應(yīng)變電測(cè)法實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)習(xí)考試平臺(tái)研發(fā)

楊宗衛(wèi)　彭莉　楊航　梁經(jīng)緯　張涵宇　唐穎　張曉陽(yáng)

【摘要】應(yīng)變電測(cè)實(shí)驗(yàn)?zāi)苡行囵B(yǎng)學(xué)生動(dòng)手和探究能力，同時(shí)需要學(xué)生具有豐富的知識(shí)儲(chǔ)備，在高校材料力學(xué)教學(xué)中具有重要地位。該線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)習(xí)考試平臺(tái)以實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)中的實(shí)操練習(xí)、實(shí)驗(yàn)?zāi)┑臋z驗(yàn)考核、實(shí)驗(yàn)后的研討交流四大功能為抓手，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)過程趣味化，考核過程公平化，學(xué)習(xí)資源整合化。因此，教育部“新工科”建設(shè)為應(yīng)變電測(cè)法實(shí)驗(yàn)教學(xué)指明了首要任務(wù)，并結(jié)合在本次新冠肺炎疫情期間的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)背景下，應(yīng)變電測(cè)法實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)習(xí)考試平臺(tái)的研發(fā)與應(yīng)用對(duì)未來科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才和高素質(zhì)綜合人才的戰(zhàn)略性培養(yǎng)更具重要意義。

【關(guān)鍵詞】應(yīng)變電測(cè)法? 線上學(xué)習(xí)平臺(tái)? 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)? 教學(xué)改革? 新工科

【基金項(xiàng)目】本文獲得了南華大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“電測(cè)法實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)習(xí)考試平臺(tái)開發(fā)”（編號(hào)：X202010 555369）、南華大學(xué)教學(xué)改革研究項(xiàng)目“力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提質(zhì)升級(jí)”（編號(hào)：2019YB-XJG18）、南華大學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目“應(yīng)變電測(cè)法虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目”（編號(hào)：000900009038）資助。

【中圖分類號(hào)】G64? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2021）07-0028-02

1.引言

2017年2月，教育部大力推動(dòng)新工科[1]建設(shè)，提出新形勢(shì)下高校教育和人才培養(yǎng)的目標(biāo)與方向。為響應(yīng)教育部新工科建設(shè)的號(hào)召，南華大學(xué)積極謀劃工程教育新發(fā)展，各學(xué)科積極開展教育教學(xué)改革。材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)工科學(xué)生研究與實(shí)踐創(chuàng)新能力的重要課程，因此，應(yīng)用于材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)變電測(cè)法學(xué)習(xí)考試平臺(tái)的研發(fā)對(duì)未來科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才的前瞻性和戰(zhàn)略性培養(yǎng)具有重要的意義。

對(duì)工科生而言，應(yīng)變電測(cè)實(shí)驗(yàn)是材料力學(xué)課程首個(gè)與工程實(shí)踐相關(guān)的實(shí)驗(yàn) [2]。該實(shí)驗(yàn)既考查學(xué)生對(duì)于電工原理、力學(xué)等諸多方面的理論知識(shí)的掌握[3]，又要求學(xué)生具備一定的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。北方民族大學(xué)湯占岐等完成了電測(cè)法應(yīng)用于材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)中的教學(xué)實(shí)踐[4]，更是檢驗(yàn)了電測(cè)法在高校教學(xué)中的重要性與實(shí)用性。

“互聯(lián)網(wǎng)+教育”為代表的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具易操作性與經(jīng)濟(jì)性等顯著優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)外對(duì)力學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)的研制與實(shí)踐已初見成效[5]。中北大學(xué)謝占魁等對(duì)于基礎(chǔ)力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)建設(shè)的研究[6]，揭示了網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)建設(shè)的內(nèi)涵與策略，可為實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)建設(shè)提供借鑒。合肥工業(yè)大學(xué)卞步喜等關(guān)于純彎曲電測(cè)實(shí)驗(yàn)的研究[7]已在其學(xué)校推廣并獲得廣泛好評(píng)，但其平臺(tái)局限于對(duì)線下實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)易仿真。山東煙臺(tái)大學(xué)曲淑英等完成了力學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心資源建設(shè)[8]，形成了龐大的仿真虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)絡(luò)，為今后的發(fā)展方向點(diǎn)起了一盞明燈。

南華大學(xué)力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用單一的線下教學(xué)模式，存在著許多問題，如學(xué)習(xí)資源零碎，學(xué)習(xí)資料質(zhì)量良莠不齊，大部分同學(xué)簡(jiǎn)單模仿老師，學(xué)習(xí)效果普遍欠佳，過程化考核難以實(shí)現(xiàn)，課程考核的公平性與準(zhǔn)確性有待提高。

本項(xiàng)目針對(duì)上述普遍問題，基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研發(fā)出集預(yù)習(xí)、練習(xí)、交流和考試等多種功能為一體的電測(cè)法實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)習(xí)考試平臺(tái)。此平臺(tái)將服務(wù)于實(shí)踐型人才培養(yǎng)與創(chuàng)新型人才選拔，服務(wù)社會(huì)的工程人員學(xué)習(xí)深造，本項(xiàng)目為應(yīng)對(duì)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的人才培養(yǎng)具有重要意義。

2.平臺(tái)搭建

該平臺(tái)建設(shè)時(shí)，首先進(jìn)行需求分析，開發(fā)者主要以南華大學(xué)理工科師生為對(duì)象，搜集了實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中存在的問題且對(duì)該平臺(tái)服務(wù)對(duì)象進(jìn)行需求調(diào)查。通過匯總調(diào)查結(jié)果，開發(fā)者對(duì)平臺(tái)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，確定了該平臺(tái)的兩大基礎(chǔ)構(gòu)架：網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源庫(kù)及習(xí)題庫(kù)。明確了該平臺(tái)需具有的四大功能：實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)中的實(shí)操練習(xí)、實(shí)驗(yàn)?zāi)┑臋z驗(yàn)考核、實(shí)驗(yàn)后的研討交流，如圖1所示。在之后的平臺(tái)研發(fā)過程中，開發(fā)者通過查找網(wǎng)絡(luò)和書籍資料編寫整理出一套較為完整的題庫(kù)，并在線下錄制了實(shí)驗(yàn)正確示范及錯(cuò)誤操作的視頻，以客觀題形式填充進(jìn)題庫(kù)中。網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源庫(kù)中，開發(fā)者參考了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、各類力學(xué)實(shí)驗(yàn)相關(guān)文獻(xiàn)、材料力學(xué)相關(guān)書籍及力學(xué)競(jìng)賽中實(shí)驗(yàn)相關(guān)題目，以及各類力學(xué)實(shí)驗(yàn)在生活中應(yīng)用、力學(xué)競(jìng)賽實(shí)驗(yàn)題講解及本校老師講解實(shí)驗(yàn)原理等內(nèi)容的視頻，使該平臺(tái)的功能更完善，并滿足不同學(xué)生的需求。在平臺(tái)測(cè)試階段，開發(fā)者邀請(qǐng)專家、師生、管理人員等試用該平臺(tái)，匯總該平臺(tái)在實(shí)際使用中存在的問題以及使用該平臺(tái)后的用戶反饋，進(jìn)而對(duì)平臺(tái)加以完善。在平臺(tái)投入使用后，開發(fā)者將根據(jù)實(shí)際使用情況分定期和不定期維護(hù)平臺(tái)，并實(shí)時(shí)更新平臺(tái)資源與功能。

2.1線上模擬實(shí)驗(yàn)

對(duì)于南華大學(xué)目前所擁有的電測(cè)實(shí)驗(yàn)室與實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了環(huán)境考察、實(shí)物拍攝與分析記錄，依靠虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）中的三維建模技術(shù)，利用三維建模軟件構(gòu)建一個(gè)1∶1高還原度的虛擬仿真材料力學(xué)電測(cè)實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景，如圖2所示;在三維仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中，可以實(shí)現(xiàn)視角控制、視野轉(zhuǎn)換、參數(shù)改變、實(shí)驗(yàn)設(shè)備模型操作等功能，給予學(xué)生一個(gè)打破時(shí)空局限的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。采用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)調(diào)處理，提供了高自由度與完整度的可視化數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)，具有儀器解析、實(shí)驗(yàn)步驟引導(dǎo)和錯(cuò)誤警示等功能。學(xué)生可根據(jù)規(guī)范完成實(shí)驗(yàn)并自主創(chuàng)新試驗(yàn)不同的操作與數(shù)據(jù)，得到不同的結(jié)果，不僅確保了仿真實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性，還達(dá)到了實(shí)驗(yàn)的多樣性，培養(yǎng)了學(xué)生思維的活躍性。

2.2線上學(xué)習(xí)資源庫(kù)

圍繞實(shí)驗(yàn)課程組建了高質(zhì)量、高契合度的教育學(xué)習(xí)資源庫(kù)，采用云存儲(chǔ)技術(shù)，將搜集分類整合后的文本資源、圖形圖像資源、動(dòng)畫資源、聲音資源與視頻資源等實(shí)驗(yàn)相關(guān)學(xué)習(xí)資源存放在自主構(gòu)建的資源庫(kù)中。資源庫(kù)的建設(shè)，拓寬了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)渠道的選擇。對(duì)于理論學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅可以觀看MOOC等網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的課程，也能選擇本平臺(tái)的視頻資源進(jìn)行學(xué)習(xí)。實(shí)驗(yàn)演示方面，設(shè)立了五大分區(qū)并對(duì)應(yīng)錄制了視頻：實(shí)驗(yàn)流程、分步演示、細(xì)節(jié)處理、錯(cuò)誤示范和成果展示，給予學(xué)生個(gè)性化、智能化指導(dǎo)，并滿足其在不同情況下對(duì)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的需求。

2.3線上考核中心

平臺(tái)設(shè)立了線上考核模塊，包括習(xí)題練習(xí)、綜合測(cè)試與成績(jī)統(tǒng)計(jì)三部分。根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與特點(diǎn)，主要按照實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、儀器設(shè)備、基本概念、原理、方法、技能、注意事項(xiàng)、數(shù)據(jù)處理和實(shí)際應(yīng)用等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)編寫習(xí)題并提供對(duì)應(yīng)的解析。在學(xué)習(xí)電測(cè)實(shí)驗(yàn)的過程中，學(xué)生可以在習(xí)題庫(kù)中選擇練習(xí)內(nèi)容，根據(jù)需求進(jìn)行練習(xí)，發(fā)現(xiàn)與彌補(bǔ)自身不足。課程預(yù)習(xí)結(jié)束后，將進(jìn)行綜合測(cè)試。系統(tǒng)自動(dòng)生成試卷，提交答案即可自動(dòng)評(píng)分，答卷最終交由老師點(diǎn)評(píng)，老師根據(jù)每個(gè)學(xué)生的情況給予學(xué)習(xí)建議，使自主學(xué)習(xí)效果最大化。

2.4線上交流互動(dòng)

論壇的發(fā)展隨網(wǎng)絡(luò)如雨后春筍般地壯大，幾乎涵蓋了人們生活的各個(gè)方面。論壇就其專業(yè)性可分為綜合類、專題類。

就綜合類而言，我們?cè)O(shè)置一個(gè)總的交流平臺(tái)，供師生就各種各式問題進(jìn)行廣泛交互，如反饋板塊、郵件板塊、論壇。其包含的信息十分廣泛，能讓用戶了解到更多課外知識(shí)與問題的解決。

就專題類而言，我們?cè)O(shè)置了每個(gè)視頻、作業(yè)下對(duì)應(yīng)的評(píng)論區(qū);各用戶獨(dú)立的聊天窗口;此類評(píng)論區(qū)互相獨(dú)立，利于消息的整合與搜集，更具針對(duì)性。

2.5視頻錄制

第一步，需備好實(shí)驗(yàn)所需器材、設(shè)備及其軟件（如Adobe公司的Premiere CC 2017、電測(cè)法實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)等）。

第二步，將實(shí)驗(yàn)所需器材擺好，陳列于桌上，并通過軟件對(duì)其下方進(jìn)行標(biāo)注。

第三步，開始實(shí)驗(yàn)過程的錄制。其中包括錯(cuò)誤示范、正確操作等，主要分為仿真操作與實(shí)際操作兩部分。

（1）仿真操作流程如下：

錄制本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的教學(xué)操作，介紹本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基本模塊（如資料模塊、仿真模塊、進(jìn)階模塊等）使學(xué)生進(jìn)一步了解本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并引導(dǎo)學(xué)生了解并學(xué)會(huì)使用仿真實(shí)驗(yàn)部分，通過其生動(dòng)有趣的仿真互動(dòng)，為接下來的實(shí)際操作打下鋪墊。

（2）實(shí)際操作流程如下：

①準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)器材，如貼片設(shè)備、焊錫設(shè)備、磨面設(shè)備、測(cè)量設(shè)備等;②測(cè)量矩形截面梁的各個(gè)尺寸，預(yù)熱電阻應(yīng)變儀、載荷顯示儀和電焊棒;③磨面。將矩形截面梁即將貼片的面用磨砂紙擦至光滑;④清潔。用棉球沾上酒精將打磨面清潔至無明顯污垢;⑤貼片。將應(yīng)變片與貼片依次貼至打磨面上;⑥焊接。將應(yīng)變片的引腳焊接在貼片上;⑦測(cè)量。焊接好后使用萬用表打至歐姆檔對(duì)應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)量（正確值貼近120Ω），并檢查其是否短路等;⑧接橋。將各種儀器連接好，各應(yīng)變片按半橋接法接到電阻應(yīng)變儀的所選通道上;⑨調(diào)平。逐一調(diào)節(jié)各通道的電橋平衡;⑩搖動(dòng)多用電測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的加載機(jī)構(gòu)，采用等量逐級(jí)加載（可取△F= 1kN ）。每增加一級(jí)載荷，分別讀出各電阻應(yīng)變片的應(yīng)變值，并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。{11}{11}整理儀器，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

第四步，進(jìn)行理論知識(shí)講解的錄制，其中包括應(yīng)變電測(cè)法的原理、材料力學(xué)相關(guān)知識(shí)、注意事項(xiàng)等。

第五步，視頻后期（如字幕、后期配音、開頭與結(jié)尾等）。

第六步，視頻環(huán)節(jié)完成。

3.成果

（1）在材料力學(xué)電測(cè)實(shí)驗(yàn)中，通過建立實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了線上與線下相結(jié)合的新型學(xué)習(xí)模式。

（2）學(xué)生通過使用此學(xué)習(xí)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)成績(jī)顯著提高，且層次梯度分明，整體優(yōu)秀率從12%提升到了39%，形成了一種良性的競(jìng)爭(zhēng)氛圍。

（3）方便了老師管理學(xué)生的學(xué)習(xí)，監(jiān)督學(xué)生的預(yù)習(xí)練習(xí)以及還可在網(wǎng)上直接進(jìn)行考試，檢驗(yàn)學(xué)生學(xué)習(xí)成果，順應(yīng)了互聯(lián)網(wǎng)+的時(shí)代潮流。

（4）激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使得學(xué)生的綜合素質(zhì)提高，在各類競(jìng)賽中也相較于以前積極性更高且成績(jī)突出，獲得校級(jí)以上獎(jiǎng)項(xiàng)也從參與人數(shù)的5%上升到了18%。

（5）鍛煉了學(xué)生的思維方式，使得在材料力學(xué)理論課中的成績(jī)得到了一定幅度提升。

4.結(jié)論

本文論述了以電測(cè)法實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)習(xí)考試平臺(tái)研發(fā)為對(duì)象的設(shè)想、構(gòu)思到研發(fā)再到使用情況的整個(gè)過程，實(shí)現(xiàn)了從無到有，從零到一的本質(zhì)飛躍，有助于為國(guó)家培養(yǎng)一大批“人格健全、基礎(chǔ)扎實(shí)、能力突出、素質(zhì)全面”的創(chuàng)新型人才，進(jìn)一步彰顯“勤勉務(wù)實(shí)、甘于奉獻(xiàn)、剛健自強(qiáng)、敢為人先”的學(xué)校精神，對(duì)于“雙一流”的建設(shè)和高素質(zhì)綜合人才的培養(yǎng)具有重要意義。

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作者簡(jiǎn)介：

楊宗衛(wèi)（2000年-），男，湖南懷化人，本科在讀。

彭莉（2001年-），女，湖南邵東人，本科在讀。

楊航（2000年-），男，湖南寧鄉(xiāng)人，本科在讀。

梁經(jīng)緯（2000年-），男，廣東珠海人，本科在讀。

張涵宇（1999年-），女，內(nèi)蒙古阿拉善盟人，本科在讀。

唐穎（1989年-），女，湖南祁東人，本科。

張曉陽(yáng)（1988年-），男，湖南祁東人，博士。