光应力测试实验的创新与教学实践

周志红,黄跃平,董萼良,张培伟,吴邵庆,费庆国

摘要：本文通过对光应力测试装置的创新，设计了适合本科教学实验的低成本光应力测试实验装置。学生通过该实验装置可进行自主设计型实验和研究性实验，将研究能力和创新精神的培养融合实验环节中，使其更加符合本科教学实验装置的要求，极大地激发了学生的创新能力。

关键词：光应力；透射；反射；低成本；本科教学实验装置

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）16-0248-02

在当前的大学教学中，有部分教师认为实验附属于理论课，不重视其应有的地位，把实验课视为一门副课，“机械模仿”现象比较普遍，采用完成任务式的教学方法，没有体会到实验课是能力发展的一个重要方面。

力学实验是基础力学类课程的重要组成部分，其工程应用性较强。东南大学在强化基本型实验的基础上，将自主研究学习型实验作为培养学生独立工作能力的途径，把研究能力和创新精神的培养融合在各个实验环节中，学生普遍反映收获很大。光应力是一种被各种领域广泛使用的技术，用于测量试件表面的应变，以便确定静、动态测试中零件或结构上的应力。调查表明，由于传统光弹仪操作复杂，视场小，对模型要求也比较高，并且价格昂贵，所以不可能让每个学生都去操作。多年来，各校都是以演示实验为主，即以教师操作，学生看为主，或少部分学生做，大部分学生看，这将导致学生在实验过程中，完全依赖老师布置好的步骤进行操作，不动脑筋、理论和实际脱节，实验操作技能差、独立性差，遇到问题则一筹莫展等情况，很难调动学生的实验兴趣及思考问题的积极性，达不到培养学生实验能力的目的。因此，如何改进装置使其符合低成本的同时又能满足实验精度要求，成为我们研究的重点。

创新型光应力测试实验装置，以透射光弹实验为基础，吸取传统光弹仪的核心概念，着眼于本科教学验证性实验和演示性实验以及在此基础上的学生自主改进研究的可行性和可操作性，去除传统光弹仪用于达到本科教学实验中并不需要的过高的精密性要求而所做的复杂结构，由于其成本低、直观、操作简单，同时在此装置的基础上学生可自主设计制作实验模型或结构，并通过光应力测试实验，立即识别出临界区域、明显的应力超强和应力不足的区域、峰值应力及环绕在孔、槽口、内圆角周围的应力集中情况。极大地激发了学生的自主创新能力，符合本科教学实验装置的要求。

一、光应力测试实验装置的创新

传统光弹仪不仅仪器庞大占地面积大、价格昂贵、携带不便，而且必须在暗房中进行试验，因此极大地制约了教学实验在开展，通常是小班化演示实验为主。由于精密光学元件的特性，通常不可能让每个学生都自主去操作，导致学生兴趣不浓厚，看完以后很快就忘了，更缺少了让学生思考这一环节。

1.直观光弹试样。我们发明了直观光弹试样，已获实用新型专利授权，这样可在电子试验机上和明亮的教室开展光应力教学实验。此项发明，主要技术特点是在常规透射试样表面涂覆偏振膜技术和涂覆反射膜技术，弹性体与光弹材料合为一体，适合开展规定项目的演示实验和基本型实验。

2.低成本光应力实验。低成本光应力实验装置由加载单元、测力单元、LED光源、CCD数字摄像机和试样组成。为体现廉价和普及的原则，加载单元采用了蜗杆直接加载方式，测力单元采用低成本的电子秤改装组成。LED光源加偏振镜（选用摄影器材商用品）提供单色或白色偏振光，CCD数字摄像机加偏振镜可记录样品的图像。教学试样主要采用消除应力PC板，可实现1至2人一组。由于PC板加工方便，可由学生自主设计试样。该装置适用于透射式光应力实验和反射式光应力实验。可开展DIY光测实验和SRTP等教学实验。

通过上述技术创新，我校不仅可开设常规光应力演示性实验，还可在电子材料试验机上及明亮教室里开设静载条件下的透射式及反射式光应力测试实验和动载下的光应力测试实验。由于学生们有自主设计实验的热情，故此项教学实践取得了很好的教学效果。

二、教学实验和研究性实验

我校开设了应力集中光应力实验，直梁三点或四点弯曲实验，动载（循环载荷）条件下的光弹教学实验等。学生在透射式光应力装置上完成了直梁损伤与应力状态实验，缺口试验拉伸条件下的光测实验。学生在反射式光应力装置上完成了各类模型的实验研究，其中SRTP两项，毕业设计一项。我们利用上述自制设备，连续四届开设了研究性实验教学活动，学生在这项教学活动中不仅仅学习了研究方法，还要求学习学术交流的方法，要求学生按正式出版科技论文格式要求撰写研究报告。实践证明这有利于培养学生数据处理和分析能力，同时能培养学生撰写科技论文的能力及科学表达能力。学生已完成的研究性实验有：光弹效应教学演示试样的制作方法，匀质光弹四点弯曲试样的等差线检测的实验研究，匀质光弹三点弯曲试样的等差线检测的实验研究，匀质光弹悬臂梁试样的等差线检测的实验研究，含损伤光弹四点弯曲试样的等差线检测的实验研究，含损伤光弹三点弯曲试样的等差线检测的实验研究，含损伤光弹悬臂梁试样的等差线检测的实验研究，补强光弹四点弯曲试样的等差线检测的实验研究，补强光弹三点弯曲试样的等差线检测的实验研究，补强光弹悬臂梁试样的等差线检测的实验研究，应力集中现象的光弹实验研究，预应力光弹实验研究等。

自制光应力测试实验装置用于本科教学实验，保留其核心部分，去繁就简，利用有限的低成本资源，制作出了能够完成材料力学等基本实验内容并且简单明了的小型光弹实验装置，同时这种装置由于其简明、直观、易懂、易操作的特点，不仅可以克服传统光弹仪带给学生的压迫感和畏惧心理，还能激发学生的新奇感，引发学生一探究竟的兴趣。更重要的是，由于其成本低廉、制作方便，学校可以做到让所有的学生人手一台，自主研究。通过研究性实验的教学实践，学生学会了实验方案的设计、试样的加工、相关标准的应用、实验数据的处理与表达，激发了学生学习的积极性、主动性和创造性，提高了学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，培养了学生观察、动手和动脑的技能，学习了撰写科技论文。

研究性实验教学是实验教学改革和创新的一种举措，体现了以人为本的教育思想，有利于创新人才的培养，使实验教学真正成为学生学习知识、培养能力的基本方法和有效途径。

参考文献：

[1]黄跃平，胥明，韩晓林.工程力学实验指导书[M].南京：东南大学出版社，2009.

[2]天津大学材料力学教研室光弹组.光弹性原理及测试技术[M].北京：科学出版社，1980.

[3][英]柯斯克（A.Kuske），[英]罗伯逊（G.Robertson）.光弹性应力分析[M].王燮山，黄杰藩，金炎，黄永权，译.上海科学技术出版社，1979.

基金项目：国家自然科学基金（10902024）；江苏省自然科学基金（BK2010397）；航空科学基金（20090869009）；江苏省教改项目（2011JSJG115）。

作者简介：周志红（1955-），女，南京人，教授，主要从事结构振动测试与分析研究。endprint