材料力学是高校工科学生重要的专业基础课^[1]。实验作为课程的重要组成部分,有助于学生对理论知识的理解和知识体系的构建,特别是对培养学生“理论与实践相结合”的能力具有重要作用。国务院多部委曾联合提出引导部分高校向应用 技术型高校转型的战略部署,目的是培养既有创新理论知识,又有工程意识和实践能力的应用型工程技术人才^[2]。

项目管理,是以项目为对象的系统管理方法,通过一个临时性的专门柔性组织,对项目进行高效率的计划、组织、指导和控制,以实现项目全过程的动态管理和项目目标的综合协调与优化^[3]。当前,项目的概念已从“工程项目”扩展到更广范围^[4],一切皆项目。

在应用型人才培养目标下,高校材料力学实验教学普遍存在与培养要求不协调的问题,难以在能力培养和分析创造能力上有所进步^[5-6]。主要存在以下问题。

(1)课时较少,实验内容受限。我校区根据课程标准设置材料力学课内实验4个(8学时),主要为基础型实验(金属拉伸、扭转、冲击、纯弯曲梁正应力电测实验)。由于实验开设课时少,学生没有机会接触其他实验,更谈不上拓展实验以及创新能力。

(2)教学模式固化,学生积极性差。受诸多限制,实验授课通常采用“讲解$+$操作$+$报告”方式,老师传输知识,学生被动接受,大部分学生都是一知半解,没有进行深层次的思考, 只是为了能在课堂时间内完成实验内容,因此学生参与实验的主动性和积极性差。

(3)实验内容单一,与专业特色和工程实际结合较少。实验内容主要为对应理论课程的演示性实验,缺乏设计性、创新性实验内容,且没有与专业特色、工程实际相结合。各专业开设的实验内容基本一致,每个实验相对独立,学生掌握知识零散孤立。当面对实际工程问题时,学生不知所措。

(4)实验考核方法有待改进。以往的实验考核主要是以学生提交的实验报告为评定依据,造成学生“轻过程、重报告”的不良习惯,特别是动手能力较差的同学,通过拷贝报告来 得到一个较高的分数,不利于学生动手实践能力的培养。

(5)设备数量限制,教学组织欠合理。材料力学实验为专业基础实验,开课专业多、人数多。我校区每年需给机械、过控、石油工程、油气储运专业约500人开设实验课,而设备套数有限,以往实验过程中5或6人一组,其中2或3人主要动手操作,其他人员只是记录、分析数据或在旁边观看,不利于学生动手实践能力的培养。

实验教学的最终目标是要培养学生动手操作,动脑思考,分析、解决问题的应用能力。基于项目管理模式的实验教学就是通过老师设置项目任务,学生组团以项目为中心、以任务为驱动、自主学习,解决项目问题而进行的教学活动。材料力学实验教学项目管理流程如图1所示。

(1)项目启动阶段：明确实验目的和任务,组建实验团队、领取项目任务。

(2)规划阶段：根据实验任务制定项目计划,包括实验项目范围管理、实验时间管理、实验材料成本管理、实验质量管理、实验风险管理等。

(3)执行阶段：团队成员根据自己在实验项目中所承担的角色和分配的任务执行实验,并加强沟通交流。

(4)监控阶段：监控实验项目的进展和实验数据,及时修正和调整实验项目计划。

(5)收尾阶段：完成实验项目任务,分析总结,整理存储项目相关资料。

采用项目管理模式后,一个实验即为一个项目。根据实验项目所培养学生不同层次的能力,将实验项目培养能力等级划分为一级、二级、三级。基础型实验为一级能力实验,作为其他实验项目的学习基础。该模式较原实验教学的区别主要如下。

(1)适应工科专业各层次学生能力的培养,课程时间灵活。除拉伸、扭转、弯曲、冲击基础型实验项目外,实验内容上增加了设计性、创新性、综合性等的实验项目。实验学时根据项目完成难易程度设定,单个项目的实验时间不超过4学时,我校以课外“开放性实验”方式作为实验学时的保障,学生预约开放性实验,实验时间更加灵活方便。

(2)以问题为向导,改变传统“讲解$+$操作$+$报告”的方式。课前录制基础型实验视频,将实验设备操作方法、安全注意事项等制作成教学视频发送至同学,课下提前学习,课上提问、考核,进行实验;开放性实验部分,学生根据实验任务,自我提问、自我学习,利用线上、线下资源,查阅实验项目相关资料设计、完成实验;个别实验项目还增加了有限元模拟仿真要求, 学生自行学习相关软件和理论完成要求。学生的学习深度和实验主动性增强。

(3)从解决实际问题出发,实验内容与专业特色、工程实际、大学生科技创新竞赛相结合。我校为石油特色大学,实验项目设置时综合考虑了石油特色,涵盖资源勘查、钻采、石油上下游产品等内容。学生根据自身兴趣和能力要求,自由组合选择实验项目,其中一级能力实验项目必选,二级、三级能力实验项目组合选择。学生通过自行设计、协作完成实验项目,不断提高分析、解决问题的应用型能力。

(4)成绩考核重点倾向学生实验方案设计、操作技能,三级能力实验项目增加了答辩考核形式,再综合考勤、课下学习、实验报告等情况进行考评。具体成绩考核包含：实验方案30%,实验技能30%,实验及数据处理20%,考勤5%,实验报 告15% (含答辩5%)。实现了实验前、实验中、实验后的全过程控制。

(5)教学组织上采用团队形式开展实验,学生以2或3人自由组团完成实验。小组长负责本组实验总体安排,各组员根据项目任务进行角色分工,从而使每个同学都能积极、主动参与到实验中。学生实现了从“个人到团队”,从“被动到主动”实验的转变。

以调查一石油运输管线点蚀穿孔原因项目为例。石油管线出现穿孔泄漏的危害性较大,在排查漏点更换失效管段后,需对管线失效原因进行调查。该项目为工程实际问题,为二级能力实验项目。经初步分析,调查内容可能涉及材料力学性能、工程材料组织结构、化学组成成分等方面,是一项涉及不同工作团队,需将各方面工作有机协调配合的综合型项目管理工作。

基于项目管理模式的实验教学具体实施步骤如下。(1)确定项目任务、定义项目范围。老师确定该项目任务为调查石油运输管线穿孔原因。因涉及内容广,根据课程性质,该项目范围定义为仅从材料力学性能方面调查管线穿孔原因。其他方面的调查工作也可定义为项目,此处不作研究。(2)组建团队、任务分工。对项目感兴趣的3名学生自由组合成团,从老师处领取项目任务,并根据任务进行角色分工。(3)制定项目计划。项目组从任务出发,查阅《石油天然气工业管线输送系统用钢管》国家标准(GB/T 9711—2017),了解管线材料L360相关技术指标,确定影响管线材料质量的关键参数和实验质量控制方法,设计实验方案。同时根据项目紧急程度,设定项目总时间和实验时间,确定管线实验试样数和取材处,提出实验可能存在的风险和解决办法等。(4)执行项目。先对穿孔管线外观、尺寸进行分析,截取管线穿孔附近试样多组,根据实验方案对试样进行拉伸、冲击等实验。实验过程中项目组成员间、与老师间充分沟通交流。(5)监控实验数据和进度。仔细观察试样变形情况及材料拉伸、冲击破坏特性,并将实验数据与L360标准材料性能指标对比;根据阶段性任务完成情况适当调整项目进度。实验结果数据如表1和表2所示。(6)结束项目。项目组从材料力学角度对管线材料进行初步评价,从实验数据来看,拉伸、冲击实验结果均满足GB/T 9711—2017标准要求,说明管线材料力学性能方面符合要求。要全面分析点蚀穿孔原因,还需进一步结合管线化学成分、金相组织以及输送介质等检测结果。本课程项目完成后,对学生完成情况进行考核评价。

教学过程中,老师起引导作用,学生自主设计、完成实验,真正将所学知识应用于分析、解决工程实际问题。同学们在过程中发现问题、分析问题、解决问题,体会到实验带来的乐趣。

采用项目管理模式对材料力学实验教学改革实践后,同学们反馈良好。学生根据自身情况组合选择实验项目,既符合教学总体安排,又综合考虑了学生个体能力和兴趣的差异性,实现了整体教学和个性化教学。此外,同学们在完成实验过程中主动学习、团结协作、分析解决问题,并在过程中收获了很多新技能和新能力。项目不在于大小,而在于过程中的能力培养。以项目管理模式来培养学生,这对学生今后更快更好地适应社会、 适应工作岗位百利而无一害,也为高校实验(实践)改革提供了方法和参考。