基于“互聯網+”的材料力學實驗教學改革與探索

楊孟杰

摘要：針對材料力學實驗課程存在教師講授時間長、內容難度大、教學過程難于控制等問題，本文在材料力學實驗教學中引入互聯網技術，通過將材料力學實驗錄制成微視頻，解決教師講授時間長，學生實操時間短的問題;引入有限元技術使實驗結果直觀化和形象化，便于學生理解物體受力狀況;采取全過程考核方式培養學生綜合素質，提高教學質量，培養創新能力，達到全面提升材料力學實驗教學效率的目的。

關鍵詞：互聯網+? ?材料力學? ?實驗教學

材料力學是高等教育工科專業重要的專業基礎課，在教學安排中具有承前啟后的重要作用，其理論廣泛應用于工程結構的設計中。材料力學實驗是材料力學課程的重要組成部分，通過實驗教學可以幫助學生理解和掌握材料力學的基本概念和理論，并在學生學以致用、創新能力培養方面具有不可替代的作用。

工程力學之父鐵摩辛柯曾說過：“理論分析和實驗結果在材料力學研究中具有同等重要的地位，材料力學的歷史是理論和實驗二者最好的融合。”由于大學擴招，所以學生急劇增加，實驗設備不足且陳舊等問題，導致實驗小組人數增多，學生只能走馬觀花式聽教師講課，更有甚者來混課。針對目前教學模式存在的問題，桂林電子科技大學引入“互聯網+”，通過微視頻、有限元技術和全過程考核方式來提高材料力學的綜合教學質量。

一、傳統材料力學實驗存在的問題

1.教師講授時間長，學生實操時間短

傳統的教學方法以教師講授為主，學生聽課為輔，教師處于主導地位，學生處于從屬地位，無法調動學生學習的積極性。針對材料力學實驗課，教師要花費30分鐘以上時間講授實驗原理、實驗方法、實驗設備操作、實驗結構剖析、實驗中應注意的安全事項等內容，占用了大量的教學時間，導致學生動手操作時間不足。傳統的教學理念使教師認為實驗課是理論課的附庸，只是用來驗證理論課知識，沒有實用性和創新性，實驗課只是理論課的簡單重復，形成了以教師為中心的現象，學生處于被動狀態。

2.實驗內容難度大，學生理解困難

材料力學實驗現象看不到、摸不著，學生只能從實驗儀器上看到上面顯示的數字，不夠生動形象，再加上無法從數據上判讀實驗結果，必須通過公式轉換才能確認，導致學生對實驗存在抵觸心理。彎曲和扭轉實驗需要學生用應變儀組電橋測量，要求學生不僅擁有扎實的電學知識，還要具備綜合分析能力，導致部分學生無從下手，不能獨立完成實驗。

3.考核方式單一，教學過程難于控制

材料力學是工科專業基礎課，學生多，實驗項目多，然而實驗教師人員不足，且以新進教師居多，他們是剛從學校畢業的研究生，具有一定的理論知識，沒有工程實踐經驗。在傳統的實驗教學中，考核以學生的出勤率和實驗報告為基礎，而對實驗報告，教師只關注實驗數據處理結果，很少考查實驗過程的操作，導致一部分學生認為做實驗只是走過場，只要課下抄同學的實驗報告就可以獲得好成績。不僅如此，期末考試主要是理論考核，幾乎沒有涉及實驗知識，無法評價學生的實驗能力和水平。這樣的材料力學實驗課導致學生上課不積極，缺乏主動性和創新性，教師上課累，學生聽課煩，嚴重影響了教學質量。

4.實驗內容與工程實際脫節

隨著科學水平的發展，新理論、新工藝、新方法、新材料不斷涌現，新材料在工程中普遍應用，對材料力學提出了新的教學要求。同時，內容不斷更新，工藝不斷完善，方法層出不窮，導致傳統材料力學實驗內容和方法難以滿足復雜多樣的工程實際需求。如材料的拉伸、壓縮試驗，只進行塑性（ 低碳鋼） 和脆性（鑄鐵）材料實驗，而沒有進行塑料、復合材料、有色金屬材料的實驗，目前這些材料大規模應用在高精尖行業。

材料力學實驗的教學內容多偏重理論數據處理，缺少利用現代技術（有限元）進行科學計算，也很少介紹材料力學實驗怎樣在工程應用實踐中得到應用，學生的感性認識不強，導致學生不能靈活運用所學知識。學生會套用公式計算實驗結果，難以處理工程中復雜多樣的計算問題，導致該課程的教學效果不佳。學生的實驗知識難于解決工程實際問題，造成學生認為材料力學實驗只是一種擺設，只能解決簡單問題，所以對材料力學實驗缺乏興趣。

二、“互聯網+”在材料力學實驗中的應用

1.錄制微視頻，強化課前預習

隨著信息技術的快速發展，微課作為新型課程資源，在國內外掀起熱潮。微課的教學視頻時長一般為5至8分鐘，最長不超過10分鐘，微課以短小的教學視頻為基礎，一個視頻突出幾個知識點，可以反復觀看。由于材料力學實驗知識點少，動手操作內容多，非常適合微課教學模式，教師可以把每個實驗中的實驗原理、實驗重點和難點、實驗中經常遇到的問題錄制成微視頻，然后在上課前和實驗資料一起發給學生，讓學生在課下完成實驗的預習工作，節省了實驗課講解時間，增加了學生實操機會。微視頻能夠很好地解決實驗課堂操作時間過少的問題，調動了學生的學習積極性和主動性，而教師在課堂上主要解答學生在操作過程中提出的疑問，轉變了教師的角色，使學生處于中心地位。

2.采用有限元技術，豐富教學手段

隨著計算機技術的發展，CAE軟件具有圖片清晰、動畫逼真，以及可以隨時停止、隨意倒回、重復演示與不消耗材料等優點，在材料力學實驗教學中得到廣泛應用。CAE軟件能夠生動逼真地展示變形和受力狀況，通過位移云圖和應力云圖很好呈現地物體的受力變化趨勢，加深學生對物體受力過程的理解。

在實驗室計算機中，教師可以利用 NASTRAN軟件對材料力學實驗中一些重點和難點進行數值模擬，以動畫或錄像的形式展示給學生，使他們產生比較直觀的認識，從而加深對知識的掌握，激發學習的興趣。CAE軟件可以展示構件的應力和應變動畫，學生在仿真實驗中可以觀察到位移和受力變化趨勢，明確材料應力與應變之間的關系，加深對理論知識的掌握，增強學生對實驗內容的認識。

3.建立全過程考核方式，提高教學質量

為了提高學生的學習質量，培養學生分析問題、解決問題和團隊合作能力，教師可以采用全過程考核方式，它由三部分組成，如圖1所示。

第一，課前考核，占總成績30%。在實驗前，教師將實驗微視頻和預習檢測題發下去，學生可以利用課外時間進行預習，每個視頻約8分鐘，符合學生的好奇心理，有效解決了教師講授時間過長的問題。根據微視頻內容，教師設置8至10個選擇題用來檢驗學生預習效果，考核不合格者不能參加實驗。

第二，課中考核，占總成績30%。課中考核重點考查學生的動手操作能力和結果預判能力。實驗設計和實驗操作是實驗的核心，要求學生嚴格遵守操作規范，科學地記錄實驗數據，做到實驗數據不造假、不抄襲。實驗數據簡單處理可以判斷實驗的結果正確與否，如果實驗結果不正確，學生可以在課堂上查找問題，當場解決。

第三，課后考核，占總成績40%。課后考核主要考查實驗報告撰寫和演示文稿匯報。學生以實驗內容為主題，按照學校要求的格式提交實驗報告，考查實驗數據處理的準確性、操作規范性、實驗的完整性和報告規范性等方面。教師還可以小組為單位，利用10分鐘左右以演示文稿的形式向實驗教師展示實驗成果，并接受教師5分鐘左右的提問。同時，教師根據學生的表達能力、知識掌握情況、團隊合作能力、現場隨機應變情況評定成績。

三、結語

總而言之，教師采用有限元技術，通過動畫和錄像的形式，可以讓學生對物體受力形式獲得直觀的認識，從而調動學生的學習積極性。教師還可以通過全過程考核方式，培養學生自主學習能力、動手能力和團隊合作能力。

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※本文系桂林電子科技大學校級教改項目：振興本科教育視角下材料力學實驗教學改革與實踐，項目編號：GS202041。

（作者單位：桂林電子科技大學機械電子基礎實驗教學中心）