基于“互聯(lián)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(lián)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(yǎng)學生綜合素質，提高教學質量，培養(yǎng)創(chuàng)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(lián)網+? ?材料力學? ?實驗教學

材料力學是高等教育工科專業(yè)重要的專業(yè)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(chuàng)新能力培養(yǎng)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?！庇捎诖髮W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(lián)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(chuàng)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(tài)。

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(yè)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(yè)的研究生，具有一定的理論知識，沒有工程實踐經驗。在傳統(tǒng)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(chuàng)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(jié)

隨著科學水平的發(fā)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(tǒng)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(guī)模應用在高精尖行業(yè)。

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(lián)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(fā)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(fā)給學生，讓學生在課下完成實驗的預習工作，節(jié)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(fā)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(yōu)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(fā)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(yǎng)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(fā)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(guī)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(guī)范性、實驗的完整性和報告規(guī)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(yǎng)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）