材料力學(xué)實驗進課堂的探索與實踐

顧愛軍 楊小令 梁金棟

摘要：為解決材料力學(xué)實驗與理論教學(xué)不同步而引起的脫節(jié)問題，提出將材料力學(xué)實驗引進課堂的策略。研制了一種小型輕便的材料力學(xué)試驗機，便于教師隨堂帶入教室進行課堂實驗演示，實現(xiàn)理論與實驗同步。試驗機以小型、便攜為其控制目標(biāo)，采用組合式設(shè)計，具備常用的實驗功能。試驗機的研制需充分掌握材料力學(xué)基本知識，熟悉力學(xué)測試原理，了解機械、電子等交叉學(xué)科，是很好的大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練課題。學(xué)生參與其中能夠加深對所學(xué)知識的理解，拓寬知識面，提高創(chuàng)新和動手能力。實踐證明：這種學(xué)生參與的“實驗進課堂”教改模式對類似工科課程教學(xué)具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：材料力學(xué);課堂實驗;小型試驗機;大學(xué)生科技創(chuàng)新

中圖分類號：TU502+.6 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-2909（2019）02-0112-06

材料力學(xué)的研究方法包括理論分析和實驗研究兩個方面，實驗教學(xué)是材料力學(xué)課程不可或缺的部分。因此各高校對材料力學(xué)實驗教學(xué)非常重視，并針對傳統(tǒng)教學(xué)模式中可能存在的輕視實驗、被動學(xué)習(xí)、缺乏興趣、思維固化等問題，從條件保障[1]、形式改進[2-3]、內(nèi)容創(chuàng)新[4]等方面開展了有益嘗試。

材料力學(xué)實驗的各種探索性改革實踐在學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力培養(yǎng)等方面取得了一定的成效[5]，然而，在教學(xué)實踐中，理論教學(xué)與實驗教學(xué)在時間銜接與內(nèi)容融合等方面仍然存在一些問題，甚至出現(xiàn)脫節(jié)的情況，嚴(yán)重影響教學(xué)效果。

作為專業(yè)基礎(chǔ)課，材料力學(xué)通常在諸多班級中同時開課。由于學(xué)生人數(shù)眾多，而實驗室只能按接納能力預(yù)約安排實驗，導(dǎo)致多數(shù)學(xué)生實驗時間相對滯后，即在理論教學(xué)后很長一段時間才能進行實驗操作，造成了理論教學(xué)與實踐環(huán)節(jié)脫節(jié)，影響了教學(xué)效果。這一問題普遍存在，其中材料力學(xué)性能測試實驗由于大型萬能試驗機相對較少，矛盾尤為突出。若減少實驗時間而增加每組人數(shù)，則將出現(xiàn)少數(shù)人做、多數(shù)人看的問題，從而失去實驗教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、分析能力、歸納能力、創(chuàng)造能力方面的優(yōu)勢[6]。此外，很多高校材料力學(xué)課程由理論課教師和實驗課教師分別教授。雖可減輕教師工作強度，發(fā)揮各自專長，但實施中會出現(xiàn)由于教師之間溝通不暢，導(dǎo)致理論教學(xué)與實踐有所偏差等問題[7]。

為此，提出實驗進課堂的策略，采用小型可攜帶式試驗機在課堂教學(xué)中同步進行實驗演示，較好地解決了理論教學(xué)與實驗同步的問題。此外，讓學(xué)生全程參與小型試驗機的研制過程，有利于形成更多科技創(chuàng)新課題。

一、總體思路

理論與實驗相結(jié)合有利于鍛煉學(xué)生的觀察能力和思維能力，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和求實精神。國外一些著名高校（如麻省理工學(xué)院）將力學(xué)教學(xué)安排在包含很多實驗設(shè)備的專用教室中，不但實現(xiàn)了理論與實踐教學(xué)的同步，也實現(xiàn)了基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的“研究性教學(xué)”，取得了很好的效果[8]。顯然這種模式需要大量的經(jīng)費投入，且班級較多時同樣存在錯時排課問題，影響教學(xué)進程。張娟霞等將數(shù)值試驗教學(xué)引入材料力學(xué)課程教學(xué)[9]，利用數(shù)值試驗結(jié)果展現(xiàn)“真實破壞過程”，使理論教學(xué)與實踐教學(xué)緊密結(jié)合，激發(fā)學(xué)生的興趣。有的高校利用事先錄制好的實驗視頻作為同步輔助教學(xué)的手段，也有的學(xué)校開發(fā)了虛擬仿真實驗室作為學(xué)生及時練習(xí)的平臺[10]。這些方法為解決上述矛盾提供了很好的思路，但這些虛擬方法顯然難以達到真實實驗“探索未知現(xiàn)象”的效果。

將大型實驗小型化，研制可隨意組合的小型多功能試驗機，由教師隨堂帶進教室，可以很好地解決這些問題。課堂實驗只是作為輔助理論教學(xué)的一種教學(xué)方式，因此，后續(xù)預(yù)約實驗在時間上可更加寬松，學(xué)生對儀器操作更容易上手。小型試驗機現(xiàn)場實驗的教學(xué)效果必然超過播放實驗視頻，實驗進課堂也必定是今后類似課程的發(fā)展趨勢。

為實現(xiàn)上述目標(biāo)，需在控制試驗機的外形、尺寸和重量的基礎(chǔ)上實現(xiàn)試驗機的原有功能。其研制過程并非大型試驗機的簡單縮小，需要對其空間和功能進行合理布置和重新設(shè)計。小型試驗機的研制需要掌握力學(xué)知識，涉及機械、電子等交叉學(xué)科，對于工科在校大學(xué)生而言，只要進行適當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)和研究即可勝任，是很好的研究性學(xué)習(xí)內(nèi)容和科技創(chuàng)新活動課題。讓學(xué)生參與課題的意義不僅在于研制的最后結(jié)果，更為重要的是這種學(xué)生參與“實驗進課堂”的教學(xué)模式將為工科專業(yè)類似問題的解決提供一種全新的思路。

二、小型材料力學(xué)試驗機的研制

該課題的核心是小型可攜帶式試驗機的研制，其總體控制目標(biāo)是總重量，必須一人可提，便于攜帶，在此基礎(chǔ)上對其結(jié)構(gòu)形式、量程以及被測材料和試件等進行設(shè)計和改造，使其能夠勝任常規(guī)材料力學(xué)性能測試的課堂教學(xué)演示。

（一）小型試驗機現(xiàn)狀

常見的金屬材料萬能試驗機主要有液壓系列和電子系列兩種。液壓系列以高壓油作為動力源，適用于大噸位試驗機;電子系列以伺服電機作為動力源，絲杠、絲母作為執(zhí)行部件，可用于小型試驗機[11]。目前廠家所生產(chǎn)的小型試驗機多用于特殊的材料性能測試，如稀有金屬、貴金屬和合金等材料研究，事故零件斷口附近機械性能研究等。少數(shù)用于課堂教學(xué)演示的小型試驗機可分為兩類：一類是專為高校小型材料力學(xué)實驗室設(shè)計的小型多功能試驗機[12]，這種試驗機功能較為齊全，通常能滿足材料力學(xué)常規(guī)實驗要求，但體積大，質(zhì)量重，整套設(shè)備質(zhì)量通常達50 kg以上，雖為“小型”，但并不方便攜帶（圖1a）;另一類為體積小、功能單一的簡易拉伸試驗機（圖1b），其質(zhì)量大約15 kg，基本滿足“便攜”要求，但功能相對簡單，荷載測試單元需要另外配置，多數(shù)未配置位移測試單元。

此外，材料的拉伸試驗需要利用荷載-位移曲線（加載曲線）表現(xiàn)材料的力學(xué)性能，而市場上的小型力學(xué)試驗機幾乎都不具備此功能，能夠顯示加載曲線的試驗機均已不在“便攜式”的范圍。

（二）小型試驗機結(jié)構(gòu)設(shè)計與改進

針對上述矛盾，以具有拉伸、壓縮功能的試驗機為基本構(gòu)架，通過合理的拆卸與互換性設(shè)計，實現(xiàn)彎曲或剪切等多種功能，課堂實驗時根據(jù)需要選用相應(yīng)功能。通過結(jié)構(gòu)的進一步優(yōu)化使其質(zhì)量控制在10 kg以內(nèi)。此外，完善加載、測力、測位移功能，使之完整、精確地表現(xiàn)材料的受力-變形關(guān)系。

試驗機的研制按圖2所示技術(shù)路線展開，根據(jù)測試對象計算位移與荷載量程，從而確定機架的總體尺寸，并按強度、剛度計算確定構(gòu)件形狀和尺寸，加載裝置和測試裝置均按現(xiàn)有試驗機中已有類型進行選擇，并作相應(yīng)改進。此時試驗機的重量可以計算確定，若不能滿足便攜要求，則反向?qū)υ囼灆C主體尺寸進行調(diào)整，并重新確定機器的量程。最后按量程對試件類型進行選擇，包括材料類型、尺寸等，使其破壞過程能夠完整展示，滿足材料力學(xué)性能課堂演示的需要。

（三）大學(xué)生科技創(chuàng)新活動

試驗機的研制離不開材料力學(xué)知識的鋪墊，為此，組織大二學(xué)生開展了大學(xué)生科技創(chuàng)新活動?；顒又匮兄评煸囼灆C，充分利用已有小型試驗機進行改造，研制過程包括選型、驗算、改造和改進四個環(huán)節(jié)。

為實現(xiàn)試驗機的便攜性，按照輕便優(yōu)先的原則，在已有小型試驗機中選擇購買了某型號簡易加載架，按上述技術(shù)路線進行計算，將整個研究過程分為機架、加載機構(gòu)、夾頭、力測量、位移測量、試件選擇等小課題，通過分析討論，提出優(yōu)化方案。

（1）試驗機以輕便為主要目標(biāo)，不追求功能齊全，但設(shè)計中應(yīng)考慮使結(jié)構(gòu)具有相應(yīng)的組合功能，以便通過簡單拆卸實現(xiàn)各功能的替換。

（2）利用材料力學(xué)知識對各部分構(gòu)件進行安全計算，通過尺寸、截面的優(yōu)化降低橫梁、立柱、底板等部件的重量，并從理論上對輕質(zhì)材料進行了重量和成本估算。

（3）對加載方法、夾緊機構(gòu)、測力方法、測位移方法提出優(yōu)選或改進方案。如采用手搖絲桿式加載方式，配以光柵尺測位移，采用商用拉壓力傳感器測力，夾頭中部開V型槽使之適用于圓柱形試件等。

（4）提出利用齒輪傳動，實現(xiàn)橫梁雙速升降。非加載情況下快速移動，節(jié)約時間;加載情況下慢速移動，穩(wěn)定省力。

通過對簡易加載架的計算校核，確認(rèn)其具有很高的安全系數(shù)。若試件采用直徑4 mm低碳鋼桿，則將其拉至斷裂所需拉力約為5.0 kN，而原結(jié)構(gòu)所能承受的最大荷載為51 kN。

為此結(jié)合上述方案，設(shè)計了多功能組合式試驗機如圖3所示，其中試驗機中的夾頭、壓盤、彎曲支座等部件均可按需拆除。

三、課堂使用效果

課堂使用效果主要體現(xiàn)在兩個方面：一是提高了材料力學(xué)性能教學(xué)效果;二是豐富了相關(guān)內(nèi)容研究教學(xué)素材。

（一）材料力學(xué)性能教學(xué)效果

材料的力學(xué)性能這部分內(nèi)容具有信息量大、知識點陌生等特點，若僅靠課堂講述學(xué)習(xí)有一定的難度。利用小型試驗機現(xiàn)場進行拉伸破壞試驗演示，無論對知識點的理解還是對試驗機的認(rèn)識都起到了良好的效果。初步設(shè)計中尚未加入加載曲線顯示功能，僅有力值和位移值的顯示。但相比于播放實驗視頻，其過程更加靈活生動，拉近了實驗與理論教學(xué)的距離，課堂氣氛也更加活躍，達到了預(yù)期的教學(xué)效果。

為了使力學(xué)教學(xué)更加貼近生活，試驗除采用金屬塑性和脆性材料進行課堂演示外，還利用生活中常見的塑料板、細樹枝等材料進行拉伸試驗。例如：通過試驗學(xué)生明白了看似脆性材料的枯樹枝竟表現(xiàn)出明顯的塑性性質(zhì)。

試驗班在講授該內(nèi)容兩周后安排了真正的金屬材料拉伸、壓縮實驗。從實驗過程可以看出，學(xué)生對相關(guān)力學(xué)基本概念有著更清晰的認(rèn)識，對實驗原理和思路更容易理解，對親手操作電子試驗機也更有興趣。

（二）研究性教學(xué)素材

在試驗機的研制過程中用到了許多材料力學(xué)相關(guān)知識，如表1所示。因此，設(shè)計好的試驗機本身也是很好的工程實例，在材料力學(xué)教學(xué)過程中，一旦講到相關(guān)知識點時，即可以該試驗機為模型進行實例講解，或展開研究性教學(xué)。對小型多功能試驗機的研制不僅只有部分參加科技創(chuàng)新活動的學(xué)生參與，也不僅只參加一次，而是讓每一位、每一屆的學(xué)生都可以體驗其研制過程。對照實物進行相關(guān)計算，更接近工程實際，學(xué)生也更有興趣。

四、結(jié)語

針對材料力學(xué)實驗與理論教學(xué)脫節(jié)的問題，通過研制小型可攜帶式試驗機進行“實驗進課堂”的探索與實踐，并作為科技創(chuàng)新訓(xùn)練活動鼓勵大學(xué)生參與研制過程，無論是科創(chuàng)訓(xùn)練過程還是課程教學(xué)脫節(jié)問題都取得了預(yù)期效果。文中所采用的學(xué)生參與的“實驗進課堂”教學(xué)模式將有助于理論力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)課程課堂教學(xué)效果的提升，對于其他工科專業(yè)類似問題的解決具有一定的借鑒意義和推廣價值。

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