吴蒙蒙 杨少红 吴菁
摘 要：实验教学是工程力学课程的重要组成部分，提高实验教学质量一直是实验教学改革的焦点，分析现有实验教学方法的不足，将问题式教学法引入工程力学实验教学过程中，通过提问的方式达到预习回顾及复习的目的。问题式教学法是一种对逻辑要求较高的教学法，能充分发挥学生的主体作用，引导学生准确高效地完成实验操作，学生对其认可度很高。以金属材料拉伸实验为例，详细叙述了问题式教学法在实验教学中的实施过程。问题式教学法在实验教学中的应用显著提高了实验教学效果和学生学习的主动性。
关键字：工程力学 实验教学 教学改革 问题式教学法
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）01（a）-0000-04
Abstract：
Experimental teaching is an important part of the course of engineering mechanics. Improve the quality of experimental teaching has always been the focus of experimental teaching reform. For the deficiencies of the existing experimental teaching methods， the problem-based teaching method will be introduced into the engineering mechanics experiment teaching process. Problem-based teaching method requires higher logical thinking， which can promote the initiative of the students. It is recognized by students highly. Taking metal tensile test as an example， the implementation process of problem-based teaching method in experimental teaching is described in detail. The application of problem-based teaching method in experimental teaching has significantly improved the effect of experimental teaching and the initiative of students.
Key Words：
Engineering mechanics; Experiment teaching; Teaching reform; Problem-based teaching method
實验教学是培养大学生工程技术能力和实践动手能力的重要途径，实验教学过程更加重视对学生自主学习能力和创新能力的培养，是工程力学教学过程中的重要环节，其中实验教学内容、教学方法、教学手段和教学实施过程，对实验教学的效果都将产生重要影响。工程力学作为理工类专业的一门重要基础课程，是学生今后学习专业知识的必备基石，且课程具有较强的工程应用性，是解决工程实际问题的重要基础[1]。工程力学是以工程实践为主的学科，工程力学实验课程的学习与实践对培养学生的动手能力、创新精神及探索欲望有很好的促进作用，使学生初步掌握科学的研究方法及科研思维能力。拥有良好的实验技能对学生未来的工作学习起着很好的铺垫作用，因实验教学更贴近实际工程，问题也最直接，因此有着比理论教学更好的人才培养效果[2-4]。因此，如何进一步改进工程力学实验教学质量，不断提升人才培养素质，一直是工程力学实验教学与改革的焦点问题。
1 工程力学实验教学改革的背景
实验教学的作用主要是验证理论知识，培养学生的探究、思索及动手能力，要求学生在掌握相应理论知识的同时，还需具有与本专业相关的工程实践操作能力[1]。而军校实验教学是在军队院校这个特殊的环境下进行的实践性教学环节，目的是提高军校学员的综合素质[5]。目前各专业实验课程较普遍应用的教学方式为“教师讲授+演示+学生实验”的模式，整个实验教学过程中都是老师主导学生进行实验，忽略学生的主观能动性，学生只能在老师的组织指导下，小组合作，按照实验指导书的操作步骤按图索骥地进行操作，进而验证相应的理论知识，填写实验数据整个实验操纵下来，对实验的基本原理及设计思路缺乏认识，导致学生做实验只为了完成实验教学任务，拿到相应的实验成绩，至于实验目的、实验原理学生一概不知也不关心，只记得试样在受力过程中被拉伸至断裂这一现象，而对实验整个过程的注意事项视而不见，比如实验对试样、温度、应变速率的要求，各种实验条件选择不当对实验结果的影响等，同时，实验报告抄袭现象严重，这也导致学生的动手能力、应用所学知识的能力严重不足[6]。这样的教学方式直接导致学生上完实验课后，仅能够在基础知识和试验基本操作方面有所了解，难以在能力培养和分析创造能力上有所进步。这样的实验教学模式极大地抹杀了学生学习过程中的创新性和批判性思维，打击了学生对实验课程的学习兴趣。而且目前开设的工程力学实验项目仍然是集中于对常规材料力学特性的研究和验证，没有结合各专业特点有针对性地进行实验设计，实验缺少探究性与应用性，致使学生普遍对实验课的重视程度不足，没有充分发挥实验课程开设的教学与实践意义[7-8]。针对上述问题，本文以我校工程力学实验课程为例，将问题式教学法引入实验教学过程，从而达到提高实验教学质量的目的。
2 问题式教学法
问题式教学中问题的提出可以用“3W1H”缩写来描述，3W1H问题式教学法是北大青鸟集团软件培训团队在多年教学实践中总结出来的一个非常有效且实用的教学方法[9-12]。在实验教学中，第一个“W”指What，即学生要清楚要做什么实验，实验内容是什么，实验原理是什么，实验目的是什么，这样才能在操作实验过程中有的放矢。第二个“W”指Why，即学生要清楚为什么做这个实验，为什么这样做，由此培养学生的辩证思维，从而培养学生举一反三的能力。第三个“W”指Where，即学生要清楚这个实验在什么样的设备上进行，实验的结果将会应用在什么地方，达到知其然并知其所以然的目的。最后一个“H”指How，即学生要清楚如何做这个实验，遇到问题如何解决以及实验过程中有哪些注意事项，充分发挥学生的主观能动性，进而培养学生独立解决问题的能力。3W1H教学法清晰地将实验过程进行模块划分，学生通过提前预习实验指导书，并在实验前通过回答上述“3W1H”的问题，达到对整个实验的逻辑结构有个明确的认识，实际做起实验也就更加得心應手，对实验过程出现的现象及实验结果能够进行合理解释。因此，相比较传统的“讲+演+做”教学模式，3W1H教学法更能充分发挥学生的主体作用，使学生对实验思路更加清晰，做实验过程更加自信从容，更能加深学生对工程力学理论知识的认识，在教学上达到理论指导实践，实践加深理论认识的目的。
3 3W1H问题式教学法在实验教学中的应用
实验过程是一种特殊的区别于理论课程的教学实践环节，它对学生的动手能力要求比较高，整个实验过程希望学生能够独立完成，因此更加有助于培养学生的主观能动性。本文以工程力学中经典实验“金属材料拉伸实验”为例，详细地阐述3W1H问题式教学法在实验教学中的应用过程。
3.1 “What”阶段的实施
这是发现问题阶段。实验开始前，学生通过提前预习实验指导书，了解金属材料拉伸实验所用的材料是什么，试样的标准是什么、实验的内容是什么，实验的原理是什么，实验目的是什么等，进而对整个拉伸实验有个初步了解。拉伸实验是材料力学性能测试实验中最基本、最易操作的实验，通过拉伸实验可以得到材料的屈服极限和强度极限，进而得到材料的许用极限，建立材料的强度条件，解决材料强度问题。实验对典型塑性材料低碳钢和典型的脆性材料铸铁的标准试样在常温、缓慢加载的情况通过电子万能试验机进行拉伸实验，试样在拉力的作用下会发生变形，每一个力都对应一个变形值，这些数值通过电子万能试验机的力传感器和位移传感器，再经由放大装置，从而绘制出试样在拉伸过程中的力-变形曲线（或应变曲线）。不同的材料在拉伸时展现出的力学性能不同，通过分析材料拉伸时的曲线，得到材料的弹性模量E、屈服极限、强度极限等材料力学性能参数，并观察塑性材料和脆性材料拉伸时不同的实验现象，了解材料不同的破坏机理。同时老师对学生进行实验讲述时，也要对实验内容进行有延展性的拓展，例如这个实验的起源是什么，物理意义是什么，这个实验的结果会应用在什么问题中，解决什么问题等等，从而增加了实验的科学性和趣味性，使学生对实验产生敬畏之心，从而更加重视整个实验过程。
3.2 “Why”阶段的实施
学生回答完“What”后，已经对实验过程了然于心，但在进行实验时，希望学生能够全方位多角度地了解实验，从而学生也将对实验过程提出一些疑问，因此接下来就要进入“Why”阶段了，即提出问题阶段。不同的材料力学性能一般不同，我们为什么只选用两种金属材料，实验过程为什么要缓慢加载，为什么试样在拉伸过程中低碳钢会出现滑移线而铸铁不会出现，为什么低碳钢拉伸时的曲线在颈缩阶段会出现下降，能否直接通过直接得到材料断裂时的延伸率等。这些问题是学生从了解实验到掌握实验的重要过渡，此时老师应该循序渐进地引导学生自己去找到答案。即虽然金属材料的种类不胜枚举，但是总可以将其归为塑性材料或脆性材料，每一类材料在拉伸过程中所展现的力学性能相似，因此只需要取其中典型的材料来类比得到其他材料的力学性能，而低碳钢和铸铁分别作为作为典型的塑性材料和脆性材料，不仅因其力学现象直观，而且材料便宜易得，因此被广泛应用。而缓慢加载目的是要保证实验是在静载荷作用下进行的。拉伸时曲线中对应的应力是指的名义应力，即通过试样实际受力除以试样的原始面积得到的应力，因为颈缩阶段试样实际面积减小，所以拉断试样所需的力就减小，所以名义应力减小，但是试样在颈缩阶段的实际应力是不断增加的，这些都是老师要向学生讲明白的。
3.3 “Where”阶段的实施
回答完“What”和“Why” 问题以后，学生对金属材料拉伸实验的理论知识已经掌握，接下来就要开始动手实验了，此时学生首先要指导本次实验在什么设备上进行，即在哪里进行实验。实验所用试样是按照国家统一标准制定的标准圆试样，实验所用的设备是新三思电子万能试验机，如图1所示，该试验机由上下两部分组成，上半部分为进行拉伸实验部分，下半部分为压缩试验部分，学生一定要清楚。将试样按照实验步骤夹持在试验机的拉伸部分的上下夹头处开始实验，此时学生不需要做任何操作，只需观察整个拉伸过程中试样的变化现象，电子万能试验机通过自身力传感器和位移传感器自动记录材料在拉伸过程中的力和位移的数值，并绘制出相应的曲线，简单易操作[13-14]。
3.4 “How”阶段的实施
“3W”阶段实施完成后，下面就要进入具体实验操作阶段，即“How”阶段：如何正确进行金属材料拉伸实验，最终完成实验目的。
首先，测量试样数据
分上、中、下三处测量低碳钢和铸铁试样的原始直径d0;测量试件中间均匀部分的标距长度L0。
再次，安装试件
先装上夹头，再装下夹头。
然后，点击运行按钮，开始实验
观察实验过程中试样的变化及拉伸过程中的曲线的变化。
最后，实验结束，记录实验数据，绘制曲线，计算材料的屈服极限、强度极限、弹性模量E、延伸率δ、断面收缩率Ψ等力学参数，并解释实验现象，关闭实验机。
为了保证实验数据的准确有效，实验操作过程一定要按照上述顺序进行。
4 3W1H问题式教学法的应用体会
应用3W1H问题式教学法进行工程力学实验教学时，教师要引导学生发现问题（What）、提出问题（Why）和解决问题（How），适当延伸实验教学内容，将实验目的与工程实际相结合，从而激发学生主动学习的欲望，培养学生进行独立完成实验的信心，并鼓励学生大胆解释实验现象，这是学生获得成就感的绝佳机会。实验教学的目的就是提高学生动手实践能力，3W1H教学法解决了传统教学法的“重理论、轻技能”问题，激发学生去主动思考与实践，增强了实验教学的实用性。
5 结语
3W1H问题式教学法为学生提供了实验操作过程中一套严谨的思维逻辑，学生沿着3W1H步骤进行实验准备和操作，不仅能更准确高效地完成实验，更能加深对理论知识的理解，达到事半功倍的目的，3W1H问题式教学法在实验教学过程中是一种有效的教学方法。
为了进一步提高工程力学实验教学对人才培养的作用，未来的实验教学改革还可以从以下两个方面进行。
（1） 加实验项目的广度，将实验内容与实际工程问题联系起来，进而充分调动学生学习该课程的兴趣。
（2） 增加实验项目的深度，培养学生分析问题解决问题的能力和创新能力。
参考文献
[1] 段诗雨.工程力学实验教学现状及对策[J].高等教育， 2020（8）：167-168.
[2] 王书法.实验对大学生学习土力学课程的作用及实现的教学方法研究[J].教育教学论坛，2019（49）：
265-266.
[3] 石培蕾，朱坚民.工程力学实验教学改革初探[J].实验室科学，2015，4（18）：92-95.
[4] 应用型人才培养模式下工程力学实验教学改革研究[J].中国现代教育装备，2018，8（295）：88-89.
[5] 陈明霜.军校本科实验教学质量管理研究[D].国防科学技术大学，2014.
[6] 彭红兵.应用型人才培养下《材料力学性能》课程教改实践[J].科技创新导报， 2017（32）：
222-224.
[7] 王海涛.材料力学实验教学实践与探索[J].教育教学论坛，2020（12）：271-273.
[8] 马丹萍.土力学实验教学改革视域下的实验室建设[J].科技创新导报，2017（36）：222-223.
[9] 黎海燕.浅谈计算机程序设计语言课程中的3W1H教法的应用[J].电脑知识与技术，2011，32（7）：8083-8085.
[10] 叶红玲，刘赵淼，李晓阳. 理论力学课程中3W1H教学法的应用[J].力学与实践， 2014，1（36）：98-100.
[11] 姚博，張娟娟.基于“3W1H”教学模式的机械制图课程教学改革探析[J].教育现代化，2016，7（18）：44-45
[12] 姜俊红，余长洪，黄金林，等.基于“3W1H”导学法在土力学教学中的应用[J].职业教育，2016， 12（552）：210-211.
[13] 杨少红，刘燕主编.工程力学实验教程[M].北京：科学出版社，2016.
[14] 章向明，刘燕，冯贵层主编.工程力学教程[M].北京：科学出版社，2016.
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