自制儀器設(shè)備對(duì)提高基礎(chǔ)力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的探討

廖 斌

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是鞏固和加深理論認(rèn)識(shí)的有效途徑，同時(shí)也是培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)的高素質(zhì)工程技術(shù)人員的重要環(huán)節(jié)[1]。隨著時(shí)代和技術(shù)的不斷進(jìn)步，教育部等有關(guān)部門對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重視程度越發(fā)提高。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)中的操作和觀測(cè)以及實(shí)驗(yàn)后的數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)對(duì)于培養(yǎng)大學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐、分析及解決問(wèn)題、團(tuán)隊(duì)合作等方面能力起著非常重要的促進(jìn)作用[2]。對(duì)于大部分高校而言，實(shí)驗(yàn)室是承擔(dān)大學(xué)生各類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要場(chǎng)所，是增強(qiáng)大學(xué)生素質(zhì)教育的前沿陣地[3]。而實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室的發(fā)展規(guī)劃等因素對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在顯著影響。如何統(tǒng)籌協(xié)調(diào)解決上述問(wèn)題，是目前高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的熱點(diǎn)方向，也是實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的重中之重。

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

1 開(kāi)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(jī)械土木類專業(yè)非常重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。基于該門課程與工程實(shí)際密切相關(guān)的特性，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是材料力學(xué)課程教學(xué)的重要環(huán)節(jié)。通過(guò)軸向拉伸壓縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲正應(yīng)力測(cè)定以及彎扭組合應(yīng)力測(cè)定等基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，大學(xué)生能熟悉常見(jiàn)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(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)、操作、觀測(cè)以及數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，大學(xué)生能鞏固課堂所學(xué)知識(shí)、增強(qiáng)發(fā)現(xiàn)解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力、提高自身的工程素質(zhì)。下面就開(kāi)展材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的儀器設(shè)備存在的一些問(wèn)題來(lái)闡述開(kāi)展自制儀器設(shè)備的必要性。

1.1 儀器設(shè)備臺(tái)套數(shù)偏少、部分陳舊

由于高校的連年擴(kuò)招，大學(xué)生數(shù)量明顯增加。常規(guī)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)費(fèi)投入難以跟上擴(kuò)招形勢(shì)下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，使得實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備臺(tái)套數(shù)不足的問(wèn)題突顯而出，更是難以滿足本科評(píng)估以及工程認(rèn)證對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備臺(tái)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(dá)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(guò)多使得只有少部分學(xué)生能動(dòng)手操作，降低了其他同學(xué)的實(shí)驗(yàn)熱情，進(jìn)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(tái)套數(shù)偏少的情況下我們難以達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

另外，實(shí)驗(yàn)室的儀器設(shè)備還存在部分陳舊的問(wèn)題。例如，承擔(dān)軸向拉伸壓縮實(shí)驗(yàn)任務(wù)的液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)生產(chǎn)于1989年。雖然儀器設(shè)備整體運(yùn)行正常，但沒(méi)有配備計(jì)算機(jī)以及電動(dòng)輔助手段，操作過(guò)程相對(duì)煩瑣。而生產(chǎn)于2003年的純彎曲梁實(shí)驗(yàn)裝置由于加載手輪絲杠打滑以及傳感器的靈敏度問(wèn)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(shí)驗(yàn)興趣。再者，實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備陳舊易頻繁引發(fā)故障，使得實(shí)驗(yàn)教師上課時(shí)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(lái)的一系列問(wèn)題，不僅影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，還對(duì)實(shí)驗(yàn)教師的教學(xué)質(zhì)量帶來(lái)負(fù)面影響。

1.2 儀器設(shè)備維修困難

對(duì)于存在陳舊儀器設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室而言，維修困難一直是老大難問(wèn)題。筆者主要分以下四方面闡述。一是儀器設(shè)備保修說(shuō)明書(shū)保存不當(dāng)或者過(guò)于簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員難以采用正確措施予以維修；二是實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備維修涉及的知識(shí)范圍較廣，使得大多數(shù)維修只是臨時(shí)補(bǔ)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(fèi)用較高，將耗費(fèi)實(shí)驗(yàn)室有限經(jīng)費(fèi)的大部分。上述維修困難問(wèn)題使得實(shí)驗(yàn)室管理存在諸多不便，同時(shí)耗費(fèi)了實(shí)驗(yàn)技人員大量的時(shí)間和精力。雖然實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員在陳舊儀器設(shè)備維修過(guò)程中鍛煉了動(dòng)手能力，也提高了維修水平。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展來(lái)看，實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員沒(méi)有多余的時(shí)間和精力去從事先進(jìn)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(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的促進(jìn)作用

針對(duì)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備面臨的種種問(wèn)題，同時(shí)為滿足時(shí)代發(fā)展和高等教育的需求，實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革是擺在實(shí)驗(yàn)教師以及技術(shù)人員面前的一項(xiàng)較為緊迫的任務(wù)。通過(guò)思索、討論與實(shí)踐，我們認(rèn)為通過(guò)自制儀器設(shè)備不僅是緩解當(dāng)前臺(tái)套數(shù)偏少、部分陳舊、維修困難等問(wèn)題的有效途徑，同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)也起到了明顯的促進(jìn)作用。

2.1 緩解儀器設(shè)備臺(tái)套數(shù)不足問(wèn)題

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

圖1 基礎(chǔ)力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)裝置

2.2 解決儀器設(shè)備維修困難問(wèn)題

實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備陳舊、維修困難制約實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步發(fā)展，同時(shí)也在一定程度上限制了實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員自身水平的提高。通過(guò)自制儀器設(shè)備可以較好地解決以上問(wèn)題。首先，實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員對(duì)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(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題，技術(shù)人員能快速判定故障原因，及時(shí)修復(fù)，保證儀器設(shè)備后續(xù)的正常運(yùn)行。這樣對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的影響較小，有利于教師維持教學(xué)秩序，并且對(duì)實(shí)驗(yàn)室的管理也起到積極的推動(dòng)作用。其次，通過(guò)自制儀器設(shè)備可以提高實(shí)驗(yàn)教師及技術(shù)人員的學(xué)識(shí)水平和動(dòng)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(shí)驗(yàn)教師及技術(shù)人員職稱晉升以及崗位評(píng)定。在自制儀器設(shè)備良性的推動(dòng)作用下，調(diào)動(dòng)實(shí)驗(yàn)教師以及技術(shù)人員的工作積極性，有助于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量水平。

2.3 提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量水平

本節(jié)從自制儀器設(shè)備的三個(gè)特性來(lái)闡述其對(duì)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目來(lái)制定基本的設(shè)計(jì)思路，并可在此基礎(chǔ)上開(kāi)拓思維加入其他實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)元素。由此制作的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備不僅具有適用性強(qiáng)，功能多樣的特性，還可通過(guò)簡(jiǎn)單的調(diào)整設(shè)置即能實(shí)現(xiàn)不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的操作。例如，圖1 中的基礎(chǔ)力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)裝置能實(shí)現(xiàn)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中的彈性常數(shù)E（彈性模量）和（泊松比）測(cè)定、偏心拉伸應(yīng)力測(cè)定以及斜彎曲下梁的中性軸位置測(cè)定等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。以上項(xiàng)目對(duì)力學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目給予有效補(bǔ)充，這樣既能進(jìn)一步滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，還可為實(shí)驗(yàn)力學(xué)競(jìng)賽的準(zhǔn)備工作提供操作平臺(tái)。另外，在實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的制作過(guò)程中，大學(xué)生通過(guò)參與實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、零件圖繪制、儀器儀表選型、安裝調(diào)試、設(shè)置運(yùn)行、編寫實(shí)驗(yàn)說(shuō)明書(shū)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(shí)與工程實(shí)際進(jìn)行較為深入的融合。這樣對(duì)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(píng)。

2.3.2 自制儀器設(shè)備的直觀性

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是鞏固課堂知識(shí)的有效手段，而實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備則承擔(dān)著將書(shū)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(shí)的任務(wù)。由此看出，實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的直觀性對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量水平有著明顯的促進(jìn)作用。現(xiàn)有市場(chǎng)上流通的實(shí)驗(yàn)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(yùn)行原理的直觀性較差，學(xué)生難以從實(shí)驗(yàn)中獲得對(duì)課堂知識(shí)更為深入的理解。反觀自制儀器設(shè)備，首先從方案設(shè)計(jì)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(yùn)行調(diào)試過(guò)程中，大學(xué)生、實(shí)驗(yàn)教師與技術(shù)人員均能參與進(jìn)來(lái)，在相互學(xué)習(xí)討論、實(shí)踐操作過(guò)程中，自制儀器設(shè)備的直觀性優(yōu)點(diǎn)顯露無(wú)遺。由此，學(xué)生能加深對(duì)儀器設(shè)備運(yùn)行原理的理解，鞏固對(duì)課堂知識(shí)的掌握，甚至可以拓展思路，對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，加入更多的功能，實(shí)現(xiàn)更高的精度。在這種良性推動(dòng)作用下，實(shí)驗(yàn)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(jì)性

實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備專用性較強(qiáng)，又屬于較先進(jìn)的技術(shù)產(chǎn)品，市場(chǎng)的流通量較小，只有高校、研究所等少數(shù)機(jī)構(gòu)單位有購(gòu)置需求。在這種形勢(shì)下，現(xiàn)有市場(chǎng)上流通的高校教學(xué)用實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的普遍價(jià)格偏高。在教學(xué)用實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備資金較為短缺的形勢(shì)下，自制儀器設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)點(diǎn)突顯出來(lái)，通過(guò)自制儀器設(shè)備來(lái)解決經(jīng)濟(jì)上的問(wèn)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(shí)驗(yàn)裝置為例，通過(guò)購(gòu)買鋁合金型材、荷載傳感器、絲杠[4]、夾具[5]、加工實(shí)驗(yàn)耗材等費(fèi)用合計(jì)不超過(guò)五千元，卻實(shí)現(xiàn)了市場(chǎng)上動(dòng)輒數(shù)萬(wàn)元實(shí)驗(yàn)裝置的功能。通過(guò)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(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)課建設(shè)項(xiàng)目以及大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目等，對(duì)整個(gè)學(xué)校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量水平起到積極的推動(dòng)作用。

3 結(jié)語(yǔ)

基于材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以自制儀器設(shè)備為解決途徑，探討了此方法對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的促進(jìn)作用。具體從功能多樣性、直觀性和經(jīng)濟(jì)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(shí)驗(yàn)室臺(tái)套數(shù)偏少、部分陳舊，維修困難，經(jīng)費(fèi)偏少等問(wèn)題，有助于維持教學(xué)秩序和實(shí)驗(yàn)室管理。通過(guò)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(shí)與工程實(shí)際進(jìn)行較為深入的融合。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)教師及技術(shù)人員能提高自身的學(xué)識(shí)水平、激發(fā)自身的科研興趣、調(diào)動(dòng)自身的工作積極性。在對(duì)實(shí)驗(yàn)教師及技術(shù)人員和大學(xué)生均具有良性推動(dòng)作用下，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量水平也起到了明顯的促進(jìn)作用。