現(xiàn)代技術(shù)在材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

殷紅蓮 徐守國(guó)

摘要：材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)在高校力學(xué)教學(xué)中占有非常重要的地位，它對(duì)學(xué)生的綜合素質(zhì)的提高具有非常重要的作用。針對(duì)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，結(jié)合現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革，這樣有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力。

關(guān)鍵詞：材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)；現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)；虛擬仿真；微課

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）15-0277-02

一、引言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育中必不可少的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有助于提高學(xué)生對(duì)理論教學(xué)內(nèi)容的理解；有助于學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法、設(shè)備、軟件等；在此基礎(chǔ)上還有助于提高學(xué)生自學(xué)能力、獨(dú)立思考能力和科研能力。材料力學(xué)是高等院校工科類(lèi)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，涉及行業(yè)包括機(jī)械、土木、材料、航空、航天、電子等。材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)是力學(xué)教學(xué)的重要組成部分，學(xué)生通過(guò)實(shí)踐操作，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)有非常重要的作用。

目前，大多數(shù)高校的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)步驟：（1）教師講解本次實(shí)驗(yàn)的目的、內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)流程以及注意事項(xiàng)；（2）學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)；（3）學(xué)生記錄數(shù)據(jù)，整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生僅僅是按部就班地完成實(shí)驗(yàn)，學(xué)生初次接觸實(shí)驗(yàn)設(shè)備，操作不熟練，造成實(shí)驗(yàn)效果不好，學(xué)生做完實(shí)驗(yàn)后對(duì)于實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象還是不甚了解，無(wú)法加深對(duì)力學(xué)理論知識(shí)的掌握。

二、當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題

1.實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)少。材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)課時(shí)在力學(xué)總學(xué)時(shí)中所占比例較低，學(xué)生絕大多數(shù)時(shí)間在學(xué)習(xí)理論知識(shí)，而實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)生通過(guò)在材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中積極動(dòng)腦動(dòng)手操作儀器，不僅可以加深理解力學(xué)課程中學(xué)到的理論知識(shí)，還可以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)，所以應(yīng)增加實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)。

2.實(shí)驗(yàn)教學(xué)針對(duì)性不強(qiáng)。材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)涉及專(zhuān)業(yè)多，但是實(shí)驗(yàn)中只采用鑄鐵、低碳鋼材料試件進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)針對(duì)不同專(zhuān)業(yè)采用不同材料，如木材專(zhuān)業(yè)可以采用木材試件進(jìn)行試驗(yàn)，土木專(zhuān)業(yè)可以嘗試采用混凝土類(lèi)材料實(shí)驗(yàn)，林學(xué)專(zhuān)業(yè)可以采用竹子類(lèi)材料試驗(yàn)等，這樣能讓學(xué)生將基礎(chǔ)力學(xué)與自己所學(xué)專(zhuān)業(yè)結(jié)合起來(lái)，更了解自己所學(xué)專(zhuān)業(yè)材料的力學(xué)性能。

3.實(shí)驗(yàn)教學(xué)課前預(yù)習(xí)不充分。學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)之前會(huì)自學(xué)《材料力學(xué)指導(dǎo)書(shū)》，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒃O(shè)備、原理、步驟和注意事項(xiàng)等，但是學(xué)生自學(xué)能力有限，不通過(guò)教師對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容針對(duì)性地講解，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備、操作流程等信息缺少動(dòng)態(tài)認(rèn)知，導(dǎo)致預(yù)習(xí)效果不理想，做實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)生仍然對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一知半解。

4.實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備少而且屬于大型設(shè)備。近幾年，高校擴(kuò)招，學(xué)生人數(shù)不斷增加，材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)針對(duì)全校二十多個(gè)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，實(shí)驗(yàn)學(xué)生眾多，實(shí)驗(yàn)任務(wù)繁重，實(shí)驗(yàn)時(shí)需要對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，每組4—6人，這些學(xué)生共用一臺(tái)設(shè)備，實(shí)驗(yàn)時(shí)只有少部分學(xué)生在操作，又由于時(shí)間限制，導(dǎo)致大部分學(xué)生沒(méi)有自己完成實(shí)驗(yàn)，直接抄襲其他同學(xué)的數(shù)據(jù)。另外有些實(shí)驗(yàn)設(shè)備屬于大型設(shè)備，只能由教師演示、學(xué)生觀看或者學(xué)生操作時(shí)教師要一直在旁邊監(jiān)督，以防出現(xiàn)操作不當(dāng)，發(fā)生危險(xiǎn)。

5.實(shí)驗(yàn)教學(xué)類(lèi)型單一。材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)類(lèi)型包括：演示型實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)、綜合型實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)等。目前，材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)以演示型和驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)為主，整個(gè)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生處于被動(dòng)接受的狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、方案、步驟等都是教師事先準(zhǔn)備好的，學(xué)生只是按照教師的指導(dǎo)機(jī)械地完成實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)生不要?jiǎng)幽X只要?jiǎng)邮志托校詫W(xué)生做完試驗(yàn)后對(duì)實(shí)驗(yàn)的原理、測(cè)試方法都一知半解，不能達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，學(xué)生獨(dú)立思考的能力、分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力、創(chuàng)新能力等都沒(méi)有得到提升。

三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

1.重視材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。材料力學(xué)是一門(mén)應(yīng)用型專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，教師和學(xué)生都要轉(zhuǎn)變觀念，不能認(rèn)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論教學(xué)的附屬，增加實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)建立單獨(dú)考核機(jī)制。目前，實(shí)驗(yàn)考核以實(shí)驗(yàn)報(bào)告冊(cè)填寫(xiě)情況為主，這樣的考核機(jī)制并不能考核學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)理論及測(cè)試設(shè)備方法的掌握情況、學(xué)生動(dòng)手操作能力、分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的能力等?？己藭r(shí)要重視對(duì)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的過(guò)程進(jìn)行評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)課時(shí)增加，學(xué)生有足夠時(shí)間獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，教師可以多設(shè)置設(shè)計(jì)型和綜合型實(shí)驗(yàn)，然后還根據(jù)實(shí)驗(yàn)完成情況考核學(xué)生。

2.制作微課用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。微課是指按照教學(xué)要求，以多媒體為載體，記錄教師在課堂內(nèi)外教育教學(xué)過(guò)程中圍繞某個(gè)知識(shí)點(diǎn)或教學(xué)環(huán)節(jié)而開(kāi)展的教學(xué)活動(dòng)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)前學(xué)生只通過(guò)指導(dǎo)書(shū)預(yù)習(xí)，書(shū)本中只能看到實(shí)驗(yàn)設(shè)備的圖片，只能對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備有大致了解，但是沒(méi)辦法對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行深入了解；對(duì)于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的操作更是不甚了解，每次實(shí)驗(yàn)之前，實(shí)驗(yàn)教師都要花費(fèi)大量的時(shí)間講解實(shí)驗(yàn)操作步驟和注意事項(xiàng)。

教師針對(duì)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、設(shè)備、操作步驟和實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)，錄制教學(xué)視頻，做成實(shí)驗(yàn)教學(xué)微課。學(xué)生預(yù)習(xí)時(shí)可以觀看視頻，學(xué)生可以根據(jù)自己的理解能力反復(fù)觀看，通過(guò)視頻學(xué)生可以對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備加深感性認(rèn)識(shí)，熟悉實(shí)驗(yàn)操作步驟，這樣可以節(jié)約學(xué)生熟悉設(shè)備的時(shí)間，增加學(xué)生動(dòng)手操作的時(shí)間，提高學(xué)生動(dòng)手能力。學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，可以根據(jù)微課內(nèi)容快速進(jìn)入實(shí)驗(yàn)角色，向?qū)嶒?yàn)老師提問(wèn)觀看微課時(shí)遇到的問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、思考問(wèn)題、解決問(wèn)題，增強(qiáng)學(xué)生的探索精神及解決問(wèn)題的能力。

3.虛擬仿真用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備大多屬于大型設(shè)備，大型設(shè)備昂貴，實(shí)驗(yàn)室資金不足，所采購(gòu)設(shè)備有限，學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)間是固定的，所以學(xué)生操作不熟練時(shí)實(shí)驗(yàn)時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)，這將導(dǎo)致大部分學(xué)生沒(méi)有操作的機(jī)會(huì)。另外，操作大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備時(shí)要考慮安全及操作要求，學(xué)生必須嚴(yán)格按要求進(jìn)行操作，學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)小心謹(jǐn)慎必將延長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)備操作過(guò)程，以及對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和誤差分析。實(shí)驗(yàn)教學(xué)前，學(xué)生先進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)然后再進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以實(shí)時(shí)反映實(shí)驗(yàn)過(guò)程，隨時(shí)停機(jī)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，這樣不僅可以逼真地仿真各種操作，而且可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；可以提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的操作熟練程度，提高實(shí)驗(yàn)效率；可以允許學(xué)生操作過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，以便觀察誤操作帶來(lái)的現(xiàn)象，而不會(huì)造成實(shí)驗(yàn)設(shè)備損壞和實(shí)驗(yàn)試件的浪費(fèi)。

4.有限元仿真用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。針對(duì)目前材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)類(lèi)型單一、內(nèi)容單調(diào)，很難激發(fā)學(xué)生的動(dòng)手興趣等問(wèn)題，學(xué)生可以利用有限元仿真軟件對(duì)材料力學(xué)所測(cè)試件進(jìn)行力學(xué)仿真，學(xué)生根據(jù)仿真中的加載方式獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，完成實(shí)驗(yàn)?zāi)康乃铚y(cè)量的參數(shù)，提高學(xué)生的動(dòng)腦能力和動(dòng)手能力。另外，我們可以根據(jù)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的難易程度對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績(jī)進(jìn)行考核，這樣有利于提高學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的積極性，對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)的提高有重大的意義。

四、結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)不斷深入實(shí)驗(yàn)教學(xué)的各個(gè)流程，作為實(shí)驗(yàn)教師不僅應(yīng)該不斷加強(qiáng)學(xué)習(xí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)技術(shù)，提高自身水平，還要將這些現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中。在運(yùn)用現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)時(shí)要因人而異，針對(duì)不同的學(xué)生，要根據(jù)他們的接受能力和知識(shí)水平，給予相應(yīng)的指導(dǎo)，以便學(xué)生都能對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容產(chǎn)生興趣，更好地完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生的綜合素質(zhì)也得到相應(yīng)的提高，使他們成為能獨(dú)立思考、勇于創(chuàng)新實(shí)踐的高素質(zhì)人才。

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