口腔醫(yī)學(xué)專業(yè)“生物力學(xué)”課程光彈性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐

王輝 宋紅芳 吳寶平 張昆亞 錢秀清 閆松華

摘 要：針對(duì)首都醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)專業(yè)“生物力學(xué)”課程光彈性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及教具等方面進(jìn)行了改革。通過(guò)教學(xué)改革，不僅提高了教學(xué)效率，改善了教學(xué)效果，還增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力。

關(guān)鍵詞：口腔醫(yī)學(xué)；生物力學(xué)；光彈性實(shí)驗(yàn)；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2018.12.004

文章編號(hào)：1006-1959（2018）12-0014-02

Abstract：Aiming at the problems existing in the photoelastic experiment teaching of"biomechanics"course in the Department of Stomatology of Capital Medical University，the reform has been carried out from the aspects of teaching contents，teaching methods and teaching aids and so on.Through the teaching reform， not only the teaching efficiency is improved，the teaching effect is improved，but also enhances studentsmotivation for learning and their experimental hands-on capabilities.

Key words：Stomatology；Biomechanics；Photoelastic experiment；Teaching reform

“生物力學(xué)”實(shí)驗(yàn)課對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的基本技能和動(dòng)手能力、提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)起重要的作用[1，2]。光彈性實(shí)驗(yàn)是該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要內(nèi)容之一。光彈性實(shí)驗(yàn)是由光學(xué)與彈性理論相結(jié)合，用以對(duì)結(jié)構(gòu)和零件進(jìn)行應(yīng)力分析的力學(xué)實(shí)驗(yàn)[3]。相比于電測(cè)實(shí)驗(yàn)，光彈性實(shí)驗(yàn)具有全場(chǎng)性、實(shí)時(shí)性及直觀性的特點(diǎn)，趣味性也較強(qiáng)，用于生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)，有利于使學(xué)生加強(qiáng)對(duì)應(yīng)力集中、邊界應(yīng)力及圣維南原理等概念的理解，同時(shí)，隨著光彈性應(yīng)力分析法在口腔醫(yī)學(xué)的不斷發(fā)展和應(yīng)用[4，5]，光彈性實(shí)驗(yàn)在口腔醫(yī)學(xué)專業(yè)“生物力學(xué)”課程教學(xué)過(guò)程中能起到不可忽視的作用。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題

1.1光彈性應(yīng)力分析的基礎(chǔ)理論太專 光彈性應(yīng)力分析法綜合了材料力學(xué)、光學(xué)、晶體力學(xué)、高分子化學(xué)、相似理論和彈性理論等原理而建成的一種實(shí)驗(yàn)力學(xué)方法。雖說(shuō)長(zhǎng)學(xué)制口腔醫(yī)學(xué)專業(yè)的學(xué)生有較好的知識(shí)儲(chǔ)備和學(xué)習(xí)能力，但要想全面掌握光彈性應(yīng)力分析，除了需要具備較強(qiáng)的數(shù)學(xué)、力學(xué)及物理學(xué)基礎(chǔ)外，仍然需要在課下花功夫?qū)W習(xí)補(bǔ)充相關(guān)的知識(shí)，況且該實(shí)驗(yàn)課時(shí)僅有135 min，實(shí)驗(yàn)課上不可能用大量的時(shí)間對(duì)相關(guān)的理論知識(shí)進(jìn)行講解。

1.2缺乏對(duì)光彈性應(yīng)力分析的發(fā)展及應(yīng)用的講解 光彈性實(shí)驗(yàn)會(huì)涉及彈性力學(xué)、材料力學(xué)及理論力學(xué)等課程相關(guān)的概念、原理和結(jié)論，這幾門課程都不是口腔醫(yī)學(xué)專業(yè)的必修課程。光彈性實(shí)驗(yàn)方法的特點(diǎn)是直觀性強(qiáng)，用它不但可以解決二維模型的應(yīng)力分析問(wèn)題，而且也可以有效地解決三維模型的應(yīng)力分析問(wèn)題，為強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供比較完善的信息。這個(gè)方法尤其對(duì)從強(qiáng)度觀點(diǎn)尋求結(jié)構(gòu)或零件的合理設(shè)計(jì)和確定應(yīng)力集中系數(shù)更為有效，這對(duì)承受重復(fù)應(yīng)力作用的零件的設(shè)計(jì)和制造具有重要的實(shí)際意義。光彈性實(shí)驗(yàn)的這個(gè)優(yōu)點(diǎn)，除了在工程上應(yīng)用廣泛外，已經(jīng)逐漸應(yīng)用在口腔醫(yī)學(xué)中了。

1.3缺乏專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教具 光彈性實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供的只是標(biāo)準(zhǔn)教具，只能開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的演示，如圓盤對(duì)徑實(shí)驗(yàn)、小孔應(yīng)力集中以及三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)主要是用來(lái)驗(yàn)證材料力學(xué)和彈性力學(xué)中的有關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)及專業(yè)相關(guān)性欠缺。

1.4教學(xué)模式單一 現(xiàn)在的光彈性實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于受課時(shí)和教學(xué)內(nèi)容的限制，基本上是單一的教學(xué)模式，學(xué)生只能按照教師的要求去完成教學(xué)內(nèi)容，幾乎沒(méi)有選擇的余地，且實(shí)驗(yàn)過(guò)程中只注重光彈性應(yīng)力知識(shí)的學(xué)習(xí)及掌握，缺乏應(yīng)用性的指導(dǎo)，不利于拓寬學(xué)生的知識(shí)面和激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新積極性。

2 教學(xué)內(nèi)容改革

2.1弱化光彈性應(yīng)力分析的基礎(chǔ)理論知識(shí)講解 為了使學(xué)生能夠在實(shí)驗(yàn)課開(kāi)始前后很好的學(xué)習(xí)和掌握光彈性理論，加強(qiáng)對(duì)光彈性實(shí)驗(yàn)中一些現(xiàn)象的理解和認(rèn)識(shí)，制作了詳細(xì)的光彈性實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)。從實(shí)驗(yàn)原理、概念介紹、公式推演到應(yīng)力計(jì)算都有詳細(xì)的描述。這樣學(xué)生可以做到課前預(yù)習(xí)、課中有的放矢、課后釋疑，從而提高課堂教學(xué)效率。

2.2理論授課引入光彈性應(yīng)力分析的發(fā)展及應(yīng)用 為了使學(xué)生明白實(shí)驗(yàn)課不是為了實(shí)驗(yàn)或?qū)W習(xí)而開(kāi)展的道理，在理論授課時(shí)增加了關(guān)于光彈性應(yīng)力分析的發(fā)展及在臨床上的應(yīng)用的多媒體課件，并且多采用直觀的圖片或影像去講授，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)、動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的積極性和趣味性，提高學(xué)生對(duì)光彈性實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知和參與度。

2.3制備具有口腔專業(yè)特色的光彈性實(shí)驗(yàn)教具 光彈性法可以測(cè)量幾何形狀與載荷條件較為復(fù)雜的構(gòu)件應(yīng)力，特別是可測(cè)量其它方法難于解決的應(yīng)力集中及內(nèi)部應(yīng)力問(wèn)題。由于口腔頜骨的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，口腔臨床中的正畸、修復(fù)、種植等都跟生物力學(xué)相關(guān)，目前并沒(méi)有特別好的方法對(duì)這些術(shù)式進(jìn)行評(píng)估。如果將頜骨制作成具有雙折射的光彈模型，就可以通過(guò)光彈性實(shí)驗(yàn)對(duì)不同條件不同術(shù)式的模型進(jìn)行力學(xué)評(píng)估?；诖?，作者制備了具有口腔專業(yè)特色的實(shí)驗(yàn)教具，并在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)行對(duì)比演示及講解，不僅使課堂效果顯得具體、真實(shí)，還拉近了課程內(nèi)容與專業(yè)之間的距離。圖1是制備的下頜骨-種植體復(fù)合光彈模型?？梢酝ㄟ^(guò)數(shù)字光彈應(yīng)力分析方法觀測(cè)冠修復(fù)體牙合面受載后種植體周圍骨內(nèi)應(yīng)力達(dá)峰值時(shí)間，以及加載后的模型內(nèi)各測(cè)量點(diǎn)的等效應(yīng)力值，從而探討冠部修復(fù)材料對(duì)種植體周圍應(yīng)力的影響。

3 教學(xué)方法改革

3.1引導(dǎo)學(xué)生帶著問(wèn)題進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 在接觸光彈性實(shí)驗(yàn)之前，有些學(xué)生或多或少會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)課帶著一種無(wú)所謂、跟著實(shí)驗(yàn)步驟操作、有問(wèn)題找老師的心態(tài)來(lái)上課，課前不認(rèn)真預(yù)習(xí)，不認(rèn)真寫(xiě)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告，實(shí)驗(yàn)課上不動(dòng)腦筋機(jī)械式的按部就班，這種“填鴨式”的學(xué)習(xí)狀態(tài)只會(huì)降低實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)效果。因此，在實(shí)驗(yàn)課開(kāi)始前的1 周，就要引導(dǎo)學(xué)生在做好預(yù)習(xí)報(bào)告的同時(shí)，結(jié)合專業(yè)特色調(diào)研與光彈性應(yīng)力分析相關(guān)的資料，每位學(xué)生給自己提出至少一個(gè)與之相關(guān)的問(wèn)題，并寫(xiě)在預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)報(bào)告中，在課中通過(guò)實(shí)驗(yàn)去探索答案，最后在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中進(jìn)行分析總結(jié)。

3.2增加實(shí)驗(yàn)組數(shù)，減小實(shí)驗(yàn)小組的人數(shù) 由于實(shí)驗(yàn)儀器及實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所的限制，一次實(shí)驗(yàn)課不能夠多組多人同時(shí)進(jìn)行。而且光彈性實(shí)驗(yàn)是要求學(xué)生要?jiǎng)邮植僮鞯膶?shí)驗(yàn)項(xiàng)目，因此在給學(xué)生分組時(shí)，盡可能的多分組，每組不超過(guò)4人，保證每人動(dòng)手操作的時(shí)間都足夠充分完成實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)要求。

3.3設(shè)計(jì)開(kāi)放式實(shí)驗(yàn) 之前光彈性實(shí)驗(yàn)課的組成都是基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，包括圓盤對(duì)徑壓縮、小孔應(yīng)力集中以及三點(diǎn)彎曲等實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)在結(jié)合了口腔醫(yī)學(xué)的專業(yè)特色，制作了具有光彈性應(yīng)力分析的實(shí)驗(yàn)教具能夠進(jìn)行一些綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。但是學(xué)生的層次不同，有些學(xué)生不滿足于這些基礎(chǔ)驗(yàn)證性以及綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，還要進(jìn)行一些科研探討式的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)課題可以由教師或?qū)W生提供，學(xué)生去調(diào)研文獻(xiàn)，然后進(jìn)行討論，擬定實(shí)驗(yàn)方案，然后由教師進(jìn)行指導(dǎo)，方案通過(guò)后再由學(xué)生具體開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。

4 總結(jié)

雖然光彈性實(shí)驗(yàn)只是一個(gè)演示性實(shí)驗(yàn)，但作者充分結(jié)合專業(yè)特色，利用真實(shí)的具有專業(yè)特色的實(shí)驗(yàn)教具，把演示、講解同組織課堂討論相結(jié)合，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生觀察分析的積極性，使光彈性實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程變得輕松活潑有效，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)和科研意識(shí)都得到了顯著提高。

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收稿日期：2017-10-13；修回日期：2017-10-23

編輯/錢洪飛