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探究材料的力学性能核心实验课程的构建与应用

2020-07-14 284 上传者：管理员

摘要：材料力学性能实验是材料研究、产品设计及可靠性检验的重要内容，所对应的实验课程也是针对材料学科的本科生的重要实践教学环节。随着工业技术尤其是航空航天技术的快速发展，如何能够培养满足新需求下的创新型本科生成为双一流高校面对的课题。文章基于自身学校实际情况，建设材料的力学性能实验这门核心实验课程，从现有课程教学中存在的问题入手，通过引入虚拟仿真、转变教学方法，分析和提出了相应的解决方案，以期得到预期的实验教学效果。本研究内容对于同类实践教学环节研究与改革具有一定的参考价值。

关键词：
固体力学
实践教学
材料力学性能实验
材料研究
能力培养
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材料的力学性能实验是材料研究、产品设计及可靠性检验的重要内容，是材料学科研究当中的一个重要的实践教学环节，实验教学与理论教学既有密切联系，又相对独立，是培养学生实践能力的重要手段，也是提高学生综合素质的关键环节，是当前高等工科院校教学改革的重要内容[1]。金属材料、陶瓷材料和高分子材料专业都有各自力学性能方面的教学内容，对同一力学性能的机理或机制，不同专业有不同的解释[2]。随着工业技术尤其是航空航天技术的快速发展，如何能够培养满足新需求下的创新型本科生成为双一流高校面对的课题，从现有课程教学中存在的问题入手，亟需分析和提出相应的解决方案，以期得到预期的实验教学效果。

材料的力学性能实验是一门材料学科的基础实验课程。通过材料的力学性能实验能够促进理论知识理解，在教学中，不仅要教育学生学习、掌握其基本概念和基本理论，而且还要培养学生灵活运用知识的能力和创新的能力[3]；同时，需要了解和掌握有关材料的力学性能的基本理论知识，能对不同失效产生的原因进行理论分析，从而针对的采取改进手段[4]。因此，材料的力学性能实验一直以来都是材料学科的核心实验课程之一，将材料的力学性能实验建成核心实验课也是本科实验教学的发展趋势，随着工业技术尤其是航空航天技术的快速发展，如何能够培养满足新需求下的创新型本科生成为双一流高校面对的课题。

一、目前存在的问题

材料的力学性能实验课程主要使学生掌握常见的力学性能检测的实验理论、实验设备、实验方法步骤、设备工作原理以及掌握具体操作规程，培养学生使用各类中大型仪器设备的能力，掌握材料的力学性能检测理论，进一步分析其失效机制。在课程之前需要对力学性能测试相关的标准进行了解，选择正确的试验标准，理解实验环节的参数设置和内在原理，从而促进学生对理论知识的理解。

当前所开设的材料力学性能实验课程当中，分为了静态和动态两个大类的力学性能实验项目群，能够基本满足传统课程大纲对学生能力培养的要求，但是，面向学校双一流建设、工程教育认证和创新创业人才培养的背景，在建设该课程的实验核心课的要求下尚存在以下问题：

1.实验多以传统的验证型、演示型实验为主，使得学生在课堂上的思维仅仅停留在按步照搬和基本步骤的学习上面，综合设计类、创新发散类的实验少；这样的教学模式会限制学生的思维能力和创新能力，难以提高学生动手能力和分析解决问题的能力[5]。

2.当前实验的学时数受制于场地条件所限，学时数较少，尤其在进行小班分组授课之后，实验课时工作量超限所造成实验教师不愿意多开实验的问题仍然存在，实验教师如何从繁重的实验工作量当中解放和如何提高学生实验课时数之间的矛盾并未解决。

3.实验课课程考核制度过于传统，沿用了之前根据实验报告给出的方式，这样就造成了学生不重视平时的实验课程学习，而在学期末突击完成报告册甚至是抄袭报告册的问题出现。

二、当前实验课程建设目标与任务

针对上述材料的力学性能实验课程中存在的问题，对实验课程进行了针对性的建设。先从材料的力学性能实验教学体系入手，拓展实验教学内容和实验学时；其次，增加对创新实践环节的设置和考虑，改革传统的实验课程成绩考核制度和方式。努力从现有中心实践教学现状着手，创新方法、创新模式，突出材料学科特色，切实改善该课程实践教学的教学质量和学生培养水平。主要的工作集中在以下几个部分：

（一）加强材料的力学性能实验课程特色建设

通过本门实验课的建设，突出材料学科的力学性能实验的特色，将力学性能的概念进一步深挖，将深层次的力学性能原理凸显出来。使得本科生掌握和理解材料最常见的评价、选用和改进材料性能等内容的方式，理解理论课程中所学到的机制、力学模型，不仅定性研究材料，更要定量的研究材料，学习材料的力学性能过程中表现的材料力学行为，学会联系理论知识。

（二）学会实验教学后的总结与分析手段

使得学生们学会如何在设计过程中优选材料，尤其是以相对应的力学性能为目标优化材料工艺，掌握力学测试基本原理和方法，见识和学会对大中型设备的基本操作，促进课程理论学习的理论理解。接触和掌握材料失效准则和断裂准则，见识和理解疲劳试验机及其测试原理。进一步增强学生的实验创新学习能力。

（三）利用虚拟仿真实验教学手段解决实验教学问题

前期已经做了部分尝试，实践证明虚拟仿真实验教学手段可以明显促进学生对实验步骤及原理的理解，尤其是台套数不够的大中型设备，能够解决传统教学中解决不了的问题；进一步完善实验教学多媒体建设水平，拟建设并完善相关实验流程，尤其是复杂力学性能实验的操作视频及数据分析方法的资料库。

（四）拓展学时，提升材料的力学性能实验教学体系

在现有基础上拓展教学内容和实验学时，鼓励学生自主创新，将自主创新想法带入实践课堂。同时，继续建设和完善并提升材料的力学性能实验教学体系，以培养学生高综合实践素质和实验创新能力为培养目标，搭建材料的力学性能实验教学体系，将实验项目模块化、层次化，使得学生更加易于学习，完善体系也为培养复合型材料学科人才奠定实验教学培养基础。

三、核心实验课程建设内容设计

将材料的力学性能实验项目分门别类，分为短时力学（基础型）实验部分、断裂力学/疲劳（专业型）性能实验部分、蠕变/持久（拓展验证型）性能实验部分和创新型力学性能实验部分四个模块来进行建设。实验教学内容包括多个层次的材料力学性能实验，涵盖中小实验项目约20余项，涉及设备台套数超过30余台套，选修学生可事先完成材料的力学性能理论基础学习，也可直接零基础独立选课，真正做到实验课程的独立开设与选修。

主要的实验教学设计与内容针对以下四个实验模块进行：

（一）短时力学（基础型）实验模块

通过对当前实验项目整合分类，该模块含三个实验，分别为：金属材料单向拉伸实验、布/洛/维硬度实验、连续低温夏比冲击实验，共涵盖了13个小实验项目，其中新增补6个，这个模块是本门实验课程的基础内容。培养学生观察常规力学性能实验现象、总结分析结果的能力。训练学生动手能力和基础设备及测量工具的日常操作，为后续实验课程奠定实验基础。

（二）断裂力学/疲劳（专业型）性能实验模块

断裂力学/疲劳性能实验包括两个实验，分别为：金属材料断裂韧度KIC实验和疲劳实验，共涵盖8个小实验项目，本模块实验项目均为近3年新增补的实验。本模块实验需要学生通过运用力学性能专业知识和测试技术等综合知识来完成的，完成难度较高，从之前的金属材料断裂韧性KIC实验的教学效果来看，学有余力的学生对这一部分的实验兴趣非常好，完成度也能够保证。进一步建设疲劳试验，开展高、低周疲劳试验，测定应变疲劳曲线及S-N曲线，可培养材料学科优秀学生对相关知识的综合应用能力。

（三）蠕变/持久（拓展验证型）性能实验模块

结合我校面向航空、航天等行业培养高素质人才的本科教育特色，开设金属高温蠕变/持久性能实验。该模块试验耗时长、实验成本高，一直制约着长时力学性能的实验教学展开。该模块实验是新增内容，计划利用虚拟仿真实验模式加现场设备验证演示两个步骤来进行，将金属蠕变中变形机制，包括位错滑移机制、晶体滑动机制和扩散机制进行虚拟仿真学习，实验室实地进行演示操作，对变形失效后的样品进行微观分析表征，引导学生对蠕变断裂机制中的沿晶断裂断口进行观测。增进学生对长时力学性能测试实验的认知。

（四）创新型力学性能（互动创新型）实验模块

课程中基于实验教学中心的自身实验设备条件，提出具有创新发散空间的互动创新型开放实验项目，学生可以针对开放实验项目，提出自己的设计想法，在网络和文献中找寻相关改进办法和设计方案，提交实验设计方案进行审核，审核通过的方法可以在课余时间来中心进行实验验证，甚至可能自行设计加工辅助工装及测试小设备，计划设置《盐雾实验对金属力学性能影响评价设计》《金属材料裂纹扩展速率捕捉方法创新设计》两个实验项目，均为新增实验项目。

四、课程建设经验总结

材料的力学性能本身是一门实践性非常强的理论课，而材料的力学性能实验的核心实验课建设正是迎合了这种实践技能培养的需求。而且在新课改的理念下，实行了“实验在前，讲课在后”的教学方法，因此，对实验课程提出了更为独立的授课要求。在建设核心实验课程的过程中，获得以下建设经验总结：

（一）引入虚拟仿真实验教学方式

自独立设课以来，创新采用了虚拟与现实结合的实验教学手段，增进了学生对实验原理的深刻认知。具体方法是建设了一套涵盖材料的力学性能实验的虚拟仿真实验平台，学生通过终端可第一视角操作，熟悉和了解整个实验的步骤和流程；并且每一个实验流程中都有相应的步骤介绍，而且学生的操作和平台可以实现互动，可以输入参数，如若选错对应的设备按键，实验将不会进入下一个环节。因此，通过这样的虚拟教学，让学生在进入实验室之前了解整个的实验过程。然后，再将学生带进实验室，亲手操作和接触实验仪器，对随机的实验样本进行自主测量和分析，然后将实验结果与参考结果进行对比验证。自2017年9月开始连续两年，虚拟仿真实验内容引入实验课堂以来累积使用虚拟课堂人数超过450人，大大缩短了学生学习掌握设备操作、熟悉实验流程的时间。留给学生亲手操作、实验过程中自我思考、创新的时间更多了，受到学生们很好的反响。

（二）转变为以学生为主体的实验教学方式

将传统集中演示型的实验教学方式模式转变为以学生为主体的实验教学方式。实验教师在传统实验课程准备的基础上，依据材料力学性能教学团队诸位老师的合作，归纳出每个实验项目的要点及创新点。让学生掌握知识要点，通过虚拟仿真学习进行预先的准备，然后在实验课堂中让学生分组进行独立演示，从实验理论、实验方法和设备操作等几个不同方面进行演示讲解，并回答其他同学和老师的问题。而实验教师在课前需要对计划独立演示的学生进行单独辅导，针对学生在演示讲解过程中的问题，及时作出指导、反馈与总结，并将归纳的问题在课堂中进行集中讲解。

（三）灵活设计实验教学课堂模式及考核模式

在条件成熟的课堂上成立演示小组。实验教师将实验讲义电子版下发给学生，学生可以通过实验课程安排提前进行演示准备。以授课小班小组为单位，每组由一位同学作为代表进行独立演示并讲解，每组15分钟，问答及教师讲评、归纳总结10-15分钟。演示小组获得对应的实践考核分数，该分数由基础值、其他小组综合评定分值、教师评定分值及回答问题分值组成；其他小组提问，也获得对应的分值。该部分分值均加入到期末20%的平时成绩中去。

（四）创新实验教学方法

首先鼓励学生预先自主学习，其次在实验课程的教学方案设计上，自主学习分为两个部分：课前和课后。课前，演示小组需要学习实验讲义内容，了解实验项目细节，可以解决大部分学生不预习的问题，通过准备资料、合作演讲、准备提问的问题等环节进一步加深对本实验项目的认知和理解。课后主动再学习，通过实验室的所见所闻完成课后习题作业、完成课堂遗留的未知知识点，实现理论与实践的融会贯通。

（五）理论教学与实践教学互动反馈

长期以来，一直是理论教学引导着实践教学的开展，实践教学一直是理论课程的践行和执行的角色，而核心实验课程的建设争取改变这一现状，其中深层次实验内容的设置和创新题目的设置，拟在实践教学中获取相关理论创新，从而可以反馈理论教学，做到“以理论教学反哺实践教学、以实践教学反馈理论教学”，从而使理论教学和实践教学相互打通，两者的教学内容和教学方式得到进一步的提升。

五、课程建设总结与展望

材料的力学性能实验核心课程建设是高水平大学建设大背景下实验课程的建设探索，通过实验教学目标、实验教学内容、实验教学模式（包括实验教学方法与教学手段）等方面的改革建立全新的材料力学实验教学体系：

1.通过课程的深层建设，新创建特色实验项目，拓展课程学时，反映材料学科本科实践教学的学科特色，完成虚拟仿真实验教学体系与实践教学体系的结合，为培养高素质的材料学院本科毕业生提供有力支持。

2.核心实验课程的建设提高了材料学科本科生对于材料学科的深入理解和应用认知，促进实践教学和理论教学的深层融合，实现课程的实用性，激发和调动学生的积极性和主动性，让学生们学到今后工作或科研中的重要本领。

3.调整后的教学模式符合了我校高水平大学建设中对实验教学整体目标和要求，更具有创新性，对于其他专业实验或者核心实验课程的教学改革能起到一个好的借鉴作用。

参考文献：

[1]李华冠,张保森,巴志新,等.材料力学性能测试与大学生实验技能培养[J].中国冶金教育,2017(05):60-62+65.

[2]白允强,王章忠,周衡志.应用型本科“材料力学性能”课程教学改革[J].中国冶金教育,2010(03):49-51.

[3]蔡路军,磨季云,韩芳.《材料力学》教学中对学生创新能力培养的探讨[J].新课程研究(中旬刊),2012(02):81-82+90.

[4]王淑花,李学伟,徐家文,等.《材料力学性能》课程教学内容及教学方法改革研究[J].黑龙江教育(理论与实践),2014(5):74-75.

[5]刘雯雯,杜云海,王志,等.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(06):332-333+337.

[6]蔡传国.本科力学实验中的创新思维培养方法探索[J].力学与实践,2013,35(06):95-96+69.

李江,王泓,张程煜,王永欣.材料的力学性能核心实验课程建设与实践教学探索[J].高教学刊,2020(19):115-117+121.

基金:2019年“中央高校建设世界一流大学(学科)和特色发展引导专项资金”项目“子项目:实验核心课程建设——材料学院”(编号:19GH0101305).

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期刊名称：固体力学学报

期刊人气：1897

期刊详情

主管单位：中国科学技术协会

主办单位：中国力学学会

出版地方：湖北

专业分类：科学

国际刊号： 0254-7805

国内刊号：42-1250/O3

邮发代号：38-44

创刊时间：1975年

发行周期：双月刊

期刊开本：16开

见刊时间：一年半以上

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