现代技术在材料力学实验教学中的应用

殷红莲 徐守国

摘要：材料力学实验在高校力学教学中占有非常重要的地位，它对学生的综合素质的提高具有非常重要的作用。针对材料力学实验教学中存在的问题，结合现代实验技术，对实验教学进行改革，这样有利于培养学生的创新能力和動手能力。

关键词：材料力学实验；现代实验技术；虚拟仿真；微课

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）15-0277-02

一、引言

实验教学是高等教育中必不可少的重要教学环节，通过实验教学有助于提高学生对理论教学内容的理解；有助于学生掌握实验测试方法、设备、软件等；在此基础上还有助于提高学生自学能力、独立思考能力和科研能力。材料力学是高等院校工科类专业的专业基础课，涉及行业包括机械、土木、材料、航空、航天、电子等。材料力学实验是力学教学的重要组成部分，学生通过实践操作，对培养学生的实践能力和创新意识有非常重要的作用。

目前，大多数高校的材料力学实验教学的实验步骤：（1）教师讲解本次实验的目的、内容、实验设备、实验流程以及注意事项；（2）学生完成实验；（3）学生记录数据，整理实验数据并完成实验报告。在整个实验教学过程中，学生仅仅是按部就班地完成实验，学生初次接触实验设备，操作不熟练，造成实验效果不好，学生做完实验后对于实验原理和实验现象还是不甚了解，无法加深对力学理论知识的掌握。

二、当前实验教学中存在的问题

1.实验教学课时少。材料力学实验课时在力学总学时中所占比例较低，学生绝大多数时间在学习理论知识，而实践是检验真理的唯一标准，学生通过在材料力学实验过程中积极动脑动手操作仪器，不仅可以加深理解力学课程中学到的理论知识，还可以培养学生的实践能力和创新意识，所以应增加实验学时。

2.实验教学针对性不强。材料力学实验涉及专业多，但是实验中只采用铸铁、低碳钢材料试件进行试验，实验过程中应针对不同专业采用不同材料，如木材专业可以采用木材试件进行试验，土木专业可以尝试采用混凝土类材料实验，林学专业可以采用竹子类材料试验等，这样能让学生将基础力学与自己所学专业结合起来，更了解自己所学专业材料的力学性能。

3.实验教学课前预习不充分。学生在做实验之前会自学《材料力学指导书》，明确实验目的、设备、原理、步骤和注意事项等，但是学生自学能力有限，不通过教师对实验内容针对性地讲解，学生对实验设备、操作流程等信息缺少动态认知，导致预习效果不理想，做实验时学生仍然对实验内容一知半解。

4.实验教学设备少而且属于大型设备。近几年，高校扩招，学生人数不断增加，材料力学实验针对全校二十多个专业的学生，实验学生众多，实验任务繁重，实验时需要对学生进行分组，每组4—6人，这些学生共用一台设备，实验时只有少部分学生在操作，又由于时间限制，导致大部分学生没有自己完成实验，直接抄袭其他同学的数据。另外有些实验设备属于大型设备，只能由教师演示、学生观看或者学生操作时教师要一直在旁边监督，以防出现操作不当，发生危险。

5.实验教学类型单一。材料力学实验类型包括：演示型实验、验证型实验、综合型实验和设计型实验等。目前，材料力学实验以演示型和验证型实验为主，整个实验中，学生处于被动接受的状态，实验内容、方案、步骤等都是教师事先准备好的，学生只是按照教师的指导机械地完成实验操作，学生不要动脑只要动手就行，所以学生做完试验后对实验的原理、测试方法都一知半解，不能达到实验目的，学生独立思考的能力、分析问题解决问题的能力、创新能力等都没有得到提升。

三、实验教学改革

1.重视材料力学实验教学。材料力学是一门应用型专业基础课，教师和学生都要转变观念，不能认为实验教学是理论教学的附属，增加实验学时，实验建立单独考核机制。目前，实验考核以实验报告册填写情况为主，这样的考核机制并不能考核学生对实验理论及测试设备方法的掌握情况、学生动手操作能力、分析实验现象的能力等。考核时要重视对学生参与实验的过程进行评价，实验课时增加，学生有足够时间独立完成实验，教师可以多设置设计型和综合型实验，然后还根据实验完成情况考核学生。

2.制作微课用于实验教学。微课是指按照教学要求，以多媒体为载体，记录教师在课堂内外教育教学过程中围绕某个知识点或教学环节而开展的教学活动。实验教学前学生只通过指导书预习，书本中只能看到实验设备的图片，只能对实验设备有大致了解，但是没办法对实验设备进行深入了解；对于实验设备的操作更是不甚了解，每次实验之前，实验教师都要花费大量的时间讲解实验操作步骤和注意事项。

教师针对材料力学实验的实验目的、设备、操作步骤和实验注意事项，录制教学视频，做成实验教学微课。学生预习时可以观看视频，学生可以根据自己的理解能力反复观看，通过视频学生可以对实验设备加深感性认识，熟悉实验操作步骤，这样可以节约学生熟悉设备的时间，增加学生动手操作的时间，提高学生动手能力。学生进入实验室后，可以根据微课内容快速进入实验角色，向实验老师提问观看微课时遇到的问题，发现问题、思考问题、解决问题，增强学生的探索精神及解决问题的能力。

3.虚拟仿真用于实验教学。材料力学实验设备大多属于大型设备，大型设备昂贵，实验室资金不足，所采购设备有限，学生实验时间是固定的，所以学生操作不熟练时实验时间会延长，这将导致大部分学生没有操作的机会。另外，操作大型实验设备时要考虑安全及操作要求，学生必须严格按要求进行操作，学生实验时小心谨慎必将延长实验时间。

虚拟仿真实验是通过计算机仿真实验设备操作过程，以及对实验结果进行数据处理和误差分析。实验教学前，学生先进行虚拟仿真实验然后再进行真实实验。虚拟仿真实验时，可以实时反映实验过程，随时停机观察实验现象，这样不仅可以逼真地仿真各种操作，而且可以提高学生的学习兴趣；可以提高学生对实验设备的操作熟练程度，提高实验效率；可以允许学生操作过程中出现错误，以便观察误操作带来的现象，而不会造成实验设备损坏和实验试件的浪费。

4.有限元仿真用于实验教学。针对目前材料力学实验教学类型单一、内容单调，很难激发学生的动手兴趣等问题，学生可以利用有限元仿真软件对材料力学所测试件进行力学仿真，学生根据仿真中的加载方式独立设计实验方案，完成实验目的所需测量的参数，提高学生的动脑能力和动手能力。另外，我们可以根据设计性实验的难易程度对学生的实验成绩进行考核，这样有利于提高学生独立设计实验的积极性，对学生综合素质的提高有重大的意义。

四、结束语

现代实验技术不断深入实验教学的各个流程，作为实验教师不仅应该不断加强学习现在实验技术，提高自身水平，还要将这些现代实验技术运用到实验教学过程中。在运用现代实验技术时要因人而异，针对不同的学生，要根据他们的接受能力和知识水平，给予相应的指导，以便学生都能对实验内容产生兴趣，更好地完成实验教学，学生的综合素质也得到相应的提高，使他们成为能独立思考、勇于创新实践的高素质人才。

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