應變電測法實驗教學學習考試平臺研發

楊宗衛　彭莉　楊航　梁經緯　張涵宇　唐穎　張曉陽

【摘要】應變電測實驗能有效培養學生動手和探究能力，同時需要學生具有豐富的知識儲備，在高校材料力學教學中具有重要地位。該線上實驗教學學習考試平臺以實驗前的預習準備、實驗中的實操練習、實驗末的檢驗考核、實驗后的研討交流四大功能為抓手，實現了教學過程趣味化，考核過程公平化，學習資源整合化。因此，教育部“新工科”建設為應變電測法實驗教學指明了首要任務，并結合在本次新冠肺炎疫情期間的網絡教學背景下，應變電測法實驗教學學習考試平臺的研發與應用對未來科技創新領軍人才和高素質綜合人才的戰略性培養更具重要意義。

【關鍵詞】應變電測法? 線上學習平臺? 材料力學實驗? 教學改革? 新工科

【基金項目】本文獲得了南華大學大學生創新創業訓練計劃項目“電測法實驗教學學習考試平臺開發”（編號：X202010 555369）、南華大學教學改革研究項目“力學實驗教學提質升級”（編號：2019YB-XJG18）、南華大學虛擬仿真實驗教學項目“應變電測法虛擬仿真實驗教學項目”（編號：000900009038）資助。

【中圖分類號】G64? 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2021）07-0028-02

1.引言

2017年2月，教育部大力推動新工科[1]建設，提出新形勢下高校教育和人才培養的目標與方向。為響應教育部新工科建設的號召，南華大學積極謀劃工程教育新發展，各學科積極開展教育教學改革。材料力學實驗是培養工科學生研究與實踐創新能力的重要課程，因此，應用于材料力學實驗教學的應變電測法學習考試平臺的研發對未來科技創新領軍人才的前瞻性和戰略性培養具有重要的意義。

對工科生而言，應變電測實驗是材料力學課程首個與工程實踐相關的實驗 [2]。該實驗既考查學生對于電工原理、力學等諸多方面的理論知識的掌握[3]，又要求學生具備一定的動手能力和創新能力。北方民族大學湯占岐等完成了電測法應用于材料力學實驗中的教學實踐[4]，更是檢驗了電測法在高校教學中的重要性與實用性。

“互聯網+教育”為代表的網絡實驗平臺具易操作性與經濟性等顯著優勢，國內外對力學仿真實驗的研制與實踐已初見成效[5]。中北大學謝占魁等對于基礎力學實驗教學網絡平臺建設的研究[6]，揭示了網絡平臺建設的內涵與策略，可為實驗網絡平臺建設提供借鑒。合肥工業大學卞步喜等關于純彎曲電測實驗的研究[7]已在其學校推廣并獲得廣泛好評，但其平臺局限于對線下實驗的簡易仿真。山東煙臺大學曲淑英等完成了力學仿真實驗教學中心資源建設[8]，形成了龐大的仿真虛擬實驗教學網絡，為今后的發展方向點起了一盞明燈。

南華大學力學實驗教學采用單一的線下教學模式，存在著許多問題，如學習資源零碎，學習資料質量良莠不齊，大部分同學簡單模仿老師，學習效果普遍欠佳，過程化考核難以實現，課程考核的公平性與準確性有待提高。

本項目針對上述普遍問題，基于互聯網技術，研發出集預習、練習、交流和考試等多種功能為一體的電測法實驗教學學習考試平臺。此平臺將服務于實踐型人才培養與創新型人才選拔，服務社會的工程人員學習深造，本項目為應對新一輪科技革命與產業變革的人才培養具有重要意義。

2.平臺搭建

該平臺建設時，首先進行需求分析，開發者主要以南華大學理工科師生為對象，搜集了實驗教學過程中存在的問題且對該平臺服務對象進行需求調查。通過匯總調查結果，開發者對平臺進行初步設計，確定了該平臺的兩大基礎構架：網絡學習資源庫及習題庫。明確了該平臺需具有的四大功能：實驗前的預習準備、實驗中的實操練習、實驗末的檢驗考核、實驗后的研討交流，如圖1所示。在之后的平臺研發過程中，開發者通過查找網絡和書籍資料編寫整理出一套較為完整的題庫，并在線下錄制了實驗正確示范及錯誤操作的視頻，以客觀題形式填充進題庫中。網絡學習資源庫中，開發者參考了實驗指導書、各類力學實驗相關文獻、材料力學相關書籍及力學競賽中實驗相關題目，以及各類力學實驗在生活中應用、力學競賽實驗題講解及本校老師講解實驗原理等內容的視頻，使該平臺的功能更完善，并滿足不同學生的需求。在平臺測試階段，開發者邀請專家、師生、管理人員等試用該平臺，匯總該平臺在實際使用中存在的問題以及使用該平臺后的用戶反饋，進而對平臺加以完善。在平臺投入使用后，開發者將根據實際使用情況分定期和不定期維護平臺，并實時更新平臺資源與功能。

2.1線上模擬實驗

對于南華大學目前所擁有的電測實驗室與實驗設備進行了環境考察、實物拍攝與分析記錄，依靠虛擬現實（VR）中的三維建模技術，利用三維建模軟件構建一個1∶1高還原度的虛擬仿真材料力學電測實驗室場景，如圖2所示;在三維仿真實驗場景中，可以實現視角控制、視野轉換、參數改變、實驗設備模型操作等功能，給予學生一個打破時空局限的實驗環境。采用大數據分析技術與實驗數據預調處理，提供了高自由度與完整度的可視化數據實驗，具有儀器解析、實驗步驟引導和錯誤警示等功能。學生可根據規范完成實驗并自主創新試驗不同的操作與數據，得到不同的結果，不僅確保了仿真實驗的真實性，還達到了實驗的多樣性，培養了學生思維的活躍性。

2.2線上學習資源庫

圍繞實驗課程組建了高質量、高契合度的教育學習資源庫，采用云存儲技術，將搜集分類整合后的文本資源、圖形圖像資源、動畫資源、聲音資源與視頻資源等實驗相關學習資源存放在自主構建的資源庫中。資源庫的建設，拓寬了學生對實驗學習渠道的選擇。對于理論學習，學生不僅可以觀看MOOC等網絡平臺的課程，也能選擇本平臺的視頻資源進行學習。實驗演示方面，設立了五大分區并對應錄制了視頻：實驗流程、分步演示、細節處理、錯誤示范和成果展示，給予學生個性化、智能化指導，并滿足其在不同情況下對實驗學習的需求。

2.3線上考核中心

平臺設立了線上考核模塊，包括習題練習、綜合測試與成績統計三部分。根據實驗內容與特點，主要按照實驗目的、儀器設備、基本概念、原理、方法、技能、注意事項、數據處理和實際應用等方面進行設計編寫習題并提供對應的解析。在學習電測實驗的過程中，學生可以在習題庫中選擇練習內容，根據需求進行練習，發現與彌補自身不足。課程預習結束后，將進行綜合測試。系統自動生成試卷，提交答案即可自動評分，答卷最終交由老師點評，老師根據每個學生的情況給予學習建議，使自主學習效果最大化。

2.4線上交流互動

論壇的發展隨網絡如雨后春筍般地壯大，幾乎涵蓋了人們生活的各個方面。論壇就其專業性可分為綜合類、專題類。

就綜合類而言，我們設置一個總的交流平臺，供師生就各種各式問題進行廣泛交互，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與問題的解決。

就專題類而言，我們設置了每個視頻、作業下對應的評論區;各用戶獨立的聊天窗口;此類評論區互相獨立，利于消息的整合與搜集，更具針對性。

2.5視頻錄制

第一步，需備好實驗所需器材、設備及其軟件（如Adobe公司的Premiere CC 2017、電測法實驗教學平臺等）。

第二步，將實驗所需器材擺好，陳列于桌上，并通過軟件對其下方進行標注。

第三步，開始實驗過程的錄制。其中包括錯誤示范、正確操作等，主要分為仿真操作與實際操作兩部分。

（1）仿真操作流程如下：

錄制本實驗平臺的教學操作，介紹本實驗平臺的基本模塊（如資料模塊、仿真模塊、進階模塊等）使學生進一步了解本實驗平臺，并引導學生了解并學會使用仿真實驗部分，通過其生動有趣的仿真互動，為接下來的實際操作打下鋪墊。

（2）實際操作流程如下：

①準備好實驗器材，如貼片設備、焊錫設備、磨面設備、測量設備等;②測量矩形截面梁的各個尺寸，預熱電阻應變儀、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。將應變片與貼片依次貼至打磨面上;⑥焊接。將應變片的引腳焊接在貼片上;⑦測量。焊接好后使用萬用表打至歐姆檔對應變片進行測量（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，各應變片按半橋接法接到電阻應變儀的所選通道上;⑨調平。逐一調節各通道的電橋平衡;⑩搖動多用電測實驗臺的加載機構，采用等量逐級加載（可取△F= 1kN ）。每增加一級載荷，分別讀出各電阻應變片的應變值，并記錄實驗數據。{11}{11}整理儀器，結束實驗。

第四步，進行理論知識講解的錄制，其中包括應變電測法的原理、材料力學相關知識、注意事項等。

第五步，視頻后期（如字幕、后期配音、開頭與結尾等）。

第六步，視頻環節完成。

3.成果

（1）在材料力學電測實驗中，通過建立實驗平臺和數據庫，實現了線上與線下相結合的新型學習模式。

（2）學生通過使用此學習平臺，實驗成績顯著提高，且層次梯度分明，整體優秀率從12%提升到了39%，形成了一種良性的競爭氛圍。

（3）方便了老師管理學生的學習，監督學生的預習練習以及還可在網上直接進行考試，檢驗學生學習成果，順應了互聯網+的時代潮流。

（4）激發了學生的學習興趣，使得學生的綜合素質提高，在各類競賽中也相較于以前積極性更高且成績突出，獲得校級以上獎項也從參與人數的5%上升到了18%。

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

4.結論

本文論述了以電測法實驗教學學習考試平臺研發為對象的設想、構思到研發再到使用情況的整個過程，實現了從無到有，從零到一的本質飛躍，有助于為國家培養一大批“人格健全、基礎扎實、能力突出、素質全面”的創新型人才，進一步彰顯“勤勉務實、甘于奉獻、剛健自強、敢為人先”的學校精神，對于“雙一流”的建設和高素質綜合人才的培養具有重要意義。

參考文獻：

[1]吳巖.新工科：高等工程教育的未來——對高等教育未來的戰略思考[J].高等工程教育研究，2018（6）：1-3.

[2]鄭艷，羊海林.在材料力學實驗教學中運用電測法的體會[J].科教導刊（上旬刊），2016（2）：114-115.

[3]郭王霞，姜久超.材料力學中電測實驗的實踐與探索[J].河北大學學報（自然科學版），1999（S1）：71-74.

[4]湯占岐，武美先，侯亭波，趙濤.電測法應用于材料力學實驗中的教學實踐[J].教育教學論壇，2018（48）：115-116.

[5]李霞.材料力學虛擬仿真實驗系統的開發[J].實驗技術與管理，2016，33（12）：125-127.

[6]謝占魁，李艷輝，謝銳.淺議基礎力學實驗教學網絡平臺建設[J].中北大學學報，2008（24）：57-58，61.

[7]卞步喜，夏晶，鐘文龍.材料力學純彎梁電測仿真實驗研制與實踐[J].中國新技術新產品，2010（16）：34.

[8]曲淑英，周志新，吳江龍等.工程力學虛擬仿真實驗教學中心資源建設[J].實驗室研究與探索，2017，36（12）：172-175.

作者簡介：

楊宗衛（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，湖南寧鄉人，本科在讀。

梁經緯（2000年-），男，廣東珠海人，本科在讀。

張涵宇（1999年-），女，內蒙古阿拉善盟人，本科在讀。

唐穎（1989年-），女，湖南祁東人，本科。

張曉陽（1988年-），男，湖南祁東人，博士。