PBL教学法在材料力学实验教学中的应用

摘 要：材料力学实验是高等学校工科学生必修的专业基础课程,是提高工科学生综合素质的重要环节.针对目前材料力学实验教学中存在的问题,结合国际上流行的PBL教学法的特点,采用教师提出问题—学生分析解决问题—教师点评总结的教学思路,提高工科学生运用知识、自主学习和独立研究的能力.

关 键 词：PBL教学法；材料力学实验；教学模式

作者简介：郑艳（1973-）,女,山东临沂人,桂林理工大学土木与建筑工程学院,副教授；莫时旭（1964-）,男,广西桂林人,桂林理工大学土木与建筑工程学院,教授.（广西桂林541004）

基金项目：本文系广西高校青年教师教学业务能力提升计划资助项目的研究成果.

中图分类号：G642.423文献标识码：A文章编号：1007-0079（2013）31-0139-02

材料力学实验是高等学校工科学生必修的专业基础课程,桂林理工大学土木工程、机械工程等14个本科专业都设置了材料力学实验课程.材料力学实验是巩固材料力学基本概念、树立严谨科学态度、培养学生创新精神、增强工程实践能力、提高学生综合素质的重要环节.[1]随着学生数量增多、实验课时减少、实验设备缺乏和人员编制不足等问题的出现,高校实验教学往往疲于应付,很难达到优质高效的实验教学效果,更谈不上对学生综合能力的培养.目前在材料力学实验教学中存在一些问题,主要表现在：轻实验重理论,实验教学基本是由教师讲解实验内容、演示实验过程,学生按步骤完成实验、记录数据,最后提交实验报告.学生在整个实验教学中只是按照教师或教材的指导机械地操作仪器,缺乏深入的思考过程,甚至有些实验项目因为设备台套数太少而只能走马观花,学生收获甚少,对相应的理论知识也只是一知半解,实验课无法提高和加深学生对理论知识的掌握与运用.

教育部在2007年下达了实施“国家大学生创新性实验计划”的通知,要求探索并建立以问题和课题为核心的教学模式,倡导创新性实验改革,带动广大学生在本科阶段得到科学研究与发明创造的训练,改变目前高等教育培养过程中时间教学环节薄弱、动手能力不强的现状,改变灌输式的教学方法,形成创新教育的氛围,建设创新文化,进一步推动高等教育教学改革,提高教学质量.[2]很显然,目前材料力学实验教学的现状无法满足学生创新实践能力的培养.

一、PBL教学法的提出

PBL（problem-basedlearning）是以问题为导向的教学方法.1969年由美国的Barrows教授提出,目前已发展成为国际上非常流行的一种教学方法.

在教学过程中,PBL教学法以培养学生的能力为目标,是以学生为主体,以问题为基础,以教师为导向的启发性教育.与传统的教学法不同,PBL将问题与学习挂钩,让学生投入到问题的思考中；不是以教师讲授为主,而让学生主动学习；它设计具体的教学任务,把学习过程设置到有意义的、复杂的问题情景中去,通过学习者的自主探索和相互合作来分析、解决问题.PBL教学法充分发挥了在学习过程中问题的指导作用,让学生学习了隐含在问题背后的专业知识,从而调动了学生的积极性和主动性,培养了他们自主学习的能力和解决问题的技能.

目前在许多国家PBL教学法得到了广泛应用,最初应用在医学领域,后来被逐渐推广到管理学和工学等专业领域中.1993年斯坦福大学成立了PBL实验室,旨在促进本科生、研究生能够参与到跨学科、跨地域的合作中来.蒙特瑞伊技术研究学院针对工科教学中存在的问题,试图通过使用PBL教学法来解决.奥尔堡大学在土木工程专业科学硕士教学体系中也采用了PBL教学法.[3]

本文把PBL的教学理念引入到材料力学实验教学中,研究和实践PBL教学模式在该课程中的应用,提高了桂林理工大学工科大学生运用知识的能力、自主学习的能力和独立研究的能力.

二、PBL教学法在材料力学实验中的实施

为了提高学生分析问题和解决问题的能力,促进学生对材料力学理论课程的理解,更好地调动学生的主观能动性,笔者把PBL教学法应用到材料力学实验教学中,采用了教师提出问题—学生分析解决问题—教师总结点评的教学思路,充分发挥了实验教学在工科学生学习过程中的作用.

1.教师提问问题——设计实验命题

材料力学实验教学的时间一般安排在相应的理论内容讲授的2周后.因此,在任课教师讲授理论课的同时,就把相应的实验命题下达给学生.任课教师设计实验命题时,改变了原来仅仅是验证材料的基本力学性能或验证构件应力分布规律的目的,注重与工程实际问题相结合,增大基础力学基本实验的信息量和新颖性；加强对学生进行现代力学测试方法和实验技能的训练；增强了实验的思考性和启发性,培养学生通过实验发现问题、研究问题的能力.[4]例如：在设计金属材料拉伸实验时,学生首先要对实验进行设计,查阅相关文献资料,通过阅读金属材料拉伸实验的国家规范文件,学生可以了解实验对试件形状尺寸的要求,以及为什么实验过程中要采用标准比例的试件,掌握对实验测试条件的具体规定；根据不同金属材料的强度,设想出拉伸实验对相应设备的技术性能要求,包括对载荷及位移传感器的量程和精度要求,对万能试验机的加载能力的要求以及加载速度的设定等.准备工作就绪后,学生就可到实验室熟悉万能试验机、载荷和位移传感器等设施,了解该实验设备的适用范围,掌握参数的设置方法,为下一步实验做准备.基于上述信息,学生可以拟定出金属材料拉伸实验的程序步骤,并拟定出数据处理方法.把文献所得和实验设备的调研内容写成实验预习报告,并交任课教师评阅,任课教师认为合格后学生就可进入实验室完成拉伸实验.在用电测法测量构件的应力、应变的同时,由任课教师首先讲解应变片的工作原理、电桥原理和电阻应变仪的使用方法、注意事项,然后准备多种试件（不同材料和构件）让学生自行分析按何种方向贴应变片、如何贴,让每一位学生都参能与到小组讨论中,然后以每个小组的讨论结果定出自己小组的具体实验方案.2.学生分析解决问题——动手做实验

学生查阅实验规范并掌握设备的性能,对实验有一个明确的思路,从而可以确定实验方案,各实验小组可与实验教师联系,确定实验时间并按要求完成相关实验操作、数据收集整理.在实验过程中,继续启发学生思考一些问题,如在金属材料拉伸实验过程中,让学生思考低碳钢什么时候产生屈服、什么时候强化?铸铁、铝合金材料的拉伸过程应该是什么样子?不同材料的强度极限σb、屈服极限σs、面积收缩率ψ和延伸率δ会有什么不同?并让学生自己选择不同的材料进行拉伸实验,通过实验进行对比得出结论,思考在实际工程中如何去选材,从而明白选材的重要性.[5]实验过程中比较不同材料的应力—应变曲线的不同,思考为什么工程结构中要保证破坏形式是塑性破坏,而尽量避免脆性破坏?为什么工程中钢材的设计强度值要选用屈服强度?通过一系列的提问增加学生通过实验发现问题、思考问题、研究问题、从而掌握、获取并运用知识的能力.

3.教师总结点评——师生互动总结实验

实验完成后,学生分别撰写实验报告,除了完成相关的实验过程和实验数据的整理分析、图表绘制外,还需对实验过程中遇到的问题进行思考总结,如有时拉伸曲线不太理想是什么原因?完成实验后,学生要在规定的时间内上交实验报告给任课教师评阅,必要时任课教师要进行统一评析,引发学生积极探讨,加深对理论知识的掌握和理解.

三、结论

实验教学是工科大学生人才培养中极其重要的一个环节,经过3年的实践,把PBL教学法应用在材料力学实验教学中,笔者发现除了能较好地完成材料力学实验教学任务外,还提高了学生的一些能力.

1.增强了理论联系实际的能力

对于工科大学生来说,理论教学和实验教学是相辅相成的.[4]PBL教学法应用到实验课教学中可以为我们提供较好的情景教学平台,通过实验教学环节,学生可以将所学的知识和实践联系起来,从而增强学生对所学专业知识的理解和运用,提高他们分析问题和解决问题的能力.如在金属材料的拉伸实验中,在确定材料的塑性性能时,需要确定试件拉伸前的截面面积,按规定采用三点法（标距线内两端及中部）十字交叉测量取平均值作为每个断面的直径,取三个直径的最小值为原始截面直径,从而换算出截面面积.在确定直径环节,启发学生思考取最小直径作为原始截面直径的原因并让他们相互讨论,经过探讨使学生们了解在拉伸过程中截面最小的地方发生破坏,让他们在体会活学活用的乐趣的同时,增强其理论联系实际的能力.

2.培养了自主学习的能力

在应用PBL教学法进行材料力学实验课教学的过程中,学生要独立完成实验,仅靠书本知识远远不够,还必须去查阅相关文献资料,如金属材料拉伸的国家标准实验方法、材料性能规范手册、材料力学实验教材等.在文献检索过程中,学生需要开动脑筋自己寻找学习内容,这是一个自主学习的过程,学生在这种不断寻找、不断发现、不断思考、不断补充完善的完成任务的过程中得到了良好锻炼,培养了学生自主学习的能力,并在今后的工作中受益无穷.

3.提高了独立研究的能力

在材料力学实验教学中应用PBL教学法,不仅可以提升学生的基本专业技能,还可以使他们的思维方法得到科学训练,使学生掌握踏入社会进行专业研究所必需的基本实验技能和科学实验方法.如文献检索的能力、实验设备及相关工具的应用能力、实验数据处理及误差分析能力等.在PBL教学过程中,学生通过查找文献、分析与解决实验问题,培养和锻炼了学生独立思考的能力,为学生将来进行专业技术研究打下坚实基础.此外,在应用PBL教学法进行材料力学实验课教学的过程中,学生分小组进行实验,为了较好地完成实验任务,必须要求小组成员分工协作,需要他们相互讨论、补充、归纳,既要有分工,集众人智慧；又需要合作,集体完成实验.需要学生既要有独立思考能力,又要有团队合作意识,在这个过程中,他们的独立研究能力也能进一步得到锻炼和提高.