工程力学创新实验教学探究

Байду номын сангаас
(a) 晶粒滑移起裂
（b）45方向上的滑移痕迹
图 3 镁铝合金拉伸原位观察的表面变形图
3 对现有力学教学的改进探究
注重理论教学与实验内容的融通，优化安排实验进度，工程力学是一门专业基础课程， 也是一门通识课程。因此，关键能用简单实用的实验说明力学模型与原理，并与其他课程的 有机联系，充分体现一个“通”字； 注重探究，深化内涵：实验是最容易发现新的科学问题的手段，与工程实际问题的结合 探索科学问题的寻找、技术制约等与学生开展讨论； 注重研究，提升教学质量：通过实验探究科学问题，并结合工程中的问题，逐渐将学 生引入实验研究方法的层次，从完成实验教学的过程中体会问题研究的步骤等； 注重总结，体现创新：克服千篇一律的实验报告形式，开放性的让学生与小论文形式对 实验中的问题进行归纳总结，阅读相关文献论证其实验的重要性、创新性等价值。
工程力学创新实验教学探究 1)
王习术
*
*,2)
，吴新如
*
(清华大学航天航空学院，北京，100084)
摘要： 作者们近 5 年基于对工程力学实验教学的理解和体会， 对如何激发学生自主动手， 主观能动地寻找、 分析力学实验中出现的科学问题提出了新的教学方式和教学理念。课程教学中引入了近期材料力学性能研 究成果，以一堂典型的材料力学性能参数实验为例，开展师生互动，启发学生在实验过程中“听其声，观 其形”地寻找科学问题并让学生们从陌生领域的一些关键内容寻找答案，激励他们的创造欲望，鼓励他们 撰写“小论文” 。 关键词：材料; 工程力学; 实验研究; 教学讨论; 案例分析
4 结束语
通过一堂看似简单的实验课教学， 引入丰富的科研内容并与学生互动， 以及要求提交研 究小论文的方式， 使学生领会到一个重要的实验教学理念： 大学实验课程不是单纯获取实验 数据，而是从实验（包括设计实验）过程中发现新问题，自发地寻找解释这些问题的答案， 形成一种“滚动” 学习方式，养成一种细致、 踏实的科学研究素养。学生的积极性被调动后， 对实验教学执行中的老师也提出了更高的要求，克服实验教学中一味“扶持”的教学或只是 教授实验操作方法而不进行分析与讨论的实验教学观念， 教师需要不断学习， 还有进行相关 的一些研究，达到教学相长。因此，如果有一支既能从事科学研究，又能将所研究的成果引 入到教学中、以学生受益终身为本的教师队伍，提高大学生综合创新能力的目标。
2 一堂典型实验课程的教学启示
铸铁 力（ N ） 铝或铜 高分子塑料 位 图 1 常见的电子万能试验机加载平台 移 图 2 典型材料的室温应力应变曲线示意图 图 1 所示是集计算机控制、加载平台等多项功能为一体、低成本的力学实验设备，可实 现工程力学一般性实验（拉、压、弯、扭）和一些综合性实验。通过操作这些大型设备，对 学生的心理训练是理论教学无法给予的[5-8]。 “材料静态单向拉伸破坏实验” 的时间安排为 3 学时。 小组间的实验内容尽可能不重复， 分别以低碳钢、铸铁、铝合金或铜、高分子材料为对象，这些材料的拉伸曲线如图 2 所示。 在开始讨论前，大多数学生不知道如何利用所学知识及联系自己在生活中所接触的实际问 题， 讨论中通过启发式的提问， 让学生自述实验中所发现的问题并结合工程实际进行解释与 说明。经过 5 年多的实践表明，这种学生自己操作与讨论结合的教学方式，能很好地调动学 生的求知欲望，大家都愿在课后带着问题投入大量时间阅读相关文献，撰写“小论文” 。例 如，根据这些曲线特点分别介绍材料的强度指标、韧性指标的定义与确定方法，同时，以对 照曲线变化中可能导致的试样表面出现相应的宏观现象向微观结构演化与宏微观关系为题， 组织学生进行讨论并给出相关参考答案； 向学生提出多种研究小题目以及介绍这些研究的可 能手段与方法。 低碳钢
引 言
教育研究是以教学改革为载体而进行的。古人云： “意在笔先者胜，意在笔后者败。 ”积 极探究教学改革是各高校力推的一项教育工作。 工程力学创新实验教学是一门与材料力学和 工程力学理论教学相辅相成的培养大学生动手能力的课程。 其自身特点明确， 教学目的清晰。 多数高校尤其一些研究型大学， 在实施这门实验课程教学中还存在教师如何引导学生进行创 新性思维的启发，学生还缺乏对实验过程中如何寻找科学问题。因此，教与学出现仅是到实 验室取得每个实验的实验数据且毫无变化的一门简单的验证性的过程。 这样的实验教学过程 与投入的人力、财力及教学时间极其不相一致。长期以往，学生们的积极性、主动参与性受 到极大的损害。 那么如何在现有的工程力学实验教学过程中引入创新思维和探究科学问题的 教学思想？将具有提高实验教师教学水平和提供丰富多彩的工程力学实验教学内容， 吸引大 学生参与学习的积极性。 本文拟对下面四个问题与同仁一起理解和把握， 在教学实践中更好 地实现共同的追求。
AN EXPERIMENTAL RESEARCH ON THE ENGINEERING MECHINCS INNOVATION COURSE1
Xi-Shu Wang*,2)，Xin-Ru Wu*
*
）
(Department of Engineering Mechanics, School of Aerospace, Tsinghua University, Beijing, 100084)
图 3 所示介绍了镁铝合金试样表面的微观滑移线以及裂纹盟生的机理图像。 它表明材料 试样在拉伸断裂过程中试样表面出现滑移、起裂、裂纹扩展直至断裂几个阶段。同时反映了 当滑移线延伸到晶界界面时， 很少有直接穿过界面进入下一个晶粒内的情况， 这表明晶界界 面阻碍了滑移扩展， 当上下晶粒都出现滑移后， 他们的界面就可能出现晶界滑动而导致裂纹 的萌生与扩展直至断裂，如图 3 (a)所示。同时，这些滑移线大都与外加载荷呈一定角度， 图 3 (b)中所示的一些“波纹”就是滑移的宏观特征，他们（金属材料）的尺度范围在微米 量级， 一般肉眼很难分辨， 只有在试样表面加工为镜面粗糙度的情况下有可能看到这些痕迹 [9, 10]。启发同学在实验中注意思考：①滑移线出现的先决条件是什么？②如何解释低碳钢 的屈服段有波动等等。由于这里面涉及微细观力学和材料变形机理（如位错变形机理、边界 滑移变形机理，晶粒转动变形机理、铝合金的螺旋变形机理等） ，一般学生对此都很陌生， 需要教师合理地解释并给出一些关键词， 因势利导启发学生注意低碳钢试样表面的急剧变形 部位和其他试样断裂时的破断声的差异，试样断裂后断口上呈现不同的特征等。例如： （a） 低碳钢中间部位为平整断口与铸铁的断口相似，是否认为二者都发生了脆性断裂？（b）如 果是，那么为什么韧性材料会最后发生脆性断裂？（c）低碳钢的“杯状”边缘呈 45与铝 合金的断裂面斜度基本一样， 为什么铝合金与低碳钢的断口相差很大， 是什么原因导致铝合 金的 45斜面断裂？一般情况下，他们仍然不能回答这些问题，因为，他们还不会将低碳钢 的颈缩与颈缩部位受力状态联系起来。 虽然他们已经从工程力学中学到了一点应力状态理论 分析，但绝大多数学生还不会应用。作为教师还要引导学生分析，材料颈缩是由于急速的塑 性变形， 颈缩部位已经由一点的单向拉伸应力状态转变为三向拉伸应力状态。 让学生认知应 力状态的改变会使材料发生韧－脆性的转变这一基本事实。 为了能让学生接受这一事实， 引 导学生思考水坝用混凝土的使用环境，懂得脆性材料在三向压缩时将可能发生韧脆断裂转 化， 思考为什么工程中不希望材料或结构发生脆性断裂。 同学们通过铸铁的拉伸破坏已经有 了感性认识， 从而引伸出工程中结构件虽然外加载荷是单向， 但由于结构约束或变形可能会 使某一点的受力状态变得复杂。 试验中的讨论对理解上述问题十分重要， 通过合理地利用课 堂中遇到的感性问题， 即时向学生介绍相关的材料科学知识及力学知识， 并留有探索问题的 余地，对余下的问题，通过查阅资料或者书籍如《材料力学性能》 、 《材料力学行为试验与分 析》等解释所发现的现象。因此，这样的一堂课教学，许多学生会感到实验操作虽然简单但 实验中包含的研究内容却非常丰富。
参考文献
1 卢达溶主编 实验室科研探究[M]. 北京: 清华大学出版社, 2009 2 陈定圻，朱为玄 培养学生创造能力与创新精神的实践[J].力学与实践 2004; 26(5): 74-75. 3 李颖，冯立富，郭书祥 材料力学教学中的一些生活和工程实例[J].力学与实践 2005; 27(2): 79. 5 吴新如，王习术 激发大学生材料力学实验动手与分析的能动性[J]. 力学与实践 2006; 28(6):81-83 6 王习术，吴新如，蒋小林 培养学生力学实验动手与思考能力方法的探索[M].《清华大学科研成果转化为教学资源典型案例汇 编》清华大学高等教育学会编, 清华大学出版社出版 2007; 220-223 7 王习术著 材料力学行为试验与分析[M].北京：清华大学出版社，2007(2010). 8 王习术编著 先进材料力学行为实验指南[M]. 北京：清华大学，2010. 9 Wang XS, Lu X, Wang HD. Investigation of surface fatigue microcrack growth behavior of cast Mg-Al alloy [J]. Materials Science and Engineering A 2004; 364: 11-16. 10 Wang XS, Jin L, Li Y, et al. Effect of equal channel angular extrusion process on deformation behaviors of Mg-3Al-Zn alloy [J] Materials Letters 2008; 62: 1856-1858.
1) 2)
国家自然基金(11072124)和新金属材料国家重点实验室开放基金（2010ZD-04）资助项目 E-mail： xshwang@tsinghua.edu.cn
梁弯曲时的应变检测和虎克定律获得相应的应变规律； 另一方面， 这期间学生已由完全的基 础课程学习转向专业基础课程的学习阶段； 多数同学已经或部分适应了由被动学习向主动或 研究性学习方式的转变；但多数学生没有阅读研究论文的经历。即使如此，这并不影响他们 中的一些学生显露出工科学生特有的向往设计或科学研究的“原始冲动”与“研究欲望” ， 甚至有了一些“new ideas” 。此外，教学层面多数高校的实验教学计划还是数年不变的标准 化的教学内容， 对教学实验软环境的重视程度各高校也参差不齐， 因而不可避免地存在一些 教与学的矛盾[1-4]。
1 大学生学习工程力学实验现状
工程力学实验教学多数高校均安排在大二或大三学期进行， 因此， 对于这个阶段的学生 特点体现出以下特点:刚刚从普通物理或化学课程中熟悉高校的实验教学体系，有了与高中 阶段一些实验教学相同和不同的体会。 通过工程力学或材料力学的基础理论学习， 知道需要 在一定条件下可以用实验手段验证理论对错的一种直接方法如弯曲应力分布可以通过简支
Abstract: In this work, how to arouse an enthusiasm of investigational and analytical issues were introduced based upon a typical experimental course of engineering mechanics as an example in order to improve the teaching methods. How to assist students to searching scientific issues and how to do something by themselves to obtain engineering stress-strain curves of different materials through observation the surface change of samples and distinguishing from the different fracture characterizations of samples were introduced. At the same time, the research paper forms in this course were proposed finally based on students’ understanding for materials science, engineering problems, mechanics theory etc. Key words: materials science; engineering mechanics; experimental study; discussion of teaching, analysis of cases