顧愛軍 楊小令 梁金棟

摘要：為解決材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)與理論教學(xué)不同步而引起的脫節(jié)問題，提出將材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)引進(jìn)課堂的策略。研制了一種小型輕便的材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，便于教師隨堂帶入教室進(jìn)行課堂實(shí)驗(yàn)演示，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)驗(yàn)同步。試驗(yàn)機(jī)以小型、便攜為其控制目標(biāo)，采用組合式設(shè)計(jì)，具備常用的實(shí)驗(yàn)功能。試驗(yàn)機(jī)的研制需充分掌握材料力學(xué)基本知識(shí)，熟悉力學(xué)測試原理，了解機(jī)械、電子等交叉學(xué)科，是很好的大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練課題。學(xué)生參與其中能夠加深對所學(xué)知識(shí)的理解，拓寬知識(shí)面，提高創(chuàng)新和動(dòng)手能力。實(shí)踐證明：這種學(xué)生參與的“實(shí)驗(yàn)進(jìn)課堂”教改模式對類似工科課程教學(xué)具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：材料力學(xué);課堂實(shí)驗(yàn);小型試驗(yàn)機(jī);大學(xué)生科技創(chuàng)新

中圖分類號(hào)：TU502+.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2909（2019）02-0112-06

材料力學(xué)的研究方法包括理論分析和實(shí)驗(yàn)研究兩個(gè)方面，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是材料力學(xué)課程不可或缺的部分。因此各高校對材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)非常重視，并針對傳統(tǒng)教學(xué)模式中可能存在的輕視實(shí)驗(yàn)、被動(dòng)學(xué)習(xí)、缺乏興趣、思維固化等問題，從條件保障[1]、形式改進(jìn)[2-3]、內(nèi)容創(chuàng)新[4]等方面開展了有益嘗試。

材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的各種探索性改革實(shí)踐在學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)等方面取得了一定的成效[5]，然而，在教學(xué)實(shí)踐中，理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)在時(shí)間銜接與內(nèi)容融合等方面仍然存在一些問題，甚至出現(xiàn)脫節(jié)的情況，嚴(yán)重影響教學(xué)效果。

作為專業(yè)基礎(chǔ)課，材料力學(xué)通常在諸多班級中同時(shí)開課。由于學(xué)生人數(shù)眾多，而實(shí)驗(yàn)室只能按接納能力預(yù)約安排實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致多數(shù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)間相對滯后，即在理論教學(xué)后很長一段時(shí)間才能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，造成了理論教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)脫節(jié)，影響了教學(xué)效果。這一問題普遍存在，其中材料力學(xué)性能測試實(shí)驗(yàn)由于大型萬能試驗(yàn)機(jī)相對較少，矛盾尤為突出。若減少實(shí)驗(yàn)時(shí)間而增加每組人數(shù)，則將出現(xiàn)少數(shù)人做、多數(shù)人看的問題，從而失去實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、分析能力、歸納能力、創(chuàng)造能力方面的優(yōu)勢[6]。此外，很多高校材料力學(xué)課程由理論課教師和實(shí)驗(yàn)課教師分別教授。雖可減輕教師工作強(qiáng)度，發(fā)揮各自專長，但實(shí)施中會(huì)出現(xiàn)由于教師之間溝通不暢，導(dǎo)致理論教學(xué)與實(shí)踐有所偏差等問題[7]。

為此，提出實(shí)驗(yàn)進(jìn)課堂的策略，采用小型可攜帶式試驗(yàn)機(jī)在課堂教學(xué)中同步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，較好地解決了理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)同步的問題。此外，讓學(xué)生全程參與小型試驗(yàn)機(jī)的研制過程，有利于形成更多科技創(chuàng)新課題。

一、總體思路

理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合有利于鍛煉學(xué)生的觀察能力和思維能力，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和求實(shí)精神。國外一些著名高校（如麻省理工學(xué)院）將力學(xué)教學(xué)安排在包含很多實(shí)驗(yàn)設(shè)備的專用教室中，不但實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)踐教學(xué)的同步，也實(shí)現(xiàn)了基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的“研究性教學(xué)”，取得了很好的效果[8]。顯然這種模式需要大量的經(jīng)費(fèi)投入，且班級較多時(shí)同樣存在錯(cuò)時(shí)排課問題，影響教學(xué)進(jìn)程。張娟霞等將數(shù)值試驗(yàn)教學(xué)引入材料力學(xué)課程教學(xué)[9]，利用數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果展現(xiàn)“真實(shí)破壞過程”，使理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)緊密結(jié)合，激發(fā)學(xué)生的興趣。有的高校利用事先錄制好的實(shí)驗(yàn)視頻作為同步輔助教學(xué)的手段，也有的學(xué)校開發(fā)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室作為學(xué)生及時(shí)練習(xí)的平臺(tái)[10]。這些方法為解決上述矛盾提供了很好的思路，但這些虛擬方法顯然難以達(dá)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)“探索未知現(xiàn)象”的效果。

將大型實(shí)驗(yàn)小型化，研制可隨意組合的小型多功能試驗(yàn)機(jī)，由教師隨堂帶進(jìn)教室，可以很好地解決這些問題。課堂實(shí)驗(yàn)只是作為輔助理論教學(xué)的一種教學(xué)方式，因此，后續(xù)預(yù)約實(shí)驗(yàn)在時(shí)間上可更加寬松，學(xué)生對儀器操作更容易上手。小型試驗(yàn)機(jī)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果必然超過播放實(shí)驗(yàn)視頻，實(shí)驗(yàn)進(jìn)課堂也必定是今后類似課程的發(fā)展趨勢。

為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，需在控制試驗(yàn)機(jī)的外形、尺寸和重量的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)機(jī)的原有功能。其研制過程并非大型試驗(yàn)機(jī)的簡單縮小，需要對其空間和功能進(jìn)行合理布置和重新設(shè)計(jì)。小型試驗(yàn)機(jī)的研制需要掌握力學(xué)知識(shí)，涉及機(jī)械、電子等交叉學(xué)科，對于工科在校大學(xué)生而言，只要進(jìn)行適當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)和研究即可勝任，是很好的研究性學(xué)習(xí)內(nèi)容和科技創(chuàng)新活動(dòng)課題。讓學(xué)生參與課題的意義不僅在于研制的最后結(jié)果，更為重要的是這種學(xué)生參與“實(shí)驗(yàn)進(jìn)課堂”的教學(xué)模式將為工科專業(yè)類似問題的解決提供一種全新的思路。

二、小型材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)的研制

該課題的核心是小型可攜帶式試驗(yàn)機(jī)的研制，其總體控制目標(biāo)是總重量，必須一人可提，便于攜帶，在此基礎(chǔ)上對其結(jié)構(gòu)形式、量程以及被測材料和試件等進(jìn)行設(shè)計(jì)和改造，使其能夠勝任常規(guī)材料力學(xué)性能測試的課堂教學(xué)演示。

（一）小型試驗(yàn)機(jī)現(xiàn)狀

常見的金屬材料萬能試驗(yàn)機(jī)主要有液壓系列和電子系列兩種。液壓系列以高壓油作為動(dòng)力源，適用于大噸位試驗(yàn)機(jī);電子系列以伺服電機(jī)作為動(dòng)力源，絲杠、絲母作為執(zhí)行部件，可用于小型試驗(yàn)機(jī)[11]。目前廠家所生產(chǎn)的小型試驗(yàn)機(jī)多用于特殊的材料性能測試，如稀有金屬、貴金屬和合金等材料研究，事故零件斷口附近機(jī)械性能研究等。少數(shù)用于課堂教學(xué)演示的小型試驗(yàn)機(jī)可分為兩類：一類是專為高校小型材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的小型多功能試驗(yàn)機(jī)[12]，這種試驗(yàn)機(jī)功能較為齊全，通常能滿足材料力學(xué)常規(guī)實(shí)驗(yàn)要求，但體積大，質(zhì)量重，整套設(shè)備質(zhì)量通常達(dá)50 kg以上，雖為“小型”，但并不方便攜帶（圖1a）;另一類為體積小、功能單一的簡易拉伸試驗(yàn)機(jī)（圖1b），其質(zhì)量大約15 kg，基本滿足“便攜”要求，但功能相對簡單，荷載測試單元需要另外配置，多數(shù)未配置位移測試單元。

此外，材料的拉伸試驗(yàn)需要利用荷載-位移曲線（加載曲線）表現(xiàn)材料的力學(xué)性能，而市場上的小型力學(xué)試驗(yàn)機(jī)幾乎都不具備此功能，能夠顯示加載曲線的試驗(yàn)機(jī)均已不在“便攜式”的范圍。

（二）小型試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與改進(jìn)

針對上述矛盾，以具有拉伸、壓縮功能的試驗(yàn)機(jī)為基本構(gòu)架，通過合理的拆卸與互換性設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)彎曲或剪切等多種功能，課堂實(shí)驗(yàn)時(shí)根據(jù)需要選用相應(yīng)功能。通過結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化使其質(zhì)量控制在10 kg以內(nèi)。此外，完善加載、測力、測位移功能，使之完整、精確地表現(xiàn)材料的受力-變形關(guān)系。

試驗(yàn)機(jī)的研制按圖2所示技術(shù)路線展開，根據(jù)測試對象計(jì)算位移與荷載量程，從而確定機(jī)架的總體尺寸，并按強(qiáng)度、剛度計(jì)算確定構(gòu)件形狀和尺寸，加載裝置和測試裝置均按現(xiàn)有試驗(yàn)機(jī)中已有類型進(jìn)行選擇，并作相應(yīng)改進(jìn)。此時(shí)試驗(yàn)機(jī)的重量可以計(jì)算確定，若不能滿足便攜要求，則反向?qū)υ囼?yàn)機(jī)主體尺寸進(jìn)行調(diào)整，并重新確定機(jī)器的量程。最后按量程對試件類型進(jìn)行選擇，包括材料類型、尺寸等，使其破壞過程能夠完整展示，滿足材料力學(xué)性能課堂演示的需要。

（三）大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)

試驗(yàn)機(jī)的研制離不開材料力學(xué)知識(shí)的鋪墊，為此，組織大二學(xué)生開展了大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)?；顒?dòng)著重研制拉伸試驗(yàn)機(jī)，充分利用已有小型試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行改造，研制過程包括選型、驗(yàn)算、改造和改進(jìn)四個(gè)環(huán)節(jié)。

為實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)機(jī)的便攜性，按照輕便優(yōu)先的原則，在已有小型試驗(yàn)機(jī)中選擇購買了某型號(hào)簡易加載架，按上述技術(shù)路線進(jìn)行計(jì)算，將整個(gè)研究過程分為機(jī)架、加載機(jī)構(gòu)、夾頭、力測量、位移測量、試件選擇等小課題，通過分析討論，提出優(yōu)化方案。

（1）試驗(yàn)機(jī)以輕便為主要目標(biāo)，不追求功能齊全，但設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮使結(jié)構(gòu)具有相應(yīng)的組合功能，以便通過簡單拆卸實(shí)現(xiàn)各功能的替換。

（2）利用材料力學(xué)知識(shí)對各部分構(gòu)件進(jìn)行安全計(jì)算，通過尺寸、截面的優(yōu)化降低橫梁、立柱、底板等部件的重量，并從理論上對輕質(zhì)材料進(jìn)行了重量和成本估算。

（3）對加載方法、夾緊機(jī)構(gòu)、測力方法、測位移方法提出優(yōu)選或改進(jìn)方案。如采用手搖絲桿式加載方式，配以光柵尺測位移，采用商用拉壓力傳感器測力，夾頭中部開V型槽使之適用于圓柱形試件等。

（4）提出利用齒輪傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)橫梁雙速升降。非加載情況下快速移動(dòng)，節(jié)約時(shí)間;加載情況下慢速移動(dòng)，穩(wěn)定省力。

通過對簡易加載架的計(jì)算校核，確認(rèn)其具有很高的安全系數(shù)。若試件采用直徑4 mm低碳鋼桿，則將其拉至斷裂所需拉力約為5.0 kN，而原結(jié)構(gòu)所能承受的最大荷載為51 kN。

為此結(jié)合上述方案，設(shè)計(jì)了多功能組合式試驗(yàn)機(jī)如圖3所示，其中試驗(yàn)機(jī)中的夾頭、壓盤、彎曲支座等部件均可按需拆除。

三、課堂使用效果

課堂使用效果主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是提高了材料力學(xué)性能教學(xué)效果;二是豐富了相關(guān)內(nèi)容研究教學(xué)素材。

（一）材料力學(xué)性能教學(xué)效果

材料的力學(xué)性能這部分內(nèi)容具有信息量大、知識(shí)點(diǎn)陌生等特點(diǎn)，若僅靠課堂講述學(xué)習(xí)有一定的難度。利用小型試驗(yàn)機(jī)現(xiàn)場進(jìn)行拉伸破壞試驗(yàn)演示，無論對知識(shí)點(diǎn)的理解還是對試驗(yàn)機(jī)的認(rèn)識(shí)都起到了良好的效果。初步設(shè)計(jì)中尚未加入加載曲線顯示功能，僅有力值和位移值的顯示。但相比于播放實(shí)驗(yàn)視頻，其過程更加靈活生動(dòng)，拉近了實(shí)驗(yàn)與理論教學(xué)的距離，課堂氣氛也更加活躍，達(dá)到了預(yù)期的教學(xué)效果。

為了使力學(xué)教學(xué)更加貼近生活，試驗(yàn)除采用金屬塑性和脆性材料進(jìn)行課堂演示外，還利用生活中常見的塑料板、細(xì)樹枝等材料進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。例如：通過試驗(yàn)學(xué)生明白了看似脆性材料的枯樹枝竟表現(xiàn)出明顯的塑性性質(zhì)。

試驗(yàn)班在講授該內(nèi)容兩周后安排了真正的金屬材料拉伸、壓縮實(shí)驗(yàn)。從實(shí)驗(yàn)過程可以看出，學(xué)生對相關(guān)力學(xué)基本概念有著更清晰的認(rèn)識(shí)，對實(shí)驗(yàn)原理和思路更容易理解，對親手操作電子試驗(yàn)機(jī)也更有興趣。

（二）研究性教學(xué)素材

在試驗(yàn)機(jī)的研制過程中用到了許多材料力學(xué)相關(guān)知識(shí)，如表1所示。因此，設(shè)計(jì)好的試驗(yàn)機(jī)本身也是很好的工程實(shí)例，在材料力學(xué)教學(xué)過程中，一旦講到相關(guān)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，即可以該試驗(yàn)機(jī)為模型進(jìn)行實(shí)例講解，或展開研究性教學(xué)。對小型多功能試驗(yàn)機(jī)的研制不僅只有部分參加科技創(chuàng)新活動(dòng)的學(xué)生參與，也不僅只參加一次，而是讓每一位、每一屆的學(xué)生都可以體驗(yàn)其研制過程。對照實(shí)物進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，更接近工程實(shí)際，學(xué)生也更有興趣。

四、結(jié)語

針對材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)與理論教學(xué)脫節(jié)的問題，通過研制小型可攜帶式試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行“實(shí)驗(yàn)進(jìn)課堂”的探索與實(shí)踐，并作為科技創(chuàng)新訓(xùn)練活動(dòng)鼓勵(lì)大學(xué)生參與研制過程，無論是科創(chuàng)訓(xùn)練過程還是課程教學(xué)脫節(jié)問題都取得了預(yù)期效果。文中所采用的學(xué)生參與的“實(shí)驗(yàn)進(jìn)課堂”教學(xué)模式將有助于理論力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)課程課堂教學(xué)效果的提升，對于其他工科專業(yè)類似問題的解決具有一定的借鑒意義和推廣價(jià)值。

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