現(xiàn)代技術(shù)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(zhì)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(jié)合現(xiàn)代實驗技術(shù)，對實驗教學進行改革，這樣有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和動手能力。

關(guān)鍵詞：材料力學實驗；現(xiàn)代實驗技術(shù)；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(huán)節(jié)，通過實驗教學有助于提高學生對理論教學內(nèi)容的理解；有助于學生掌握實驗測試方法、設(shè)備、軟件等；在此基礎(chǔ)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(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，涉及行業(yè)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(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新意識有非常重要的作用。

目前，大多數(shù)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(nèi)容、實驗設(shè)備、實驗流程以及注意事項；（2）學生完成實驗；（3）學生記錄數(shù)據(jù)，整理實驗數(shù)據(jù)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(shè)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(xiàn)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(shù)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(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)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(yè)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(yè)采用不同材料，如木材專業(yè)可以采用木材試件進行試驗，土木專業(yè)可以嘗試采用混凝土類材料實驗，林學專業(yè)可以采用竹子類材料試驗等，這樣能讓學生將基礎(chǔ)力學與自己所學專業(yè)結(jié)合起來，更了解自己所學專業(yè)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(shè)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(nèi)容針對性地講解，學生對實驗設(shè)備、操作流程等信息缺少動態(tài)認知，導致預習效果不理想，做實驗時學生仍然對實驗內(nèi)容一知半解。

4.實驗教學設(shè)備少而且屬于大型設(shè)備。近幾年，高校擴招，學生人數(shù)不斷增加，材料力學實驗針對全校二十多個專業(yè)的學生，實驗學生眾多，實驗任務(wù)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(shè)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(shù)據(jù)。另外有些實驗設(shè)備屬于大型設(shè)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(jiān)督，以防出現(xiàn)操作不當，發(fā)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(shè)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(tài)，實驗內(nèi)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(chuàng)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(yè)基礎(chǔ)課，教師和學生都要轉(zhuǎn)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(shè)備方法的掌握情況、學生動手操作能力、分析實驗現(xiàn)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(shè)置設(shè)計型和綜合型實驗，然后還根據(jù)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(nèi)外教育教學過程中圍繞某個知識點或教學環(huán)節(jié)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(shè)備的圖片，只能對實驗設(shè)備有大致了解，但是沒辦法對實驗設(shè)備進行深入了解；對于實驗設(shè)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(shè)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(jù)自己的理解能力反復觀看，通過視頻學生可以對實驗設(shè)備加深感性認識，熟悉實驗操作步驟，這樣可以節(jié)約學生熟悉設(shè)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(jù)微課內(nèi)容快速進入實驗角色，向?qū)嶒灷蠋熖釂栍^看微課時遇到的問題，發(fā)現(xiàn)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(shè)備大多屬于大型設(shè)備，大型設(shè)備昂貴，實驗室資金不足，所采購設(shè)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(shè)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(shè)備操作過程，以及對實驗結(jié)果進行數(shù)據(jù)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(xiàn)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(shè)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(xiàn)錯誤，以便觀察誤操作帶來的現(xiàn)象，而不會造成實驗設(shè)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(nèi)容單調(diào)，很難激發(fā)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(jù)仿真中的加載方式獨立設(shè)計實驗方案，完成實驗目的所需測量的參數(shù)，提高學生的動腦能力和動手能力。另外，我們可以根據(jù)設(shè)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(shè)計實驗的積極性，對學生綜合素質(zhì)的提高有重大的意義。

四、結(jié)束語

現(xiàn)代實驗技術(shù)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(xiàn)在實驗技術(shù)，提高自身水平，還要將這些現(xiàn)代實驗技術(shù)運用到實驗教學過程中。在運用現(xiàn)代實驗技術(shù)時要因人而異，針對不同的學生，要根據(jù)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(nèi)容產(chǎn)生興趣，更好地完成實驗教學，學生的綜合素質(zhì)也得到相應的提高，使他們成為能獨立思考、勇于創(chuàng)新實踐的高素質(zhì)人才。

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