自制儀器設(shè)備對提高基礎(chǔ)力學(xué)實驗教學(xué)質(zhì)量的探討

廖 斌

實驗教學(xué)是鞏固和加深理論認(rèn)識的有效途徑，同時也是培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識的高素質(zhì)工程技術(shù)人員的重要環(huán)節(jié)[1]。隨著時代和技術(shù)的不斷進步，教育部等有關(guān)部門對實驗教學(xué)的重視程度越發(fā)提高。在實驗教學(xué)過程中，實驗前的準(zhǔn)備、實驗中的操作和觀測以及實驗后的數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)對于培養(yǎng)大學(xué)生動手實踐、分析及解決問題、團隊合作等方面能力起著非常重要的促進作用[2]。對于大部分高校而言，實驗室是承擔(dān)大學(xué)生各類課程實驗教學(xué)的主要場所，是增強大學(xué)生素質(zhì)教育的前沿陣地[3]。而實驗室儀器設(shè)備的狀況、技術(shù)人員的學(xué)術(shù)以及管理水平、實驗室的發(fā)展規(guī)劃等因素對實驗教學(xué)存在顯著影響。如何統(tǒng)籌協(xié)調(diào)解決上述問題，是目前高校實驗教學(xué)改革的熱點方向，也是實驗室建設(shè)的重中之重。

本文基于材料力學(xué)這一機械土木類工科主要專業(yè)基礎(chǔ)課的實驗教學(xué)，以自制儀器設(shè)備為有效解決途徑，探討此方法對實驗教學(xué)的促進作用。

1 開展自制儀器設(shè)備的必要性

筆者所在大學(xué)是一所以工科為主的省屬多科性高等院校。材料力學(xué)是我校機械土木類專業(yè)非常重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課?；谠撻T課程與工程實際密切相關(guān)的特性，實驗教學(xué)是材料力學(xué)課程教學(xué)的重要環(huán)節(jié)。通過軸向拉伸壓縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲正應(yīng)力測定以及彎扭組合應(yīng)力測定等基礎(chǔ)實驗，大學(xué)生能熟悉常見金屬材料的力學(xué)性能、矩形截面梁在純彎曲條件下的應(yīng)力分布規(guī)律以及薄壁圓筒彎曲扭轉(zhuǎn)組合變形條件下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。在上述實驗的預(yù)習(xí)、操作、觀測以及數(shù)據(jù)處理過程中，大學(xué)生能鞏固課堂所學(xué)知識、增強發(fā)現(xiàn)解決工程實際問題的能力、提高自身的工程素質(zhì)。下面就開展材料力學(xué)實驗的儀器設(shè)備存在的一些問題來闡述開展自制儀器設(shè)備的必要性。

1.1 儀器設(shè)備臺套數(shù)偏少、部分陳舊

由于高校的連年擴招，大學(xué)生數(shù)量明顯增加。常規(guī)的實驗教學(xué)經(jīng)費投入難以跟上擴招形勢下的實驗教學(xué)需求，使得實驗室儀器設(shè)備臺套數(shù)不足的問題突顯而出，更是難以滿足本科評估以及工程認(rèn)證對實驗儀器設(shè)備臺套數(shù)要求的硬性指標(biāo)。一兩人共用一套儀器設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)很難達到，大部分是4 人甚至6 人共用一套儀器設(shè)備。共用一套儀器設(shè)備人數(shù)過多使得只有少部分學(xué)生能動手操作，降低了其他同學(xué)的實驗熱情，進而出現(xiàn)有的學(xué)生等著抄數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。顯然，儀器設(shè)備臺套數(shù)偏少的情況下我們難以達到預(yù)期的實驗教學(xué)效果。

另外，實驗室的儀器設(shè)備還存在部分陳舊的問題。例如，承擔(dān)軸向拉伸壓縮實驗任務(wù)的液壓式萬能試驗機生產(chǎn)于1989年。雖然儀器設(shè)備整體運行正常，但沒有配備計算機以及電動輔助手段，操作過程相對煩瑣。而生產(chǎn)于2003年的純彎曲梁實驗裝置由于加載手輪絲杠打滑以及傳感器的靈敏度問題，導(dǎo)致數(shù)據(jù)偏差較為明顯，一定程度地影響學(xué)生的實驗興趣。再者，實驗儀器設(shè)備陳舊易頻繁引發(fā)故障，使得實驗教師上課時需分心應(yīng)付，影響上課氛圍和教學(xué)效果。以上由儀器設(shè)備陳舊所帶來的一系列問題，不僅影響了實驗教學(xué)效果，還對實驗教師的教學(xué)質(zhì)量帶來負(fù)面影響。

1.2 儀器設(shè)備維修困難

對于存在陳舊儀器設(shè)備的實驗室而言，維修困難一直是老大難問題。筆者主要分以下四方面闡述。一是儀器設(shè)備保修說明書保存不當(dāng)或者過于簡單，實驗技術(shù)人員難以采用正確措施予以維修；二是實驗儀器設(shè)備維修涉及的知識范圍較廣，使得大多數(shù)維修只是臨時補救，故障后續(xù)可能再次出現(xiàn)；三是由于儀器設(shè)備年代久遠(yuǎn)，更新?lián)Q代導(dǎo)致內(nèi)部零件出現(xiàn)故障后難以更換；四是陳舊儀器設(shè)備的維修費用較高，將耗費實驗室有限經(jīng)費的大部分。上述維修困難問題使得實驗室管理存在諸多不便，同時耗費了實驗技人員大量的時間和精力。雖然實驗技術(shù)人員在陳舊儀器設(shè)備維修過程中鍛煉了動手能力，也提高了維修水平。但從長遠(yuǎn)發(fā)展來看，實驗技術(shù)人員沒有多余的時間和精力去從事先進技術(shù)的學(xué)習(xí)，一定程度上限制了其學(xué)術(shù)水平的提高。

2 自制儀器設(shè)備對實驗教學(xué)的促進作用

針對當(dāng)前實驗儀器設(shè)備面臨的種種問題，同時為滿足時代發(fā)展和高等教育的需求，實驗教學(xué)改革是擺在實驗教師以及技術(shù)人員面前的一項較為緊迫的任務(wù)。通過思索、討論與實踐，我們認(rèn)為通過自制儀器設(shè)備不僅是緩解當(dāng)前臺套數(shù)偏少、部分陳舊、維修困難等問題的有效途徑，同時對實驗教學(xué)也起到了明顯的促進作用。

2.1 緩解儀器設(shè)備臺套數(shù)不足問題

自制儀器設(shè)備的經(jīng)濟成本普遍較低，例如，我校力學(xué)基礎(chǔ)實驗室自制的基礎(chǔ)力學(xué)綜合實驗裝置（如圖1所示），只要投入相對少量的資金即能重復(fù)生產(chǎn)。多臺套自制儀器設(shè)備的加入顯然可以解決當(dāng)前臺套數(shù)不足的問題，使得實驗室可以容納的學(xué)生人數(shù)增多，一定程度上緩解了實驗教師重復(fù)教學(xué)次數(shù)，提高了實驗教學(xué)的工作效率。

圖1 基礎(chǔ)力學(xué)綜合實驗裝置

2.2 解決儀器設(shè)備維修困難問題

實驗室儀器設(shè)備陳舊、維修困難制約實驗室進一步發(fā)展，同時也在一定程度上限制了實驗技術(shù)人員自身水平的提高。通過自制儀器設(shè)備可以較好地解決以上問題。首先，實驗技術(shù)人員對自制儀器設(shè)備的參數(shù)范圍、結(jié)構(gòu)、功能和使用步驟非常熟悉。一旦使用過程中出現(xiàn)問題，技術(shù)人員能快速判定故障原因，及時修復(fù)，保證儀器設(shè)備后續(xù)的正常運行。這樣對實驗教學(xué)的影響較小，有利于教師維持教學(xué)秩序，并且對實驗室的管理也起到積極的推動作用。其次，通過自制儀器設(shè)備可以提高實驗教師及技術(shù)人員的學(xué)識水平和動手能力，激發(fā)他們的科研興趣，從中獲取的教學(xué)以及科研成果可以幫助實驗教師及技術(shù)人員職稱晉升以及崗位評定。在自制儀器設(shè)備良性的推動作用下，調(diào)動實驗教師以及技術(shù)人員的工作積極性，有助于提高實驗教學(xué)質(zhì)量水平。

2.3 提升實驗教學(xué)質(zhì)量水平

本節(jié)從自制儀器設(shè)備的三個特性來闡述其對實驗教學(xué)質(zhì)量水平的提升作用。

2.3.1 自制儀器設(shè)備的功能多樣性

實驗儀器設(shè)備的自制可以根據(jù)課程特性以及專業(yè)培養(yǎng)大綱要求的實驗項目來制定基本的設(shè)計思路，并可在此基礎(chǔ)上開拓思維加入其他實驗的設(shè)計元素。由此制作的實驗儀器設(shè)備不僅具有適用性強，功能多樣的特性，還可通過簡單的調(diào)整設(shè)置即能實現(xiàn)不同實驗項目的操作。例如，圖1 中的基礎(chǔ)力學(xué)綜合實驗裝置能實現(xiàn)材料力學(xué)實驗課程中的彈性常數(shù)E（彈性模量）和（泊松比）測定、偏心拉伸應(yīng)力測定以及斜彎曲下梁的中性軸位置測定等實驗項目。以上項目對力學(xué)基礎(chǔ)實驗室現(xiàn)有的實驗項目給予有效補充，這樣既能進一步滿足實驗教學(xué)需求，還可為實驗力學(xué)競賽的準(zhǔn)備工作提供操作平臺。另外，在實驗儀器設(shè)備的制作過程中，大學(xué)生通過參與實驗方案設(shè)計、零件圖繪制、儀器儀表選型、安裝調(diào)試、設(shè)置運行、編寫實驗說明書等方面工作，接受了較為全面系統(tǒng)的工程訓(xùn)練，將所學(xué)的課堂知識與工程實際進行較為深入的融合。這樣對提高學(xué)生的綜合素質(zhì)大有裨益，因而受到學(xué)生的廣泛好評。

2.3.2 自制儀器設(shè)備的直觀性

實驗教學(xué)是鞏固課堂知識的有效手段，而實驗儀器設(shè)備則承擔(dān)著將書本上晦澀難懂的理論模型直觀呈現(xiàn)給學(xué)生，幫助他們理解掌握課堂知識的任務(wù)。由此看出，實驗儀器設(shè)備的直觀性對實驗教學(xué)質(zhì)量水平有著明顯的促進作用。現(xiàn)有市場上流通的實驗儀器設(shè)備大部分為工業(yè)化生產(chǎn)，集成度較高，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運行原理的直觀性較差，學(xué)生難以從實驗中獲得對課堂知識更為深入的理解。反觀自制儀器設(shè)備，首先從方案設(shè)計中就可以貫徹直觀性的指導(dǎo)思想。其次，在儀器設(shè)備組裝、運行調(diào)試過程中，大學(xué)生、實驗教師與技術(shù)人員均能參與進來，在相互學(xué)習(xí)討論、實踐操作過程中，自制儀器設(shè)備的直觀性優(yōu)點顯露無遺。由此，學(xué)生能加深對儀器設(shè)備運行原理的理解，鞏固對課堂知識的掌握，甚至可以拓展思路，對儀器設(shè)備進行設(shè)計改造，加入更多的功能，實現(xiàn)更高的精度。在這種良性推動作用下，實驗教學(xué)的質(zhì)量水平也得到了相應(yīng)提升。2.3.3 自制儀器設(shè)備的經(jīng)濟性

實驗教學(xué)儀器設(shè)備專用性較強，又屬于較先進的技術(shù)產(chǎn)品，市場的流通量較小，只有高校、研究所等少數(shù)機構(gòu)單位有購置需求。在這種形勢下，現(xiàn)有市場上流通的高校教學(xué)用實驗儀器設(shè)備的普遍價格偏高。在教學(xué)用實驗儀器設(shè)備資金較為短缺的形勢下，自制儀器設(shè)備的經(jīng)濟性的優(yōu)點突顯出來，通過自制儀器設(shè)備來解決經(jīng)濟上的問題不失為一種行之有效的有效手段。以圖1 中的基礎(chǔ)力學(xué)綜合實驗裝置為例，通過購買鋁合金型材、荷載傳感器、絲杠[4]、夾具[5]、加工實驗耗材等費用合計不超過五千元，卻實現(xiàn)了市場上動輒數(shù)萬元實驗裝置的功能。通過自制儀器設(shè)備可以為學(xué)校節(jié)約部分資金，多余資金可設(shè)立更多的儀器設(shè)備改造項目、實驗課建設(shè)項目以及大學(xué)生創(chuàng)新實踐項目等，對整個學(xué)校的實驗教學(xué)質(zhì)量水平起到積極的推動作用。

3 結(jié)語

基于材料力學(xué)實驗教學(xué)，以自制儀器設(shè)備為解決途徑，探討了此方法對實驗教學(xué)的促進作用。具體從功能多樣性、直觀性和經(jīng)濟型的角度闡述了自制儀器設(shè)備如何能有效解決目前力學(xué)基礎(chǔ)實驗室臺套數(shù)偏少、部分陳舊，維修困難，經(jīng)費偏少等問題，有助于維持教學(xué)秩序和實驗室管理。通過自制儀器設(shè)備，大學(xué)生能接受較為全面系統(tǒng)的工程訓(xùn)練，將所學(xué)的課堂知識與工程實際進行較為深入的融合。同時，實驗教師及技術(shù)人員能提高自身的學(xué)識水平、激發(fā)自身的科研興趣、調(diào)動自身的工作積極性。在對實驗教師及技術(shù)人員和大學(xué)生均具有良性推動作用下，對實驗教學(xué)質(zhì)量水平也起到了明顯的促進作用。