精神具有极其重要的作用。针对近机类“工程力学”实验课时减少的情况,本文结合笔者自身教学工作对实验教学的教学方法进行了初步的探讨。
关键词:工程力学;少学时;教学方法;实验教学
作者简介:常利武(1977-),男,河南洛阳人,中原工学院建筑工程学院,讲师,工学硕士,主要研究方向:工程安全;李冬霞(1956-),女,陕西乾县人,中原工学院建筑工程学院,教授,主要研究方向:结构的疲劳与断裂。(河南 郑州 450007)
为了更好地适应当前我国高等教育跨越式发展需要,满足我国高校从精英教育到大众化教育的重大转折,课程的教学改革也在不断深入。为了增强学生对社会的适应能力,拓宽学生的知识面和提高综合素质,很多高校均压缩了一些主要课程的学时,并不断增加一些新的课程。中原工学院(以下简称“我校”)为紧跟教学改革的步伐,几乎每两年修订一次,在拓宽专业口径,降低专业重心、压缩课程学时的形势下,近机类“工程力学”(理力、材力)课程的学时由20世纪80年代后期的180学时减为1992年的150学时,再减为1995年的120学时,如今为60学时。实验课时由原来的8学时缩减为现在的4学时。
“工程力学”是与工程实际紧密结合的课程,“工程力学”实验教学是课程中的重要组成部分。实验教学是学生获得知识和能力训练的重要途径,对工程力学的学习和研究具有举足轻重的作用。此外,“工程力学”实验与工程实践密切相关,对培养学生的实践能力、创新意识有着极为重要的意义。如何在实验课时总体减少的情况下,达到力学实验教学的预期效果成为目前亟待解决的问题。
一、运用现代信息技术,提高学生自学能力
21世纪的社会是信息化社会,以网络技术和多媒体技术为核心的信息技术已成为拓展人类思维的创造性工程,它利用计算机、多媒体及网络呈现科学现象,让学生在声音、动画、色彩中感受新事物、新现象,吸引学生的注意力,提高他们学习的兴趣,唤起他们的求知欲,培养学生自主发现、探索学习的能力。
本课程实验课时较少。在有限的课时内完成实验教学任务,推行电化教学就可以很好地解决这一问题。电化教学的手段包括自制的多媒体课件、与实验有关的视频图片、模拟实验、引进现代化的实验设备等,通过图文、声音来学习,增强了学生的感性认识,扩大知识面。利用互联网可以获取与实验相关的知识,培养学生自主学习的能力;通过课后的网络互动平台,突破固定时空的限制,使学生与教师之间、学生与学生之间及时地交流,互相解答疑问。
借助现代信息技术,还可以使学生在如同实地一样的环境中学习了解实验设备、实验原理、实验方法及实验过程,优化学生的思维过程,引导学生多角度地展开想象或联想,激发学生创造思维的火花,提高学生自主学习的兴趣。此外,模拟实验的过程不受时间、空间、安全的限制,便于学生课后的回忆和复习。
信息化是当今世界经济和社会发展的大趋势,它对人类学习方式的变革具有革命性的影响,现代信息技术给我们带来了前所未有的机遇。结合本课程少课时的特点,可采用下列措施。
(1)根据教学侧重点,对实验内容进行合理分类,区别对待。一般可分为下列几类。
1)学生分组实验。与教学大纲和实际联系紧密的实验,采用学生分组实验。如:低碳钢、铸铁拉伸试验,电测纯弯曲正应力综合实验。
2)教师演示实验。对实验破环突然且易出安全问题的实验采用演示实验。如低碳钢压缩实验。
3)网上多媒体模拟实验或学生课外自主实验。适用于一些由于课时限制在课堂上无法完成的实验。如:低碳钢扭转实验、材料常数E、μ测定实验、弯扭组合变形主应力测定综合实验等。
(2)网上简介实验内容,提供与实验相关的扩展知识,使学生在上课前对实验内容有初步了解。提供所涉及的参考书籍目录、网站等,便于学生课前查阅与实验有关的预备知识,提高学生学习的主动性和兴趣。
(3)完善多媒体模拟实验,实现虚拟实验和仿真,使学生较为形象地进行预习和扩展知识面的学习。对那些由于课时限制无法在课堂上完成的实验,还应提供实验全过程的视频,供学生自主学习,以减少其课外自主实验时的盲目性。
(4)实施电子实验报告。将学生的实验报告储存、整理和分析,得出实验数据的范围,并以此设计出电子实验报告。学生可以利用电子实验报告,自行校核实验数据,倘若实验不成功,尚可及时补做。电子报告的实施对学生课外自主实验效果最佳。因为学生可以参阅历史实验报告,试验结果明确,学生学习的主动性自然就会提高。
二、运用启发式教学,提高学生分析问题的能力
工程力学实验所涉及的学科较多,且与工程实际结合紧密,如果用传统的“注入式”教学,学生会感到枯燥无味,学习兴趣不高,甚至厌学、怕学,从而达不到好的教学效果。采用“以学生为主体,教师为主导”的启发式教育模式,充分发挥学生的主观能动性,让学生由学会实验到会做实验,达到能自己设计实验。这样才能培养出动手能力强、综合素质高的创新型的人才。
1.利用实验装置,积极开展启发式教学
以材料拉伸时变形情况为例进行分析。
(1)绘出试件轴向拉伸图,如图1所示。
(2)请学生说出要得到应力应变关系需要测试哪些参数,并结合平时积累的生活经验和感性认识,说出测出这些参数需要什么技术和设备?一般来说,学生运用自己的经验不难说明以下情况:需要测试力P的值、试件的直径d0和标距l0的绝对变形△l;测力需要测力计或电子测力仪器,变形可以用卷尺或游标卡尺。
(3)绘出万能材料试验机拉伸实验原理图2,讲解实验原理前,启发学生考虑力传感器及引伸计的测试原理,然后再进行讲解。这种先思考后讲解的方法不仅可以加深学生对实验原理的理解,还可培养其课外自主学习相关知识的兴趣。
2.利用实验条件,积极开展启发式教学
(1)以塑性材料(低碳钢)拉伸实验为例进行分析。
1)请学生说出实验条件:①常温;②静载;③材料:④塑性材料(退火低碳钢)。
2)让学生结合平时积累的生活经验,思考达到上述实验条件的难点及如何实现该实验条件。通过思考,学生很容易判断出第二个实验条件是实验的难点所在。但如何实现呢?学生提出多种方案:①用一托盘,在托盘上连续慢慢放入砝码;②用千斤顶对试件施加压力;③用力缓慢平稳地牵引试件,力的数值通过传感器测出。
3)讨论上述方案的优劣。经过讨论,最后一个方案为最优方案。因为它施加的是持续的线性静荷载(近似),完全符合实验的要求。
4)介绍实验机是如何保证静载这一实验条件的。
(2)以电测纯弯曲正应力综合实验为例进行分析。应变值的测定是电测实验重点和难点,减少测量误差是确保数据的精确的重要环节。
1)讲解应变片测量某点应变的原理。
2)请学生根据应变的测量原理,说出测量误差的来源:①变形引起的应变片电阻值的变化量过小;②温度变化对应变片电阻值的影响。
3)启发学生根据自己所学的物理知识思考减少上述误差的措施:①通过电桥可以减小第一种误差;②可以通过温度补偿片来消除第二种误差。还可进一步请学生们思考,为什么温度补偿片必须贴在与构件相同的材料上?
3.利用实验结果,积极开展启发式教学
(1)以塑性材料(低碳钢)拉伸实验为例进行分析。向学生提供已经通过实验验证的塑性材料拉伸图(见图3)和应力应变图(见图4)。曲线①为一次加载直至破坏时的曲线;曲线②为强化段某点卸载后又加载破坏时的曲线。交待清楚后,请学生根据实验的原理、方法观察应力应变关系曲线,看他们能否从中发现些什么带规律性的东西。这样不仅可以提高学生们的学习兴趣,又能锻炼其观察问题、分析问题的能力。通过教师启发,学生一般可以看出:
1)oa段,应力与应变呈线性关系,其斜率值为弹性模量E的值。
2)bc段,不增加应力或缩小应力的情况下,材料的应变却在继续增加,这种现象叫做屈服,此阶段试件开始产生明显的塑性变形。
3)说出比例极限、屈服极限、强度极限等重要概念,在应力应变图上分别对应的是哪一点。
4)对于预拉过的试件重新加载,其实验结果为曲线②。
最后,请学生比较曲线②与曲线①的差别。通过分析曲线之间的差别,得出冷作硬化的概念。此外,还可以让学生联系工程实际,讨论工程上如何该如何利用冷作硬化,以加深对此概念的理解。
(2)以电测纯弯曲正应力综合实验为例进行分析。向学生提供某次学生的实验记录表格(见表1),请学生思考如何判断实验结果的优劣。可以提示学生按如下步骤进行操作:
1)写出实测应力和理论应力的计算公式,σ测=E△ε·10-6,σ测==。
2)分析判断实验数据优劣的标准:实测应力等于或接近于理论应力。
3)假设保持△P不变(实验所采用的),可以得出什么结果。不能得出应变的增量应基本保持不变。
4)请学生们结合应力计算公式σ=,考虑相对中性层对称布置的应变片的测试结果应满足的规律。
三、运用开放性实验,培养学生的创新能力
在传统的实验教学中,重理论、轻实践,只局限于验证性试验,缺少综合性、设计性和应用性实验,忽略了实践的能动性。在少学时的情况下更是如此。因此,为了扩大学生发展空间和发展机会,应实行开放性实验教学。让学生利用课余时间到实验室做实验,既可以弥补课时的不足,又能验证书本上的基本理论、基本观点和自己的一些设想,还能提高学生的学习兴趣,培养解决实际问题的能力。
实施开放性实验教学,体现了“以人为本”的科学发展观和以“学生为中心”的教学理念,更大程度地突显大学生的主体作用,激发学生的自主学习意识,培养学生的自学能力,锻炼学生的开放式思维,培养学生的创新能力。
针对少学时工程力学实验课课时少的特点,在运用开放性实验时可采用以下几点措施:
(1)重点保证未列入少学时教学计划的验证性实验。
(2)鼓励学生自带实验项目进行实验。
(3)建立现代化实验教学手段。如采用多媒体讲解、运用模拟实验、仿真实验,提高实验效率,缓解资源紧张的问题。
(4)建设丰富的网络教学资源,加强师生间的互动。
四、理论联系实际,提高学生分析解决问题的能力
传统的实验教学方法缺少与实际的联系,不重视教学方法的综合运用,重课堂教学轻课外运用。这些弊端严重影响了学生实验的积极性和主动性,使实验课缺少对学生的吸引力和感染力,影响了教学任务的全面完成。因此,采用理论联系实际的创新教学法变得十分必要。
通过实验课堂教学,学生对实验的内容已经有了一定的了解和掌握。但为了加深学生对所学知识的理解和具体运用,使学生的感性知识上升为理性知识,可组织学生到工厂实验室或测试现场进行实地参观和观摩。使学生对试验原理、试验方法、试验步骤有一个具体的、直观的了解和掌握。
在拉伸实验过程中,应力应变图在电脑上自动绘出。可以启发学生把它与理论课上所学的进行比较,从而加深学生对材料拉压时的力学性能,如比例极限、弹性极限、屈服极限、强度极限、弹性模量等参量之间的关系的理解,从而达到较好的教学效果。再如在电测实验中,由实验数据可以绘出实测应力的分布图。让学生将实测应力图与理论应力分布曲线比较,加深对梁纯弯曲时横截面上正应力分布规律的理解。若两者存在偏差,还可启发学生分析误差的原因,以指导以后实验。
总之,课时的减少给实验教学带来了不小的挑战。我们每一个教师都应开动脑筋,理论联系实际,采用多种方法激发学生学习的主动性,使学生体会到实验课并不枯燥,还能达到“课时宽裕”的效果。
参考文献:
[1]刘长文.材料力学教学方法探讨[J].长沙铁道学院学报(社会科学版),2004,4(5):147-149.
[2]胡兴权.浅谈“材料力学”材料拉压时机械性能的教学[J].云南煤炭,2002,(3):36-38.
[3]廖孟柯,王庆少.少学时工程力学教学方法探讨[J].装备制造技术,2009,(8):191-192.
[4]冯英先,徐志洪.工程力学实验教学改革的探索[J].实验室研究与探索,2004,23(6):64-65.
(责任编辑:刘辉)
关键词:工程力学;少学时;教学方法;实验教学
作者简介:常利武(1977-),男,河南洛阳人,中原工学院建筑工程学院,讲师,工学硕士,主要研究方向:工程安全;李冬霞(1956-),女,陕西乾县人,中原工学院建筑工程学院,教授,主要研究方向:结构的疲劳与断裂。(河南 郑州 450007)
为了更好地适应当前我国高等教育跨越式发展需要,满足我国高校从精英教育到大众化教育的重大转折,课程的教学改革也在不断深入。为了增强学生对社会的适应能力,拓宽学生的知识面和提高综合素质,很多高校均压缩了一些主要课程的学时,并不断增加一些新的课程。中原工学院(以下简称“我校”)为紧跟教学改革的步伐,几乎每两年修订一次,在拓宽专业口径,降低专业重心、压缩课程学时的形势下,近机类“工程力学”(理力、材力)课程的学时由20世纪80年代后期的180学时减为1992年的150学时,再减为1995年的120学时,如今为60学时。实验课时由原来的8学时缩减为现在的4学时。
“工程力学”是与工程实际紧密结合的课程,“工程力学”实验教学是课程中的重要组成部分。实验教学是学生获得知识和能力训练的重要途径,对工程力学的学习和研究具有举足轻重的作用。此外,“工程力学”实验与工程实践密切相关,对培养学生的实践能力、创新意识有着极为重要的意义。如何在实验课时总体减少的情况下,达到力学实验教学的预期效果成为目前亟待解决的问题。
一、运用现代信息技术,提高学生自学能力
21世纪的社会是信息化社会,以网络技术和多媒体技术为核心的信息技术已成为拓展人类思维的创造性工程,它利用计算机、多媒体及网络呈现科学现象,让学生在声音、动画、色彩中感受新事物、新现象,吸引学生的注意力,提高他们学习的兴趣,唤起他们的求知欲,培养学生自主发现、探索学习的能力。
本课程实验课时较少。在有限的课时内完成实验教学任务,推行电化教学就可以很好地解决这一问题。电化教学的手段包括自制的多媒体课件、与实验有关的视频图片、模拟实验、引进现代化的实验设备等,通过图文、声音来学习,增强了学生的感性认识,扩大知识面。利用互联网可以获取与实验相关的知识,培养学生自主学习的能力;通过课后的网络互动平台,突破固定时空的限制,使学生与教师之间、学生与学生之间及时地交流,互相解答疑问。
借助现代信息技术,还可以使学生在如同实地一样的环境中学习了解实验设备、实验原理、实验方法及实验过程,优化学生的思维过程,引导学生多角度地展开想象或联想,激发学生创造思维的火花,提高学生自主学习的兴趣。此外,模拟实验的过程不受时间、空间、安全的限制,便于学生课后的回忆和复习。
信息化是当今世界经济和社会发展的大趋势,它对人类学习方式的变革具有革命性的影响,现代信息技术给我们带来了前所未有的机遇。结合本课程少课时的特点,可采用下列措施。
(1)根据教学侧重点,对实验内容进行合理分类,区别对待。一般可分为下列几类。
1)学生分组实验。与教学大纲和实际联系紧密的实验,采用学生分组实验。如:低碳钢、铸铁拉伸试验,电测纯弯曲正应力综合实验。
2)教师演示实验。对实验破环突然且易出安全问题的实验采用演示实验。如低碳钢压缩实验。
3)网上多媒体模拟实验或学生课外自主实验。适用于一些由于课时限制在课堂上无法完成的实验。如:低碳钢扭转实验、材料常数E、μ测定实验、弯扭组合变形主应力测定综合实验等。
(2)网上简介实验内容,提供与实验相关的扩展知识,使学生在上课前对实验内容有初步了解。提供所涉及的参考书籍目录、网站等,便于学生课前查阅与实验有关的预备知识,提高学生学习的主动性和兴趣。
(3)完善多媒体模拟实验,实现虚拟实验和仿真,使学生较为形象地进行预习和扩展知识面的学习。对那些由于课时限制无法在课堂上完成的实验,还应提供实验全过程的视频,供学生自主学习,以减少其课外自主实验时的盲目性。
(4)实施电子实验报告。将学生的实验报告储存、整理和分析,得出实验数据的范围,并以此设计出电子实验报告。学生可以利用电子实验报告,自行校核实验数据,倘若实验不成功,尚可及时补做。电子报告的实施对学生课外自主实验效果最佳。因为学生可以参阅历史实验报告,试验结果明确,学生学习的主动性自然就会提高。
二、运用启发式教学,提高学生分析问题的能力
工程力学实验所涉及的学科较多,且与工程实际结合紧密,如果用传统的“注入式”教学,学生会感到枯燥无味,学习兴趣不高,甚至厌学、怕学,从而达不到好的教学效果。采用“以学生为主体,教师为主导”的启发式教育模式,充分发挥学生的主观能动性,让学生由学会实验到会做实验,达到能自己设计实验。这样才能培养出动手能力强、综合素质高的创新型的人才。
1.利用实验装置,积极开展启发式教学
以材料拉伸时变形情况为例进行分析。
(1)绘出试件轴向拉伸图,如图1所示。
(2)请学生说出要得到应力应变关系需要测试哪些参数,并结合平时积累的生活经验和感性认识,说出测出这些参数需要什么技术和设备?一般来说,学生运用自己的经验不难说明以下情况:需要测试力P的值、试件的直径d0和标距l0的绝对变形△l;测力需要测力计或电子测力仪器,变形可以用卷尺或游标卡尺。
(3)绘出万能材料试验机拉伸实验原理图2,讲解实验原理前,启发学生考虑力传感器及引伸计的测试原理,然后再进行讲解。这种先思考后讲解的方法不仅可以加深学生对实验原理的理解,还可培养其课外自主学习相关知识的兴趣。
2.利用实验条件,积极开展启发式教学
(1)以塑性材料(低碳钢)拉伸实验为例进行分析。
1)请学生说出实验条件:①常温;②静载;③材料:④塑性材料(退火低碳钢)。
2)让学生结合平时积累的生活经验,思考达到上述实验条件的难点及如何实现该实验条件。通过思考,学生很容易判断出第二个实验条件是实验的难点所在。但如何实现呢?学生提出多种方案:①用一托盘,在托盘上连续慢慢放入砝码;②用千斤顶对试件施加压力;③用力缓慢平稳地牵引试件,力的数值通过传感器测出。
3)讨论上述方案的优劣。经过讨论,最后一个方案为最优方案。因为它施加的是持续的线性静荷载(近似),完全符合实验的要求。
4)介绍实验机是如何保证静载这一实验条件的。
(2)以电测纯弯曲正应力综合实验为例进行分析。应变值的测定是电测实验重点和难点,减少测量误差是确保数据的精确的重要环节。
1)讲解应变片测量某点应变的原理。
2)请学生根据应变的测量原理,说出测量误差的来源:①变形引起的应变片电阻值的变化量过小;②温度变化对应变片电阻值的影响。
3)启发学生根据自己所学的物理知识思考减少上述误差的措施:①通过电桥可以减小第一种误差;②可以通过温度补偿片来消除第二种误差。还可进一步请学生们思考,为什么温度补偿片必须贴在与构件相同的材料上?
3.利用实验结果,积极开展启发式教学
(1)以塑性材料(低碳钢)拉伸实验为例进行分析。向学生提供已经通过实验验证的塑性材料拉伸图(见图3)和应力应变图(见图4)。曲线①为一次加载直至破坏时的曲线;曲线②为强化段某点卸载后又加载破坏时的曲线。交待清楚后,请学生根据实验的原理、方法观察应力应变关系曲线,看他们能否从中发现些什么带规律性的东西。这样不仅可以提高学生们的学习兴趣,又能锻炼其观察问题、分析问题的能力。通过教师启发,学生一般可以看出:
1)oa段,应力与应变呈线性关系,其斜率值为弹性模量E的值。
2)bc段,不增加应力或缩小应力的情况下,材料的应变却在继续增加,这种现象叫做屈服,此阶段试件开始产生明显的塑性变形。
3)说出比例极限、屈服极限、强度极限等重要概念,在应力应变图上分别对应的是哪一点。
4)对于预拉过的试件重新加载,其实验结果为曲线②。
最后,请学生比较曲线②与曲线①的差别。通过分析曲线之间的差别,得出冷作硬化的概念。此外,还可以让学生联系工程实际,讨论工程上如何该如何利用冷作硬化,以加深对此概念的理解。
(2)以电测纯弯曲正应力综合实验为例进行分析。向学生提供某次学生的实验记录表格(见表1),请学生思考如何判断实验结果的优劣。可以提示学生按如下步骤进行操作:
1)写出实测应力和理论应力的计算公式,σ测=E△ε·10-6,σ测==。
2)分析判断实验数据优劣的标准:实测应力等于或接近于理论应力。
3)假设保持△P不变(实验所采用的),可以得出什么结果。不能得出应变的增量应基本保持不变。
4)请学生们结合应力计算公式σ=,考虑相对中性层对称布置的应变片的测试结果应满足的规律。
三、运用开放性实验,培养学生的创新能力
在传统的实验教学中,重理论、轻实践,只局限于验证性试验,缺少综合性、设计性和应用性实验,忽略了实践的能动性。在少学时的情况下更是如此。因此,为了扩大学生发展空间和发展机会,应实行开放性实验教学。让学生利用课余时间到实验室做实验,既可以弥补课时的不足,又能验证书本上的基本理论、基本观点和自己的一些设想,还能提高学生的学习兴趣,培养解决实际问题的能力。
实施开放性实验教学,体现了“以人为本”的科学发展观和以“学生为中心”的教学理念,更大程度地突显大学生的主体作用,激发学生的自主学习意识,培养学生的自学能力,锻炼学生的开放式思维,培养学生的创新能力。
针对少学时工程力学实验课课时少的特点,在运用开放性实验时可采用以下几点措施:
(1)重点保证未列入少学时教学计划的验证性实验。
(2)鼓励学生自带实验项目进行实验。
(3)建立现代化实验教学手段。如采用多媒体讲解、运用模拟实验、仿真实验,提高实验效率,缓解资源紧张的问题。
(4)建设丰富的网络教学资源,加强师生间的互动。
四、理论联系实际,提高学生分析解决问题的能力
传统的实验教学方法缺少与实际的联系,不重视教学方法的综合运用,重课堂教学轻课外运用。这些弊端严重影响了学生实验的积极性和主动性,使实验课缺少对学生的吸引力和感染力,影响了教学任务的全面完成。因此,采用理论联系实际的创新教学法变得十分必要。
通过实验课堂教学,学生对实验的内容已经有了一定的了解和掌握。但为了加深学生对所学知识的理解和具体运用,使学生的感性知识上升为理性知识,可组织学生到工厂实验室或测试现场进行实地参观和观摩。使学生对试验原理、试验方法、试验步骤有一个具体的、直观的了解和掌握。
在拉伸实验过程中,应力应变图在电脑上自动绘出。可以启发学生把它与理论课上所学的进行比较,从而加深学生对材料拉压时的力学性能,如比例极限、弹性极限、屈服极限、强度极限、弹性模量等参量之间的关系的理解,从而达到较好的教学效果。再如在电测实验中,由实验数据可以绘出实测应力的分布图。让学生将实测应力图与理论应力分布曲线比较,加深对梁纯弯曲时横截面上正应力分布规律的理解。若两者存在偏差,还可启发学生分析误差的原因,以指导以后实验。
总之,课时的减少给实验教学带来了不小的挑战。我们每一个教师都应开动脑筋,理论联系实际,采用多种方法激发学生学习的主动性,使学生体会到实验课并不枯燥,还能达到“课时宽裕”的效果。
参考文献:
[1]刘长文.材料力学教学方法探讨[J].长沙铁道学院学报(社会科学版),2004,4(5):147-149.
[2]胡兴权.浅谈“材料力学”材料拉压时机械性能的教学[J].云南煤炭,2002,(3):36-38.
[3]廖孟柯,王庆少.少学时工程力学教学方法探讨[J].装备制造技术,2009,(8):191-192.
[4]冯英先,徐志洪.工程力学实验教学改革的探索[J].实验室研究与探索,2004,23(6):64-65.
(责任编辑:刘辉)