基于科研實(shí)踐活動的材料力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐

1、基于科研實(shí)踐活動的材料力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐摘 要：以天水師范學(xué)院材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程為研究對象，全面分析目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題。通過合理設(shè)計(jì)、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教 學(xué)內(nèi)容，結(jié)合教師科研項(xiàng)目，提出改革措施并在部分學(xué)生中試行。對比改革前的教學(xué)效果、學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力顯著 提高，為其他實(shí)踐教學(xué)提供積極的借鑒作用。關(guān)鍵詞：材料力學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式；科研項(xiàng)目；創(chuàng)新能力教學(xué)是教師有目的、有組織引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)并掌握科 學(xué)基礎(chǔ)知識、技能，進(jìn)而全面提升綜合素質(zhì)的過程1o 科研是依據(jù)自身知識，利用科學(xué)手段和思維對已存在 的客觀事物本質(zhì)、規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)研、實(shí)驗(yàn)等的 相關(guān)活動，同時(shí)提出新理論、新技術(shù)、新產(chǎn)品2o教 學(xué)和科研

2、作為高等院校兩大職能，辯證統(tǒng)一、相互促 進(jìn)，共同組成高校教書育人的環(huán)境，即教學(xué)是科研產(chǎn) 出的前提，科研是教育質(zhì)量的升華3o 2018年6月，教 育部新時(shí)代全國高等學(xué)校本科教育工作會議中指出：“要推進(jìn)科教融合，讓學(xué)生盡早參與和融入科研，早 進(jìn)課題組、早進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、早進(jìn)團(tuán)隊(duì)，加大各級科研基 地向本科生的開放力度，提高學(xué)生科研實(shí)踐能力和創(chuàng) 新創(chuàng)業(yè)能力?！?勺因此，通過開設(shè)符合應(yīng)用實(shí)際的創(chuàng) 新類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、引入部分科研項(xiàng)目，建立健全多層次 實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，使學(xué)生盡早進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，接觸科技前 沿，培育本科學(xué)生所具備的創(chuàng)新、合作和終身學(xué)習(xí)的 能力。材料力學(xué)作為工科各專業(yè)中重要的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課 程，其項(xiàng)目背景、分析理論

3、和計(jì)算方法均源于工程應(yīng) 用，注重實(shí)際操作能力的培養(yǎng)5o目前，在工科院校 的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，基本上是讓學(xué)生在一定教學(xué) 時(shí)間內(nèi)，按照教師示范實(shí)驗(yàn)步驟，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有儀 器設(shè)備，完成相應(yīng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)6-8。這種不變的教學(xué) 模式，與實(shí)際工程應(yīng)用嚴(yán)重脫節(jié)，使得學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過 程中僅僅處于被動狀態(tài)，限制其創(chuàng)新思維和主觀能動 性的發(fā)揮。近年來，結(jié)合創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育要求，以更為具體、 更為系統(tǒng)、更為創(chuàng)新性的工程實(shí)際的科研項(xiàng)目為驅(qū) 動，改革各類課程教學(xué)模式，培養(yǎng)符合時(shí)代要求的創(chuàng) 新型、應(yīng)用型人才，是新工科發(fā)展的一條必由之路。 為此，天水師范學(xué)院（以下簡稱“天水師院”）機(jī)電與 汽車工程學(xué)院在本科生階段引導(dǎo)部分教師將

4、自身科研 項(xiàng)目列為研究型開放實(shí)驗(yàn)，通過合理設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容、 完善教學(xué)體系，將材料力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)作為試點(diǎn)課程。 經(jīng)過一年多的改革創(chuàng)新，以科研項(xiàng)目為基礎(chǔ)的材料力 學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)切實(shí)提高了學(xué)生分析解決實(shí)際工程問題和 創(chuàng)新實(shí)踐能力，初步建立對具體問題的科學(xué)性分析體 系，取得了良好的教學(xué)效果。2018年3月，教育部對 天水師院本科教學(xué)工作審核評估期間，這種以科研項(xiàng) 目為導(dǎo)向的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式受到了評估專家的肯定。以 天水師院材料力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)為教學(xué)改革研究對象，介 紹該實(shí)驗(yàn)課程改革思路方法、具體措施和效果，為相 關(guān)專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)提供借鑒。1明確實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式高校在設(shè)置各類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)，其目的在于重點(diǎn)

5、培養(yǎng)大學(xué)生對所學(xué)專業(yè)課知識的理解和運(yùn)用，同時(shí)通 過基于科學(xué)思維的綜合訓(xùn)練，強(qiáng)化學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng) 新能力。因此，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，首先要明確并合 理設(shè)置實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的。而實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的是通過一定數(shù) 量的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、不同階段的綜合實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn) 的。這個(gè)過程中，科學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)教學(xué)模 式在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際操作能力中起到關(guān)鍵作用回。2016年底，天水師院機(jī)電與汽車工程學(xué)院在中 央財(cái)政支持地方高校發(fā)展專項(xiàng)資金的支持下，結(jié)合 機(jī)械工程學(xué)科專業(yè)發(fā)展和人才培養(yǎng)目標(biāo)，根據(jù)學(xué)院 實(shí)際教學(xué)科研情況，申報(bào)并成功建設(shè)材料力學(xué)創(chuàng)新 實(shí)驗(yàn)室，引入15套材料力學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺（如圖1所 示）。首先，對諸如等強(qiáng)度梁、懸臂梁、

6、彎扭組合 梁等傳統(tǒng)電測實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行講解，學(xué)生經(jīng)過訓(xùn)練并 掌握一定實(shí)驗(yàn)技巧之后，指導(dǎo)教師改變原有“做一 遍，仿一遍，寫一遍”的教學(xué)模式，主要做了以下 創(chuàng)新實(shí)踐：以實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有鑄鐵、碳鋼、尼龍、木材 等材料為主，學(xué)生5人一組，團(tuán)結(jié)合作，充分發(fā)揮主 觀能動性，自主選擇、設(shè)計(jì)、機(jī)械加工成不同類型 結(jié)構(gòu)件，并對其特征點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)變片粘貼和布線。經(jīng) 過受力和數(shù)據(jù)測試，分析不同結(jié)構(gòu)件在使用過程中 的力學(xué)分布和變化趨勢，并給出設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中存在問 題和改進(jìn)措施，最后撰寫研究報(bào)告。圖1材料力學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室與應(yīng)變片工具箱例如，在工程力學(xué)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)一拉壓扭沖部分 中，學(xué)生之前僅僅像“聽響聲” 一樣完成各部分實(shí) 驗(yàn)，數(shù)據(jù)和圖像也是

7、計(jì)算機(jī)給出，缺乏主動思考過 程。針對這一現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)中心整合力學(xué)類課程相關(guān)教 師，結(jié)合材料科學(xué)四要素(組織、性能、加工、應(yīng)用) 關(guān)系，以組織與力學(xué)性能特征關(guān)系作為實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，?yōu) 化和豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，將金相分析、斷口分析和硬 度測試打包為綜合實(shí)驗(yàn)，并在部分學(xué)生中試行。通過 在不同實(shí)驗(yàn)室(金相實(shí)驗(yàn)室、掃描電鏡實(shí)驗(yàn)室、工程力 學(xué)實(shí)驗(yàn)室)觀察典型金屬材料組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、 斷口特征等，分析各參數(shù)相互關(guān)系，學(xué)生對材料四要 素理解和實(shí)際操作能力明顯加強(qiáng)，科研興趣和創(chuàng)新意 識顯著提高。圖2為改進(jìn)后工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告 對比?？梢钥闯?，學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中團(tuán)隊(duì)合作，分工明 確，單一的實(shí)驗(yàn)報(bào)告轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂懈釉攲?shí)數(shù)據(jù)

8、和圖像 分析的綜合報(bào)告。圖2材料力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)過程與實(shí)驗(yàn)報(bào)告2引入科研項(xiàng)目建立創(chuàng)新思維自1999年高校擴(kuò)招以來，中國高等教育進(jìn)入大 眾化階段，但這種跨越式發(fā)展也帶來了諸多問題， 如教學(xué)質(zhì)量降低，學(xué)科建設(shè)不足，就業(yè)困難，專業(yè) 之間、高校之間發(fā)展不平衡等10。黨的十八大以 來，高等教育的綜合改革不斷深化，教育部和各級 教育部門、高校都出臺相關(guān)文件和政策，要求要保 證擴(kuò)招后的教育質(zhì)量。在闡述培養(yǎng)什么人才、怎樣 培養(yǎng)人才的重要性的同時(shí)，提出強(qiáng)化學(xué)生創(chuàng)新精神 和實(shí)踐能力，早進(jìn)實(shí)驗(yàn)室參與科研項(xiàng)目。科學(xué)研究 作為高校重要職能之一，但實(shí)際操作主要集中在教 師和研究生階段，本科生很難接觸或進(jìn)行有效的科 研實(shí)踐活動

9、11。天水師院作為甘肅省首批應(yīng)用技術(shù)型大學(xué)轉(zhuǎn)型發(fā) 展試點(diǎn)院校，近年來對機(jī)電學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)投入巨 大，先后建成并完善了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室和相關(guān)科研設(shè)備； 另外，學(xué)院教師先后獲得國家自然科學(xué)基金、省科 技廳、教育廳、市級(校級)科研和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目的資 助。這些硬件設(shè)備和科研項(xiàng)目提高了本科生綜合分析 實(shí)驗(yàn)層次，是提升學(xué)生科研和創(chuàng)新思維的重要基礎(chǔ)。 為此，學(xué)院適時(shí)在材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)和畢業(yè)設(shè)計(jì)中引入部 分教師科研項(xiàng)目，合理設(shè)置實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，開放相關(guān)實(shí)驗(yàn) 室，為學(xué)生科研實(shí)踐活動提供保障。主要做了以下改 革措施。在前期優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，結(jié)合教師 科研項(xiàng)目研究方向，挑選23個(gè)研究內(nèi)容，供學(xué)生自 由報(bào)名選擇，指導(dǎo)教師

10、根據(jù)學(xué)生參加科研工作和取得 的進(jìn)展情況作為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)模塊學(xué)分?？蒲行〗M每周進(jìn)行一次科研工作匯報(bào)和交流， 提出下一階段工作目標(biāo)；經(jīng)過一段時(shí)間的資料收集和 文獻(xiàn)閱讀之后，各組撰寫類似“開題報(bào)告”的實(shí)驗(yàn)工 作預(yù)案。材料制備與加工、分析檢測、繪圖等工作完全 由學(xué)生自主完成，并自學(xué)相關(guān)設(shè)備操作和軟件分析(如 JADE5.0和ORIGIN8.0等)，同時(shí)各組推選一名學(xué)生為 低年級學(xué)生做一場科研工作報(bào)告會。最后的撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告改為提交調(diào)研報(bào)告，并按 照畢業(yè)論文格式撰寫，應(yīng)有詳盡的研究目的、意義、 方法內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)與分析過程、結(jié)論等環(huán)節(jié)。學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心利用甘肅省科技廳科技支撐計(jì)劃 項(xiàng)目“高性能鐵基復(fù)合材料的粉末冶金成

11、型工藝優(yōu)化 與應(yīng)用研究”，提取科研課題中的“壓制力與組織 關(guān)系”和“銅含量對組織和性能的影響”作為兩個(gè) 主要研究方向。學(xué)生經(jīng)過資料搜集、實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì)、 試樣制備、性能檢測、撰寫報(bào)告等將近一年的科研工 作，最終獲得了較為理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并發(fā)表論文兩 篇12，13這個(gè)過程中，學(xué)生面對未知的科學(xué)知識，挖 掘了自身的潛在能力，真正實(shí)現(xiàn)了從書本到應(yīng)用的跨 越。同時(shí)在科研小組成員中，有4位學(xué)生在2018年研 究生考試中取得優(yōu)異成績，先后被南京工業(yè)大學(xué)、蘭 州理工大學(xué)等高校錄取。圖3和圖4所示為各科研小組 工作狀態(tài)圖與部分成果數(shù)據(jù)。a沖擊實(shí)驗(yàn) b SEM分析 a沖擊實(shí)驗(yàn) b SEM分析 c學(xué)生做科研匯報(bào) 圖

12、3科研小組工作狀態(tài)圖4微觀組織與力學(xué)性能分析動能力關(guān)系，合理調(diào)整和擴(kuò)充教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)新教學(xué)方 法，建立健全開放式的實(shí)驗(yàn)室管理體制，將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目 與企業(yè)實(shí)際、教師科研相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、 工程實(shí)踐能力?；谝荒甓嗟母母飳?shí)踐，試行學(xué)生對 基礎(chǔ)知識的理解運(yùn)用和實(shí)踐動手能力明顯要好于未試 行學(xué)生；科研思維和敏銳性的提高更是為將來進(jìn)一步 深造和新材料的研發(fā)工作打下良好的基礎(chǔ)。本課題組 在基于材料力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的過程中，將教學(xué) 模式、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)觀念進(jìn)行了大膽有效的創(chuàng)新， 搭建了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與科研項(xiàng)目相互促進(jìn)的教學(xué)平臺，對 其他實(shí)踐教學(xué)具有積極的借鑒作用3教師全程引導(dǎo)監(jiān)控 學(xué)生階段自我反饋在做綜合實(shí)驗(yàn)或研究型課題時(shí)，指導(dǎo)教師應(yīng)對整 個(gè)過程進(jìn)行監(jiān)控。這里的監(jiān)控不是指實(shí)時(shí)管理，而是 給學(xué)生以充分的發(fā)揮空間，讓學(xué)生自主提出問題、解 決問題，而教師只是在實(shí)驗(yàn)流程和節(jié)奏上做好把控： 當(dāng)學(xué)生遇到阻礙或無法自主解決的問題時(shí)，教師通過 鼓勵使之迎難而上并引導(dǎo)變換思路，給出建議。要充 分利用好每周進(jìn)行的課題組會和階段性檢查，學(xué)生以 書面和現(xiàn)場討論形式匯報(bào)近期研究進(jìn)展和問題，通過 相互交流，達(dá)到自我反饋和自我管理的目的。材料力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)最終成績以過程性和結(jié)果性（綜 合報(bào)告）相結(jié)合的形式呈現(xiàn)。