1、同濟大學精品實驗項目驗收報告項目名稱工程力學I試驗設計院（系）主管負責人韋林所在院（系）航空航天與力學學院填表日期2008-8-26實驗室與設備管理處2008年7月項目基本情況：項目名稱類型（演小型、驗證性；綜合性、設計性；探究性）項目負責人項目負責人所屬教研室（研究室），實驗室項目負責人職稱工程力學I試驗設計綜合性、設計性李堯臣基礎力學教學研究部教授院（系）主管負責人：韋林學院（系）項目建設總經費:一、實驗項目指導書（建議內容：實驗項目涉及的理論知識點；實驗設計思想、背景；實驗項目設置目的及能力培養目標；實驗儀器設備功能介紹、注意事項及可開發的其他功能；實驗過程設計，新思路的引導、啟發；實驗

2、總結，實驗現象、結果分析，探究性內容的引導和要求。）一、實驗設計思想和背景為加強素質教育，培養學生的實際動手能力和創新能力，要求學生在學習工程力學（I）課程后，自行設計和研制一個結構受力體系，并進行加載比賽，以提高學生學習的積極性，發揮學生的創造力和想象力，加深對工程力學基礎課程的理解，加強對動手能力的培養，以達到學以致用的目的。在整個課程的實施過程中，還要求同學們集思廣益，發揚集體智慧和團結協作的團隊精神。二、實驗項目涉及的理論知識點1 .靜力學：桁架部分；2 .材料力學：桿件軸向拉伸與壓縮，剪切與擠壓，壓桿穩定。三、實驗項目設置目的及能力培養目標1 .開發學生的創新能力和想象力。2 .促進

3、知識的活化，把課堂上學到的理論知識用于實踐中。3 .培養學生的動手能力。4 .培養學生的團隊精神，組織和協調的能力。能力培養的目標是：通過桁架制作活動，開發學生的創新能力和想象力，復習和鞏固已學的有關知識，把所學的知識用到實踐中；在模型制作和加載試驗過程中培養動手能力和試驗設備的操作能力；綜合素質有所提高。四、實驗儀器設備功能介紹、注意事項及可開發的其他功能設計和制作一個木桁架。為了保證加載比賽的公正性，規定長度為l=500mm（跨度為480mm）,高度h170mm,寬度b100mm。制作要求為：該結構所用的材料較少而受荷載較大，而且造型美觀。1 .材料與工具：8mnK8mm和6mnK6mm正

4、方形截面木條、木片、膠水、美工刀、砂紙。2 .天平：精度0.1g,用于稱重。3 .電子萬能試驗機和口形加載夾具：最大加載能力2T,用于桁架加載。注意事項：方案討論要充分，不要急于動手。先要在紙上按實際尺寸放樣。桁架制作時注意安全，小心劃破手。加載時遵守電子萬能試驗機操作規程，注意桁架破壞時的荷載讀數和破壞位置?？砷_發的其他功能：從桁架制作的思路出發，可以開發用鋁合金等其他材料制作的桁架試驗。用鋁合金制成單根桁架桿件，兩端設校，學生可以根據自己的興趣搭建不同形式的桁架，加載形式也可自行確定。測定桿件的應變，計算內力，并與理論計算結果比較。此項目已開發，作為創新實驗項目，放在開放實驗室中。五、實驗

5、過程設計，新思路的引導、啟發1 .實驗過程和內容：設計和制作一個木桁架。為了保證加載比賽的公正性，規定長度為l=500mm（跨度為480mm）,高度h170mm,寬度b100mm。制作要求為：該結構所用的材料較少而受荷載較大，而且造型美觀。桁架制作完成后，稱重，在電子萬能試驗機上加載于桁架下弦的跨中，直到結構破壞。記錄結構的重量和最大承載力。對桁架進行力學計算，求得桁架能承受的最大荷載，并與試驗結果比較。任務書中有計算所需的數據資料，“材料力學精品課程”網站上有三角形、梯形、拱形桁架的計算書可供參考。完成實驗報告。2 .組織形式：以小組為單位，34人為一組，自由結合，共同協作，完成任務。3 .

6、成績評定：分優，良，中，及格，不及格5級，評定依據如下：(1)結構的最大承載力與所耗材料重量之比(比強)，以大為佳。占50%。為避免結構形式的雷同，將結構分為三角形、梯形和拱形3類，它們的比強分別乘以系數1.0、1.05和1.1后再進行評定。(2)試驗結果與理論計算結果的接近程度，占10%。(3)造型美觀，占20%。(4)實驗報告完成情況，占20%。4 .實驗報告內容(1)設計構思與計算簡圖；(2)理論計算與結果。要求算出結構能承受的最大荷載，預測結構破壞的位置；(3)制作過程介紹；(4)實驗數據與理論計算結果的比較；(5)加載破壞現象分析；(6)心得體會。要求每組獨立完成報告一篇，用電子文檔

7、打印完成。5 .時間安排第1天：動員，分發材料與工具，參觀加載比賽用的設備；第24天：小組討論，構思，設計與計算；第58天：制作階段；第9天：加載比賽；第10天：完成并提交實驗報告。6 .新思路的引導、啟發最初我們的實驗只是制作桁架，然后放到試驗機上去壓一壓就了事，完全按照比強的大小排名、給分，學生收獲并不大。后來我們增加了計算方面的內容，進一步又測定了木桿的臨界荷載和力學性質，膠縫的抗拉和抗剪強度等，供計算使用。實驗活動就變得有意思多了，過去在工程力學中學到的知識有相當一部分得到了應用。而且學生也不僅僅限于我們建議的求解方法(就是教科書中的桁架計算方法)，而是把節點當作剛性節點，從網上下載了

8、結構力學求解器，按超靜定結構求解。講解中說明了破壞形式是節點破環和上弦桿受壓失穩破環，制作是很多同學們注意到了要加強節點。在最后的試驗中，如果節點完好，上弦桿失穩折斷，桁架的比強都是比較高的。而且許多同學還是第一次注意到，桁架的破壞是以壓桿失穩的形式破壞的。經過了幾年的實踐，大家都知道了三角形桁架是最具優勢的。同學們為了追求高比強，都清一色地制作三角形桁架。這樣，桁架形式單一、雷同，不利于發揮同學們的創造力和想象力。為了使實驗活動更有收獲，我們增設了評比中的美觀分項目，并在比強的計算上，分別按照三角形、梯形、拱形乘以1.0、1.05、1.1的系數，使同學們對于制作梯形和拱形桁架的興趣大增，尤其

9、是拱形桁架，由于其美觀的造型和制作上的技巧而備受青睞。而且有的同學還制作了其他形式的桁架。六、實驗總結，實驗現象、結果分析，探究性內容的引導和要求1 .實驗總結：本實驗要求同學們每組設計、制作一個木桁架，跨度、寬度和高度都有統一規定。對桁架進行力學分析計算，最后進行加載試驗，測定桁架的最大承載能力。實驗結束，每小組寫出實驗報告一份。本次實驗活動的評分將考慮四個方面：（1）比強（即最大承載力與桁架質量之比），（2）計算結果與實驗結果的接近程度，（3）美觀程度，（4）實驗報告的質量。課程開始首先有任課教師給同學們講解，發給實驗任務書、材料和工具。在講解中，著重講清實驗的目的、意義、任務和要求，制作

10、過程中要注意的一些問題和加載方法。以后是各小組討論方案，進行桁架的設計和制作。在這個階段每天安排有教師答疑，而且往往來答疑的學生還很多。由于實驗活動是分組進行，而且每組又基本上以寢室為單位，同學們的制作活動都在寢室進行。因此教師有時到寢室走訪，幫助同學們研究制作中的問題。最后的加載試驗在力學實驗中心舉行。指導教師講解后基本上由學生自行操作，打印桁架的加載曲線、最大荷載和比強。注意觀察破壞的位置，分析破壞的原因。按照實驗報告內容的規定每小組寫出一份實驗報告。我們發現各小組的實驗報告寫得還是比較認真的。對于方案討論和制作過程都寫得比較詳細，對于實驗過程中的心情描述十分生動，破壞原因的分析也比較仔細

11、。寫到在這項實驗活動中的收獲時都非常具體和感人。只是在力學計算部分，有些小組寫得太簡略，不夠好，有的甚至不寫，可能是有些困難。在網上公布了計算書以后，情況有所好轉。2 .實驗現象和結果分析：實驗中觀察到破壞現象一般有節點破壞和上弦桿的受壓失穩破壞，以節點破壞者為多。破壞形式有脫膠、節點板（木片）的受拉和受剪破壞。究其原因往往是粘結質量不好；節點結構單薄，沒有用楔子加固；有的是節點板木紋方向不對，剛好垂直與受拉方向。比較正常的是上弦桿受壓失穩破壞，也有同學為了提高桁架的承載能力加強了上弦桿。還有其它的破壞方式，往往是應力集中引起的，是在制作時不經意在某些位置留下了小缺口等。3 .探究性內容的引導

12、和要求一般說來，在桁架制作過程中并沒有多少探究性的問題。在紙上按實物畫好桁架（放樣），把各根桁架桿按樣圖的尺寸切割下來，用膠水粘好，在節點處貼上節點板，某些部位再加強些就可以了。但這樣做比強的大小是不知道的，反正最后有加載試驗，做出來多少就是多少。要有探究性的內容，就必須對桁架作進一步的分析研究。我們從以下四方面作探究性內容引導：（1）如果要追求高比強，就需要通過內力計算，判斷哪些桿件受力小，可以用細一些的木條；哪些桿件受力大，需要用粗一些的木條；哪些桿件是不需要的；有些桿件是由于構造要求而必須加，也可以用細一些的木條。一些主要的受力部位要加強，這樣雖然重量增加了一些，但比強還是能上去的。（2

13、）節點的計算比較復雜些。一般說來，如果節點板（木片）木紋的方向放置正確的話，節點是由于剪切而破環，而剪力的傳遞和剪切面的判斷則需要有清楚的力學概念，還要有一定的近似和簡化的能力。這在計算中是要求的。有了計算書做示范以后，同學們在這方面的困難會少一些。（3）側向失穩。這也是桁架結構破壞的常見形式之一。如果兩片桁架之間沒有牢固的連接，加載時它們會向同一側倒下。側向失穩的計算比較復雜，相當于組合柱的綴條間距計算，已超出課堂教學的范圍。在此也不要求同學計算，可以根據同學們的經驗和感覺來設計，但要求同學們了解側向失穩的現象。（4）設計成等強度結構。要使結構的比強高，就應該把它盡量設計成一個等強度結構，這

14、使得同學們回想起等強度梁的內容。也就是說，當結構破壞時，各個構件是同時破壞的。對于桁架來說，就要求上弦桿的失穩、所有節點的破壞以及桁架的側向失穩同時發生。這是需要由計算來控制的。但是，上弦桿的失穩計算是比較準確的，節點板的計算是近似的，而側向失穩是不算的。而我們的計算工作是要求比較準確地算出桁架的最大承載能力，是要與試驗結果比較的。因此，寧可節點計算略微保守些，側向連接的設計也略微保守些，保證桁架破壞時是因為受壓失穩而破壞。三、實驗項目教學案例（根據實驗指導書，典型實驗項目教學過程的描述。實驗項目教學案例包括實驗教學前的預習、引導及準備工作；實驗教學過程中氛圍的營造，學生積極性的調動；實踐能力

15、的鍛煉，創新意識的培養，探究性思維的啟發等；典型的實驗報告，包括實驗總結，實驗現象、結果分析，探究性內容的引導等。）教學案例：2007級土木、地質、港口專業，剛學完工程力學I并舉行了考試。共550學生參加本實驗項目。時間：2008年7月16日至25日。一、實驗教學前的預習、引導及準備工作第一課：發給同學們試驗設計任務書，觀看錄像（包括講解和桁架設計、制作和試驗的簡要過程），任課教師講解，主要內容有：（1）本次活動的目的和意義：是將理論知識與工程實踐相結合的一次演練，強調團隊精神，各成員之間的協調和配合。（2）試驗設計的內容和要求。這部分內容在任務書中寫得比較清楚（包括材料、工具、桁架尺寸規定、

16、試驗方法、評分標準和時間安排等），我們主要強調以下幾點：對于制作方案要充分討論，其中還包括一些探究性問題，定出目標以及制作中要采取的一些措施等。制作中出現一些問題也要大家一起討論；強調對桁架進行分析計算，可以到“材料力學精品課程”網站上去找我們的桁架計算書，作為參考；強調了實驗報告要認真寫。講解完畢同學們可以提問。（3）發放材料和工具。二、實驗教學過程中氛圍的營造，學生積極性的調動第二課（第二階段）：在方案討論、設計和制作階段，各小組可自行確定地點。由于分組時都是盡量以寢室為單位，各小組都選擇在寢室進行。宿舍大樓有嚴格的管理制度，環境優雅、安全。又由于同一專業的學生基本上都住在同一樓層，在這段

17、時間內都在進行桁架的設計制作，因此有濃厚的實驗氣氛。在這段時間里每天都有教師輪流答疑，還到寢室里去走訪，同學們提問也十分踴躍。有的問制作中的一些問題，如桿件接頭怎樣制作、連接；有的問計算中的一些問題；有的把做好的桁架給我們看，問制作上有什么問題，形式上是否合理，荷載如何傳遞等。教師也同時把一些探究性的問題向他們提出并引導他們思考。第三課：加載試驗在校本部航空航天與力學學院力學實驗中心（現已獲得“上海市力學實驗教學示范中心”的稱號）材料力學實驗室內的實驗大廳進行。大廳寬敞明亮，裝有7臺電子萬能試驗機，配套設施齊全。實驗室有完善的管理制度和操作規程。有專業實驗技術人員負責，保證用水、用電的安全。學

18、生在進行實驗操作之前，均由實驗室老師詳細講解儀器設備的使用方法和安全注意事項，在學生獨立操作實驗時，必須有實驗指導老師在旁，以保證實驗的安全性。試驗氣氛團結、活潑、熱烈，同學們對于試驗結果很在意的。如果試驗結果很好，他們歡呼、相互擊掌擁抱；如果結果不好，他們往往會很傷心。學生參與本實驗的熱情很高，參與程度達到100%。為了把桁架做得更好，有的同學還自己花錢買材料。有的小組做了兩個桁架，一個作為演練，一個是正式的，要送去加載，而且把演練的那一個自己先試壓，看看承載能力是多少。實驗報告也寫得十分生動。同學們基本上是按照任務書中規定的試驗報告的內容寫的，在心得體會這部分，可以看得出，他們寫的一些收獲

19、是發自內心的。近幾年來這項實驗只在工程力學I的課程中開展，但有些未開設這門課的專業的學生也紛紛要求開展這項實驗。這項實驗能夠獲得成功，一方面是它本身有較大的趣味性，令一方面也在于教師的引導，使得學生在參與這項活動以后收獲更多。在這里我們也不否認，有少數學生很不認真，桁架制作不動手，實驗報告不動筆，就依賴小組的其他成員。有的自己不動手，還老想往成績優秀的小組靠（因為成績是按小組給的）。有的課程還沒有結束就乘火車回家了，寫實驗報告和最后的加載實驗不參加了，讓別人代勞。三、實踐能力的鍛煉，創新意識的培養，探究性思維的啟發等實踐能力的鍛煉有兩個方面：一是動手制作桁架，這是同學們進大學后第一次制作模型，

20、而且又是需要互相協作、配合，集體完成的一件作品。另一方面是理論知識和實踐的結合，是一個知識活化的過程。實驗活動中教師鼓勵大家創新，重視創新意識的培養。制作開始時同學們知道桁架大致有三角形、梯形、拱形三種形式，但對于桿件如何搭建成桁架并沒有印象，通過方案討論才形成了桁架的形象，再把桁架制作出來，這個過程本身就是一個創新行為。其次，我們在講解是也鼓勵大家創新，不要受這幾種桁架形式的限制。實際上有幾個小組制作了形式新穎的、美觀的桁架。實際上，即使是上面三種常見形式的桁架，桿件的搭建形式也各不相同，有的內部形式也很新穎，而且也能說得出道理來。雖然同學們的有些想法并不全面，從力學觀點來看并不合理，比強也

21、不高，但是這種創新意識折的鼓勵。而且教師還可以提出一些探究性的問題供他們思考。第三方面是在計算工作中的創新，這是較高層面上的創新活動。雖然計算理論和方法是學過的，但在計算模型的建立，以及已知條件的選取，近似和簡化方面，仍然需要創新思維。在上面的“實驗項目指導書”的第六節，提供了探究性內容的引導和要求。這些內容是較具有思考性的。我們是在制作過程中給學生答疑時提出這些問題，若有需要，在適當時候給予解答。有時學生提問時就問到了這些問題。有些是在加載實驗中出現的一些破壞現象，教師會指給學生看并啟發他們思考。四、典型的實驗報告這里我們選作了兩份寫得比較好的實驗報告。這兩個組制作的桁架，比強較高，而且計算

22、結果和實驗結果比較接近，有敘述，有計算分析，有心得體會。實驗報告要求的幾項內容全部寫到，也比較詳細。報告內容有：設計構思，制作過程，實驗數據與理論計算結果的比較，加載破壞的現象分析，心得體會。二、實驗支撐條件（儀器設備數量及運行狀態；實驗室環境等）本項實驗活動所用的材料和工具在市場上都可以買到，桁架方案的討論，設計和制作都在寢室進行，對于場地和儀器設備并無要求。加載試驗在電子萬能試驗機上進行。校本部航空航天與力學學院力學實驗中心（現已獲得“教育部力學實驗教學示范中心”的稱號）材料力學實驗室內的實驗大廳進行。大廳寬敞明亮，裝有7臺電子萬能試驗機，配套設施齊全。實驗室有完善的管理制度和操作規程。有

23、專業實驗技術人員負責，保證用水、用電的安全。學生在進行實驗操作之前，均由實驗室老師詳細講解儀器設備的使用方法和安全注意事項，在學生獨立操作實驗時，必須有實驗指導老師在旁，以保證實驗的安全性。本實驗室致力于建設團結、活潑、開拓、奮進的實驗室文化。已實現與長春試驗機研究所合作共建實驗室，目前已著手與美國波音公司開展共建實驗室的工作。本實驗室面向全院的本科生和研究生開放，特別是鼓勵本科生參與學院的科研工作。目前力學創新實驗室已經建立，并實現了實驗室開放的管理制度。四、學生參與實驗項目的積極性、參與面、效果及體會和評價1、積極性本實驗為綜合性實驗，是集設計、制作與試驗為一體的實驗項目。較為充分和全面地

24、用到了課堂上學習的理論知識，又是一次實踐能力的鍛煉和學生綜合素質的考驗。學生參與本實驗的熱情很高，為了把桁架做得更好，有的同學還自己花錢買材料。有的小組做了兩個桁架，一個作為演練，一個是正式的，要送去加載，而且把演練的那一個自己先試壓，看看承載能力是多少。試驗氣氛團結、活潑、熱烈，同學們對于試驗結果很在意的。如果試驗結果很好，他們歡呼、相互擊掌擁抱；如果結果不好，他們往往會很傷心。同學們在實驗報告中寫道：通過這次活動，在對已學知識的理解和掌握方面、發揚團隊精神方面和動手能力方面都有了很大提高，甚至對周圍的人和事的認識都有了變化。2、參與面學生參與本實驗的熱情很高，參與程度達到100%近幾年來這

25、項實驗只在工程力學I的課程中開展，但有些未開設這門課的專業的學生也紛紛要求開展這項實驗。3、實驗效果本實驗的效果是很好的，這體現在以下方面：（1）運用了材料力學、工程力學或建筑力學等課程中的大部分知識。這不僅是對所學課程的復習，也促進了學生所學知識的活化。同學們不僅對所學的知識有了更深刻的理解和進一步的掌握，而且認識到他們所學到的知識是有用的，初步知道了應該怎么用。（2）培養了學生如何把一個工程實際問題轉化為力學模型，并進行分析的能力，初步懂得了對于一個工程結構應該分析那些問題。（3）對學生素質是一個鍛煉和考驗。在團隊精神方面，包括小組成員以及組長之間的溝通、理解、協調和必要的讓步等。此外還有

26、對于工程和自然的認識，對于周圍人和事的認識，以及事業心、成就感等。下面我們摘選學生在實驗報告中所寫的心得體會，從中可以看出本實驗活動的效果、效益和學生的評價，實際上，類似這樣的心得體會在很多實驗報告里都有。07地質工程，組長：黃保生經過我們幾天的辛苦努力終于完成了這一項偉大的工程。在這幾天中，我們付出了許多，但是收獲更多。這幾天我們感受到了真正的大學，而不是以前的一味一課本為主，而是把理論與實踐結合起來。首先，我們學到了一些合作技巧。在第一天的討論之中，我們很激烈，開始的時候幾乎不能達成一致，各自堅持自己的觀點，互不相讓。我們甚至一度出現了僵局，大家冷靜了幾分鐘后，在心里肯定都進行了反思，再次

27、討論時我們才看到了曙光。我們都互相讓步，接受對方的思想，好不容易才得到了最終方案。有了第一天的教訓以后，在以后的制作過程中，我們四人合作得比較成功了。這次的經歷對我們以后定會產生深遠的影響，給我們以后的學習生活以指導。我想，這是有原因的，我們現在大多都是獨生子女，從小就得到很多的愛，父母把我們保護的很好。上了學之后，能進同濟的以前都是優秀學生，以前哪有要自己去聽別人的，都是同學們聽自己的。但是現在大家都是這樣，所以這種現象就孕育而生了。還好，我們畢竟不是小孩子了，懂得反思和找到方法解決問題。這種現象應該引起我們的重視，現在社會的各行各業都需要合作，進行的都是流水線作業，一個人要想很好地融入社會

28、，那學會合作是他必須要的基本素質。其次，我們鍛煉了自己的實際動手能力。我們知道這次試驗的要求后，都會說很簡單。但過程之中的困難是我們難以想象的。特別是我們的方案出來以后，大家都松了一口氣，看著圖紙，都是不屑的，都想那不是我幼兒園時玩的積木嗎？但到做的時候才發現，非也！我們切木條的時候都是咬著牙的，不一會就汗流狹背了，而且一不小心還會切得不好，要不了。并且在制作過程之中，存在著很多的技巧，這所有的東西，你不親自動手，你是不會發現的?？朔死щy就有了收獲，就增長了自己的能力。另一方面，也培養了我們分析問題和解決問題的能力。制作過程中，會有各種各樣的小問題,我們就積極思考，不斷完善我們的桁架。“實踐是檢驗真理的唯一標準”，我們通過了實際動手，鞏固了我們所學的理論知識，加深了對理論的理解，并把理論華為實際。精神方面，我們的收獲也是很大的，不但培養了我們做事一絲不茍的工作精神和吃苦耐勞的奮斗精神，而且也鍛煉了我們的創新思維?？傊?，這次試驗對我們的影響是巨大的，收獲太多太多了。07港口工程，組長：楊蔚為通過四天的思考與制作，我們小組順利地完成了桁架制作任務，