現代技術在材料力學實驗教學中的應用

殷紅蓮 徐守國

摘要：材料力學實驗在高校力學教學中占有非常重要的地位，它對學生的綜合素質的提高具有非常重要的作用。針對材料力學實驗教學中存在的問題，結合現代實驗技術，對實驗教學進行改革，這樣有利于培養學生的創新能力和動手能力。

關鍵詞：材料力學實驗；現代實驗技術；虛擬仿真；微課

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）15-0277-02

一、引言

實驗教學是高等教育中必不可少的重要教學環節，通過實驗教學有助于提高學生對理論教學內容的理解；有助于學生掌握實驗測試方法、設備、軟件等；在此基礎上還有助于提高學生自學能力、獨立思考能力和科研能力。材料力學是高等院校工科類專業的專業基礎課，涉及行業包括機械、土木、材料、航空、航天、電子等。材料力學實驗是力學教學的重要組成部分，學生通過實踐操作，對培養學生的實踐能力和創新意識有非常重要的作用。

目前，大多數高校的材料力學實驗教學的實驗步驟：（1）教師講解本次實驗的目的、內容、實驗設備、實驗流程以及注意事項；（2）學生完成實驗；（3）學生記錄數據，整理實驗數據并完成實驗報告。在整個實驗教學過程中，學生僅僅是按部就班地完成實驗，學生初次接觸實驗設備，操作不熟練，造成實驗效果不好，學生做完實驗后對于實驗原理和實驗現象還是不甚了解，無法加深對力學理論知識的掌握。

二、當前實驗教學中存在的問題

1.實驗教學課時少。材料力學實驗課時在力學總學時中所占比例較低，學生絕大多數時間在學習理論知識，而實踐是檢驗真理的唯一標準，學生通過在材料力學實驗過程中積極動腦動手操作儀器，不僅可以加深理解力學課程中學到的理論知識，還可以培養學生的實踐能力和創新意識，所以應增加實驗學時。

2.實驗教學針對性不強。材料力學實驗涉及專業多，但是實驗中只采用鑄鐵、低碳鋼材料試件進行試驗，實驗過程中應針對不同專業采用不同材料，如木材專業可以采用木材試件進行試驗，土木專業可以嘗試采用混凝土類材料實驗，林學專業可以采用竹子類材料試驗等，這樣能讓學生將基礎力學與自己所學專業結合起來，更了解自己所學專業材料的力學性能。

3.實驗教學課前預習不充分。學生在做實驗之前會自學《材料力學指導書》，明確實驗目的、設備、原理、步驟和注意事項等，但是學生自學能力有限，不通過教師對實驗內容針對性地講解，學生對實驗設備、操作流程等信息缺少動態認知，導致預習效果不理想，做實驗時學生仍然對實驗內容一知半解。

4.實驗教學設備少而且屬于大型設備。近幾年，高校擴招，學生人數不斷增加，材料力學實驗針對全校二十多個專業的學生，實驗學生眾多，實驗任務繁重，實驗時需要對學生進行分組，每組4—6人，這些學生共用一臺設備，實驗時只有少部分學生在操作，又由于時間限制，導致大部分學生沒有自己完成實驗，直接抄襲其他同學的數據。另外有些實驗設備屬于大型設備，只能由教師演示、學生觀看或者學生操作時教師要一直在旁邊監督，以防出現操作不當，發生危險。

5.實驗教學類型單一。材料力學實驗類型包括：演示型實驗、驗證型實驗、綜合型實驗和設計型實驗等。目前，材料力學實驗以演示型和驗證型實驗為主，整個實驗中，學生處于被動接受的狀態，實驗內容、方案、步驟等都是教師事先準備好的，學生只是按照教師的指導機械地完成實驗操作，學生不要動腦只要動手就行，所以學生做完試驗后對實驗的原理、測試方法都一知半解，不能達到實驗目的，學生獨立思考的能力、分析問題解決問題的能力、創新能力等都沒有得到提升。

三、實驗教學改革

1.重視材料力學實驗教學。材料力學是一門應用型專業基礎課，教師和學生都要轉變觀念，不能認為實驗教學是理論教學的附屬，增加實驗學時，實驗建立單獨考核機制。目前，實驗考核以實驗報告冊填寫情況為主，這樣的考核機制并不能考核學生對實驗理論及測試設備方法的掌握情況、學生動手操作能力、分析實驗現象的能力等。考核時要重視對學生參與實驗的過程進行評價，實驗課時增加，學生有足夠時間獨立完成實驗，教師可以多設置設計型和綜合型實驗，然后還根據實驗完成情況考核學生。

2.制作微課用于實驗教學。微課是指按照教學要求，以多媒體為載體，記錄教師在課堂內外教育教學過程中圍繞某個知識點或教學環節而開展的教學活動。實驗教學前學生只通過指導書預習，書本中只能看到實驗設備的圖片，只能對實驗設備有大致了解，但是沒辦法對實驗設備進行深入了解；對于實驗設備的操作更是不甚了解，每次實驗之前，實驗教師都要花費大量的時間講解實驗操作步驟和注意事項。

教師針對材料力學實驗的實驗目的、設備、操作步驟和實驗注意事項，錄制教學視頻，做成實驗教學微課。學生預習時可以觀看視頻，學生可以根據自己的理解能力反復觀看，通過視頻學生可以對實驗設備加深感性認識，熟悉實驗操作步驟，這樣可以節約學生熟悉設備的時間，增加學生動手操作的時間，提高學生動手能力。學生進入實驗室后，可以根據微課內容快速進入實驗角色，向實驗老師提問觀看微課時遇到的問題，發現問題、思考問題、解決問題，增強學生的探索精神及解決問題的能力。

3.虛擬仿真用于實驗教學。材料力學實驗設備大多屬于大型設備，大型設備昂貴，實驗室資金不足，所采購設備有限，學生實驗時間是固定的，所以學生操作不熟練時實驗時間會延長，這將導致大部分學生沒有操作的機會。另外，操作大型實驗設備時要考慮安全及操作要求，學生必須嚴格按要求進行操作，學生實驗時小心謹慎必將延長實驗時間。

虛擬仿真實驗是通過計算機仿真實驗設備操作過程，以及對實驗結果進行數據處理和誤差分析。實驗教學前，學生先進行虛擬仿真實驗然后再進行真實實驗。虛擬仿真實驗時，可以實時反映實驗過程，隨時停機觀察實驗現象，這樣不僅可以逼真地仿真各種操作，而且可以提高學生的學習興趣；可以提高學生對實驗設備的操作熟練程度，提高實驗效率；可以允許學生操作過程中出現錯誤，以便觀察誤操作帶來的現象，而不會造成實驗設備損壞和實驗試件的浪費。

4.有限元仿真用于實驗教學。針對目前材料力學實驗教學類型單一、內容單調，很難激發學生的動手興趣等問題，學生可以利用有限元仿真軟件對材料力學所測試件進行力學仿真，學生根據仿真中的加載方式獨立設計實驗方案，完成實驗目的所需測量的參數，提高學生的動腦能力和動手能力。另外，我們可以根據設計性實驗的難易程度對學生的實驗成績進行考核，這樣有利于提高學生獨立設計實驗的積極性，對學生綜合素質的提高有重大的意義。

四、結束語

現代實驗技術不斷深入實驗教學的各個流程，作為實驗教師不僅應該不斷加強學習現在實驗技術，提高自身水平，還要將這些現代實驗技術運用到實驗教學過程中。在運用現代實驗技術時要因人而異，針對不同的學生，要根據他們的接受能力和知識水平，給予相應的指導，以便學生都能對實驗內容產生興趣，更好地完成實驗教學，學生的綜合素質也得到相應的提高，使他們成為能獨立思考、勇于創新實踐的高素質人才。

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