趙 辛

（遼寧工業(yè)大學 土木建筑工程學院，遼寧 錦州121001）

0 引言

材料力學作為工科基礎課，對學生的工科專業(yè)課學習起著至關重要的支撐作用.材料力學實驗教學作為材料力學理論課的重要補充部分，也是檢驗理論公式和解決工程問題的依據(jù)［1］.材料力學實驗有助于增強學生對理論知識的理解，驗證了理論課知識點的正確性.通過深入研究實驗原理方法和實驗設備操作的鍛煉，培養(yǎng)了學生理論聯(lián)系實際的實踐能力.然而，當前的材料力學實驗教學模式單一，多為講解演示性教學、受各種原因影響，學生的實驗操作時間嚴重不足，在一定程度上阻礙了實踐能力的培養(yǎng)和創(chuàng)新意識的形成.

1 材料力學實驗改革的意義

高校擴招后，各高校的在校生數(shù)量迅速增多，而實驗室場地及實驗設備并沒有增加，導致在實驗課中能動手操作的機會少，大多數(shù)學生只能觀察老師或者同學操作，以致有的學生對待實驗課程比較敷衍，且實驗報告抄襲現(xiàn)象嚴重，從而影響了實驗課程的授課效果［2］.

傳統(tǒng)的材料力學教學模式、教學方法比較簡單，又因實驗學時較少，教學內容也無法充分展開，這些都制約了學生實踐能力的培養(yǎng).因此，必須對現(xiàn)有的材料力學實驗進行改革，提高材料力學實驗的教學質量.運用虛擬仿真、多媒體教學與傳統(tǒng)實驗相結合的實驗教學改革，能夠提高材料力學實驗的教學效果，增強學生的實驗能力和創(chuàng)新意識.

2 當前材料力學實驗存在的問題

2.1 實驗教學方式單一

目前我校材料力學實驗內容為拉伸與壓縮、扭轉、彎曲、組合變形等驗證性和綜合性實驗.在實驗過程中，主要依靠老師課上講解和指導，學生基本上處于被動接受的狀態(tài)，只是按照老師的演示機械地完成實驗操作，實驗后對實驗原理、實驗方法一知半解，只為單純的取得實驗數(shù)據(jù).這種教學方式限制了學生分析、解決問題能力的提升，教學效果并不好.

2.2 師資力量有限，實驗設備臺/套數(shù)少

高校的擴招后實驗人數(shù)大幅增加.學生只能以分組的形式多人共同完成一個實驗內容，造成每個學生的動手實踐的機會不足，個別學生整個實驗過程都沒有機會操作實驗設備.

2.3 實驗課時減少，對實驗課重視程度減弱

近兩年學校對各個專業(yè)進行課程調整，材料力學課時被不斷削減，已經(jīng)從64個實驗課課時壓縮到56個課時.實驗學時從10個課時減少到6個課時.萬能試驗機等大型設備操作復雜，教師在課堂上的講解理論和操作方法的時間有限，學生在課上很難完全掌握設備使用方法，部分學生無法完成全部實驗.在現(xiàn)有實驗條件和實驗學時下無法達到原有的實驗教學效果.

2.4 彎曲、組合變形等實驗操作復雜

特別是基于電測原理的接線操作，僅僅利用課上時間，學生很難學通、弄懂.導致實驗時學生只是機械的模仿教師操作，教學效果差.

2.5 原有考核方法的問題

現(xiàn)有的實驗教學考核辦法只以學生的出勤率、實驗報告成績兩項作為考核依據(jù)，并不能體現(xiàn)出學生實驗設備操作方面的水平差異.此種考核方式無法評價學生的實驗操作能力，不能夠全面體現(xiàn)學生的實驗水平，限制了學生實踐精神的培養(yǎng).

3 材料力學實驗教學改革內容

針對當前實驗教學中存在的問題，實驗中心進行了教學方式方法的改革.運用虛擬仿真、多媒體教學與傳統(tǒng)實驗教學相結合的方式進行材料力學實驗教學改革，力求做到虛實結合，徹底解決實驗設備不足，實驗學時少、學生動手操作實驗設備時間短等一系列實驗教學問題.

3.1 多媒體授課應用于實驗教學

充分利用多媒體技術展示直觀生動、信息密集、傳播快、范圍廣、可反復播放的特點進行實驗教學，提高了實驗效率，彌補了教學時長和師資力量的不足問題.

隨著多媒體的快速發(fā)展，教學視頻作為新的教學資源形式，在各高校內廣泛應用.教學視頻可以反復觀看，并且不受實驗場地的限制.材料力學實驗理論知識點少，往往只是驗證一兩個公式，但實驗操作內容多，實驗設備操作復雜，學生要在課上短時間內掌握有一定困難，更適合多媒體教學模式.因此材料力學實驗室分別錄制并制作了拉伸壓縮實驗的試驗機操作教學視頻、彎曲實驗應變儀及試驗機操作教學視頻、組合變形接線操作及應變儀使用教學視頻、扭轉試驗機操作教學視頻等視頻教學資源（圖1、2、3、4）；并根據(jù)每節(jié)實驗課的內容制作教學PPT，與教學視頻一并上傳到網(wǎng)絡.這些多媒體資源可以應用到學生的課前預習環(huán)節(jié)和教師的課堂講授環(huán)節(jié)，經(jīng)過三年的實驗教學檢驗，取得了良好的教學效果.

圖2 彎曲實驗應變儀及試驗機操作教學視頻

圖3 組合變形接線操作及應變儀使用教學視頻

圖4 扭轉試驗機操作教學視頻

多媒體授課的優(yōu)點在于：1）把觀看實驗教學視頻和閱讀教學PPT作為實驗預習工作布置下去，在實驗課前學生利用自由時間完成預習工作，對整個實驗目的、實驗原理和實驗操作有了初步了解，為正式實驗課打下了良好的基礎.2）學生通過觀看教學視頻可以全面掌握實驗過程和操作技巧，培養(yǎng)了實驗興趣，建立完成實驗的自信心，提高了學生學習主動性.3）節(jié)省了課堂講解時間，等于增加了實驗操作時間，可以使學生有更多的機會操作實驗設備完成實驗.4）課上用投影儀播放PPT進行實驗講解、組織學生觀看設備操作教學視頻，改善了實驗室授課條件，提高了學生的課堂專注度.解決了傳統(tǒng)實驗講授方式只有前排同學看得見、聽得清老師授課內容的弊端，教學效果好于“圍著設備講實驗”的傳統(tǒng)授課模式.

3.2 虛擬仿真用于實驗教學

虛擬仿真是由電腦技術、仿真技術、數(shù)字媒體技術、人工智能技術、人機接口技術及測量傳輸技術等多種先進技術集合而成，具有仿真和實時交互等特征［3］.

隨著高校中實驗教學占比的不斷提高，虛擬仿真實驗越來越多的應用在實驗教學當中.虛擬仿真實驗是運用仿真技術，在計算機上利用三維系統(tǒng)軟件，設計出立體感知的三維情景畫面，并能夠實現(xiàn)人對畫面的控制［4］.

我校的材料力學實驗使用的萬能試驗機，扭轉試驗機等多為大型設備，價格昂貴，占用實驗場地大.因學校材料力學實驗資源有限，每節(jié)實驗課需要操作試驗機的學生人數(shù)過多，每個學生分配到的操作設備時長嚴重不足，個別同學整堂實驗課都沒有操作的機會，嚴重影響了學生實踐能力的培養(yǎng).另外，材料力學實驗應用到的設備，加載的實驗力大，且很多采用動力電驅動，存在一定的風險與安全隱患.因此，出于安全考慮，學生進行試驗機操作時必須有教師在旁進行指導、看護.因實驗教師人數(shù)有限，導致上課時學生可操作的試驗機數(shù)量受到限制，學生的實驗操作機會大幅減少，這也在一定程度上影響了實驗教學效果.

針對材料力學實驗存在的問題，我們與某軟件公司聯(lián)合開發(fā)了《材料力學實驗仿真實訓軟件》.該軟件系統(tǒng)是基于我校現(xiàn)有實驗內容進行開發(fā)制作，實驗內容、實驗設備、操作步驟與實體實驗高度重合，在學生課前預習實驗、課上完成實驗操作等方面起到重要的補充教學作用，顯著的激發(fā)了學生的實驗積極性和提高了學生的實操能力.

實驗課前，學生利用課余時間登陸虛擬仿真網(wǎng)站（圖5、6、7、8），可以先對實驗設備的操作進行預習，這樣學生對實驗設備就有了初步的了解和掌握，消除操作大型設備的陌生感和恐懼感，為課上的實驗操作環(huán)節(jié)打下良好的基礎.正式實驗課時，《材料力學實驗仿真實訓軟件》在一定程度上的緩解了由于實驗資源和師資力量不足造成的學生缺乏操作時間等問題.《材料力學實驗仿真實訓軟件》可以實時反映實驗全過程，可以做到隨時暫停觀察實驗現(xiàn)象，這樣可以提高學生對實驗各個階段的認知水平，同時提高了學生實驗操作熟練程度，提升了實驗效率.虛擬實驗沒有安全問題，允許操作過程出現(xiàn)錯誤，學生可以大膽操作，而不會產生設備損壞、試件浪費和實驗安全等現(xiàn)實問題.

圖5 《材料力學實驗仿真實訓軟件》網(wǎng)站首頁

圖6 《材料力學實驗仿真實訓軟件》主界面

將《材料力學實驗仿真實訓軟件》應用于材料力學的實驗教學當中，能夠充分發(fā)揮虛擬實驗對實體實驗的補充作用，提高了教師實驗教學效率與學生的學習效率、促進了實踐能力的培養(yǎng)、提升了實驗教學質量.

4 材料力學實驗考核方式改革內容

傳統(tǒng)材料力學實驗的考核方式只注重實驗報告成績，對實驗預習和實驗操作方面考核不足.本實驗室在實體實驗中引入多媒體技術和虛擬仿真技術作為補充教學手段，進行實驗課考核方式改革.學生利用實驗操作視頻資源、教學PPT資源和《材料力學實驗仿真實訓軟件》可以獨立進行實驗預習并完成預習報告，教師批閱后給出預習成績.實驗過程中利用虛擬仿真實驗作為設備操作環(huán)節(jié)的有益補充，教師根據(jù)學生操作完成情況給出操作成績.實驗完成后學生獨立完成實驗報告，一周后統(tǒng)一上交實驗室、經(jīng)教師批閱給出實驗報告成績.各個分項實驗成績均由預習、操作、報告成績三部分成績組成.其中預習成績占20%，操作成績占40%，報告成績占40%（表1）.實驗總成績=拉伸與壓縮實驗得分×20%+彎扭組合變形實驗得分×40%+鋼筋混凝土彈模測算實驗得分×40%.這種實驗成績考核方式可以充分反應學生的實驗積極性、實驗操作水平和實驗數(shù)據(jù)的處理分析能力，可以全方位客觀評價學生的實踐能力，有助于材料力學實驗教學質量的提升.

表1 材料力學實驗成績分布表

5 結語

高等教育目標是培養(yǎng)具有實踐能力和創(chuàng)新能力的技術人才［5］.應用多媒體技術和虛擬仿真技術的實驗教學改革提升了學生對實驗課的興趣，節(jié)約了實驗教學資源，全方位完善實踐操作能力的培養(yǎng)，提高了實驗效率，更好地適應社會發(fā)展對高校具有工程創(chuàng)新實踐人才培養(yǎng)的新要求.