基于“互联网+”的材料力学实验教学改革与探索

杨孟杰

摘要：针对材料力学实验课程存在教师讲授时间长、内容难度大、教学过程难于控制等问题，本文在材料力学实验教学中引入互联网技术，通过将材料力学实验录制成微视频，解决教师讲授时间长，学生实操时间短的问题;引入有限元技术使实验结果直观化和形象化，便于学生理解物体受力状况;采取全过程考核方式培养学生综合素质，提高教学质量，培养创新能力，达到全面提升材料力学实验教学效率的目的。

关键词：互联网+   材料力学   实验教学

材料力学是高等教育工科专业重要的专业基础课，在教学安排中具有承前启后的重要作用，其理论广泛应用于工程结构的设计中。材料力学实验是材料力学课程的重要组成部分，通过实验教学可以帮助学生理解和掌握材料力学的基本概念和理论，并在学生学以致用、创新能力培养方面具有不可替代的作用。

工程力学之父铁摩辛柯曾说过：“理论分析和实验结果在材料力学研究中具有同等重要的地位，材料力学的历史是理论和实验二者最好的融合。”由于大学扩招，所以学生急剧增加，实验设备不足且陈旧等问题，导致实验小组人数增多，学生只能走马观花式听教师讲课，更有甚者来混课。针对目前教学模式存在的问题，桂林电子科技大学引入“互联网+”，通过微视频、有限元技术和全过程考核方式来提高材料力学的综合教学质量。

一、传统材料力学实验存在的问题

1.教师讲授时间长，学生实操时间短

传统的教学方法以教师讲授为主，学生听课为辅，教师处于主导地位，学生处于从属地位，无法调动学生学习的积极性。针对材料力学实验课，教师要花费30分钟以上时间讲授实验原理、实验方法、实验设备操作、实验结构剖析、实验中应注意的安全事项等内容，占用了大量的教学时间，导致学生动手操作时间不足。传统的教学理念使教师认为实验课是理论课的附庸，只是用来验证理论课知识，没有实用性和创新性，实验课只是理论课的简单重复，形成了以教师为中心的现象，学生处于被动状态。

2.实验内容难度大，学生理解困难

材料力学实验现象看不到、摸不着，学生只能从实验仪器上看到上面显示的数字，不够生动形象，再加上无法从数据上判读实验结果，必须通过公式转换才能确认，导致学生对实验存在抵触心理。弯曲和扭转实验需要学生用应变仪组电桥测量，要求学生不仅拥有扎实的电学知识，还要具备综合分析能力，导致部分学生无从下手，不能独立完成实验。

3.考核方式單一，教学过程难于控制

材料力学是工科专业基础课，学生多，实验项目多，然而实验教师人员不足，且以新进教师居多，他们是刚从学校毕业的研究生，具有一定的理论知识，没有工程实践经验。在传统的实验教学中，考核以学生的出勤率和实验报告为基础，而对实验报告，教师只关注实验数据处理结果，很少考查实验过程的操作，导致一部分学生认为做实验只是走过场，只要课下抄同学的实验报告就可以获得好成绩。不仅如此，期末考试主要是理论考核，几乎没有涉及实验知识，无法评价学生的实验能力和水平。这样的材料力学实验课导致学生上课不积极，缺乏主动性和创新性，教师上课累，学生听课烦，严重影响了教学质量。

4.实验内容与工程实际脱节

随着科学水平的发展，新理论、新工艺、新方法、新材料不断涌现，新材料在工程中普遍应用，对材料力学提出了新的教学要求。同时，内容不断更新，工艺不断完善，方法层出不穷，导致传统材料力学实验内容和方法难以满足复杂多样的工程实际需求。如材料的拉伸、压缩试验，只进行塑性（ 低碳钢） 和脆性（铸铁）材料实验，而没有进行塑料、复合材料、有色金属材料的实验，目前这些材料大规模应用在高精尖行业。

材料力学实验的教学内容多偏重理论数据处理，缺少利用现代技术（有限元）进行科学计算，也很少介绍材料力学实验怎样在工程应用实践中得到应用，学生的感性认识不强，导致学生不能灵活运用所学知识。学生会套用公式计算实验结果，难以处理工程中复杂多样的计算问题，导致该课程的教学效果不佳。学生的实验知识难于解决工程实际问题，造成学生认为材料力学实验只是一种摆设，只能解决简单问题，所以对材料力学实验缺乏兴趣。

二、“互联网+”在材料力学实验中的应用

1.录制微视频，强化课前预习

随着信息技术的快速发展，微课作为新型课程资源，在国内外掀起热潮。微课的教学视频时长一般为5至8分钟，最长不超过10分钟，微课以短小的教学视频为基础，一个视频突出几个知识点，可以反复观看。由于材料力学实验知识点少，动手操作内容多，非常适合微课教学模式，教师可以把每个实验中的实验原理、实验重点和难点、实验中经常遇到的问题录制成微视频，然后在上课前和实验资料一起发给学生，让学生在课下完成实验的预习工作，节省了实验课讲解时间，增加了学生实操机会。微视频能够很好地解决实验课堂操作时间过少的问题，调动了学生的学习积极性和主动性，而教师在课堂上主要解答学生在操作过程中提出的疑问，转变了教师的角色，使学生处于中心地位。

2.采用有限元技术，丰富教学手段

随着计算机技术的发展，CAE软件具有图片清晰、动画逼真，以及可以随时停止、随意倒回、重复演示与不消耗材料等优点，在材料力学实验教学中得到广泛应用。CAE软件能够生动逼真地展示变形和受力状况，通过位移云图和应力云图很好呈现地物体的受力变化趋势，加深学生对物体受力过程的理解。

在实验室计算机中，教师可以利用 NASTRAN软件对材料力学实验中一些重点和难点进行数值模拟，以动画或录像的形式展示给学生，使他们产生比较直观的认识，从而加深对知识的掌握，激发学习的兴趣。CAE软件可以展示构件的应力和应变动画，学生在仿真实验中可以观察到位移和受力变化趋势，明确材料应力与应变之间的关系，加深对理论知识的掌握，增强学生对实验内容的认识。

3.建立全过程考核方式，提高教学质量

为了提高学生的学习质量，培养学生分析问题、解决问题和团队合作能力，教师可以采用全过程考核方式，它由三部分组成，如图1所示。

第一，课前考核，占总成绩30%。在实验前，教师将实验微视频和预习检测题发下去，学生可以利用课外时间进行预习，每个视频约8分钟，符合学生的好奇心理，有效解决了教师讲授时间过长的问题。根据微视频内容，教师设置8至10个选择题用来检验学生预习效果，考核不合格者不能参加实验。

第二，课中考核，占总成绩30%。课中考核重点考查学生的动手操作能力和结果预判能力。实验设计和实验操作是实验的核心，要求学生严格遵守操作规范，科学地记录实验数据，做到实验数据不造假、不抄袭。实验数据简单处理可以判断实验的结果正确与否，如果实验结果不正确，学生可以在课堂上查找问题，当场解决。

第三，课后考核，占总成绩40%。课后考核主要考查实验报告撰写和演示文稿汇报。学生以实验内容为主题，按照学校要求的格式提交实验报告，考查实驗数据处理的准确性、操作规范性、实验的完整性和报告规范性等方面。教师还可以小组为单位，利用10分钟左右以演示文稿的形式向实验教师展示实验成果，并接受教师5分钟左右的提问。同时，教师根据学生的表达能力、知识掌握情况、团队合作能力、现场随机应变情况评定成绩。

三、结语

总而言之，教师采用有限元技术，通过动画和录像的形式，可以让学生对物体受力形式获得直观的认识，从而调动学生的学习积极性。教师还可以通过全过程考核方式，培养学生自主学习能力、动手能力和团队合作能力。

参考文献：

[1]官邑，刘伟纲，袁苏洁.材料力学实验教学改革与实践[J].实验技术与管理，2007（10）.

[2]杨丽红，吴国辉，邹广平.材料力学教学方法探讨[J].中国现代教育装备，2013（15）.

[3]夏兴有，邹广平，曲嘉.浅谈材料力学实验教学改革[J].实践·探索，2017（12）.

[4]游斌，李彦军.工程力学实验教学改革探讨[J].江西蓝天学院学报，2010（3）.

[5]庄表中，王惠明，马景槐，等.编写有微视频力学教材的过程和体会[J].力学与实践，2016（38）.

※本文系桂林电子科技大学校级教改项目：振兴本科教育视角下材料力学实验教学改革与实践，项目编号：GS202041。

（作者单位：桂林电子科技大学机械电子基础实验教学中心）