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        基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的材料力學實驗教學改革與探索

        2021-12-28 23:21:03楊孟杰
        知識窗·教師版 2021年11期
        關鍵詞:互聯(lián)網(wǎng)實驗教學

        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(nèi)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(wǎng)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(zhì),提高教學質(zhì)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(wǎng)+? ?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。”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(shù)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(wǎng)+”,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(zhì)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(diào)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(nèi)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(xiàn)象,學生處于被動狀態(tài)。

        2.實驗內(nèi)容難度大,學生理解困難

        材料力學實驗現(xiàn)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(shù)字,不夠生動形象,再加上無法從數(shù)據(jù)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(jīng)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(shù)據(jù)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(zhì)量。

        4.實驗內(nèi)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(xiàn),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(nèi)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(nèi)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(nèi)容多偏重理論數(shù)據(jù)處理,缺少利用現(xiàn)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(wǎng)+”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(nèi)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(nèi)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(jīng)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(diào)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(xiàn)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(shù)值模擬,以動畫或錄像的形式展示給學生,使他們產(chǎn)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(nèi)容的認識。

        3.建立全過程考核方式,提高教學質(zhì)量

        為了提高學生的學習質(zhì)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(jù)微視頻內(nèi)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(shù)據(jù),做到實驗數(shù)據(jù)不造假、不抄襲。實驗數(shù)據(jù)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(nèi)容為主題,按照學校要求的格式提交實驗報告,考查實驗數(shù)據(jù)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(jù)學生的表達能力、知識掌握情況、團隊合作能力、現(xiàn)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(diào)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。

        參考文獻:

        [1]官邑,劉偉綱,袁蘇潔.材料力學實驗教學改革與實踐[J].實驗技術與管理,2007(10).

        [2]楊麗紅,吳國輝,鄒廣平.材料力學教學方法探討[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2013(15).

        [3]夏興有,鄒廣平,曲嘉.淺談材料力學實驗教學改革[J].實踐·探索,2017(12).

        [4]游斌,李彥軍.工程力學實驗教學改革探討[J].江西藍天學院學報,2010(3).

        [5]莊表中,王惠明,馬景槐,等.編寫有微視頻力學教材的過程和體會[J].力學與實踐,2016(38).

        ※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)

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