应变电测法实验教学学习考试平台研发

杨宗卫　彭莉　杨航　梁经纬　张涵宇　唐颖　张晓阳

【摘要】应变电测实验能有效培养学生动手和探究能力，同时需要学生具有丰富的知识储备，在高校材料力学教学中具有重要地位。该线上实验教学学习考试平台以实验前的预习準备、实验中的实操练习、实验末的检验考核、实验后的研讨交流四大功能为抓手，实现了教学过程趣味化，考核过程公平化，学习资源整合化。因此，教育部“新工科”建设为应变电测法实验教学指明了首要任务，并结合在本次新冠肺炎疫情期间的网络教学背景下，应变电测法实验教学学习考试平台的研发与应用对未来科技创新领军人才和高素质综合人才的战略性培养更具重要意义。

【关键词】应变电测法  线上学习平台  材料力学实验  教学改革  新工科

【基金项目】本文获得了南华大学大学生创新创业训练计划项目“电测法实验教学学习考试平台开发”（编号：X202010 555369）、南华大学教学改革研究项目“力学实验教学提质升级”（编号：2019YB-XJG18）、南华大学虚拟仿真实验教学项目“应变电测法虚拟仿真实验教学项目”（编号：000900009038）资助。

【中图分类号】G64  【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2021）07-0028-02

1.引言

2017年2月，教育部大力推动新工科[1]建设，提出新形势下高校教育和人才培养的目标与方向。为响应教育部新工科建设的号召，南华大学积极谋划工程教育新发展，各学科积极开展教育教学改革。材料力学实验是培养工科学生研究与实践创新能力的重要课程，因此，应用于材料力学实验教学的应变电测法学习考试平台的研发对未来科技创新领军人才的前瞻性和战略性培养具有重要的意义。

对工科生而言，应变电测实验是材料力学课程首个与工程实践相关的实验 [2]。该实验既考查学生对于电工原理、力学等诸多方面的理论知识的掌握[3]，又要求学生具备一定的动手能力和创新能力。北方民族大学汤占岐等完成了电测法应用于材料力学实验中的教学实践[4]，更是检验了电测法在高校教学中的重要性与实用性。

“互联网+教育”为代表的网络实验平台具易操作性与经济性等显著优势，国内外对力学仿真实验的研制与实践已初见成效[5]。中北大学谢占魁等对于基础力学实验教学网络平台建设的研究[6]，揭示了网络平台建设的内涵与策略，可为实验网络平台建设提供借鉴。合肥工业大学卞步喜等关于纯弯曲电测实验的研究[7]已在其学校推广并获得广泛好评，但其平台局限于对线下实验的简易仿真。山东烟台大学曲淑英等完成了力学仿真实验教学中心资源建设[8]，形成了庞大的仿真虚拟实验教学网络，为今后的发展方向点起了一盏明灯。

南华大学力学实验教学采用单一的线下教学模式，存在着许多问题，如学习资源零碎，学习资料质量良莠不齐，大部分同学简单模仿老师，学习效果普遍欠佳，过程化考核难以实现，课程考核的公平性与准确性有待提高。

本项目针对上述普遍问题，基于互联网技术，研发出集预习、练习、交流和考试等多种功能为一体的电测法实验教学学习考试平台。此平台将服务于实践型人才培养与创新型人才选拔，服务社会的工程人员学习深造，本项目为应对新一轮科技革命与产业变革的人才培养具有重要意义。

2.平台搭建

该平台建设时，首先进行需求分析，开发者主要以南华大学理工科师生为对象，搜集了实验教学过程中存在的问题且对该平台服务对象进行需求调查。通过汇总调查结果，开发者对平台进行初步设计，确定了该平台的两大基础构架：网络学习资源库及习题库。明确了该平台需具有的四大功能：实验前的预习准备、实验中的实操练习、实验末的检验考核、实验后的研讨交流，如图1所示。在之后的平台研发过程中，开发者通过查找网络和书籍资料编写整理出一套较为完整的题库，并在线下录制了实验正确示范及错误操作的视频，以客观题形式填充进题库中。网络学习资源库中，开发者参考了实验指导书、各类力学实验相关文献、材料力学相关书籍及力学竞赛中实验相关题目，以及各类力学实验在生活中应用、力学竞赛实验题讲解及本校老师讲解实验原理等内容的视频，使该平台的功能更完善，并满足不同学生的需求。在平台测试阶段，开发者邀请专家、师生、管理人员等试用该平台，汇总该平台在实际使用中存在的问题以及使用该平台后的用户反馈，进而对平台加以完善。在平台投入使用后，开发者将根据实际使用情况分定期和不定期维护平台，并实时更新平台资源与功能。

2.1线上模拟实验

对于南华大学目前所拥有的电测实验室与实验设备进行了环境考察、实物拍摄与分析记录，依靠虚拟现实（VR）中的三维建模技术，利用三维建模软件构建一个1∶1高还原度的虚拟仿真材料力学电测实验室场景，如图2所示;在三维仿真实验场景中，可以实现视角控制、视野转换、参数改变、实验设备模型操作等功能，给予学生一个打破时空局限的实验环境。采用大数据分析技术与实验数据预调处理，提供了高自由度与完整度的可视化数据实验，具有仪器解析、实验步骤引导和错误警示等功能。学生可根据规范完成实验并自主创新试验不同的操作与数据，得到不同的结果，不仅确保了仿真实验的真实性，还达到了实验的多样性，培养了学生思维的活跃性。

2.2线上学习资源库

围绕实验课程组建了高质量、高契合度的教育学习资源库，采用云存储技术，将搜集分类整合后的文本资源、图形图像资源、动画资源、声音资源与视频资源等实验相关学习资源存放在自主构建的资源库中。资源库的建设，拓宽了学生对实验学习渠道的选择。对于理论学习，学生不仅可以观看MOOC等网络平台的课程，也能选择本平台的视频资源进行学习。实验演示方面，设立了五大分区并对应录制了视频：实验流程、分步演示、细节处理、错误示范和成果展示，给予学生个性化、智能化指导，并满足其在不同情况下对实验学习的需求。

2.3线上考核中心

平台设立了线上考核模块，包括习题练习、综合测试与成绩统计三部分。根据实验内容与特点，主要按照实验目的、仪器设备、基本概念、原理、方法、技能、注意事项、数据处理和实际应用等方面进行设计编写习题并提供对应的解析。在学习电测实验的过程中，学生可以在习题库中选择练习内容，根据需求进行练习，发现与弥补自身不足。课程预习结束后，将进行综合测试。系统自动生成试卷，提交答案即可自动评分，答卷最终交由老师点评，老师根据每个学生的情况给予学习建议，使自主学习效果最大化。

2.4线上交流互动

论坛的发展随网络如雨后春笋般地壮大，几乎涵盖了人们生活的各个方面。论坛就其专业性可分为综合类、专题类。

就综合类而言，我们设置一个总的交流平台，供师生就各种各式问题进行广泛交互，如反馈板块、邮件板块、论坛。其包含的信息十分广泛，能让用户了解到更多课外知识与问题的解决。

就专题类而言，我们设置了每个视频、作业下对应的评论区;各用户独立的聊天窗口;此类评论区互相独立，利于消息的整合与搜集，更具针对性。

2.5视频录制

第一步，需备好实验所需器材、设备及其软件（如Adobe公司的Premiere CC 2017、电测法实验教学平台等）。

第二步，将实验所需器材摆好，陈列于桌上，并通过软件对其下方进行标注。

第三步，开始实验过程的录制。其中包括错误示范、正确操作等，主要分为仿真操作与实际操作两部分。

（1）仿真操作流程如下：

录制本实验平台的教学操作，介绍本实验平台的基本模块（如资料模块、仿真模块、进阶模块等）使学生进一步了解本实验平台，并引导学生了解并学会使用仿真实验部分，通过其生动有趣的仿真互动，为接下来的实际操作打下铺垫。

（2）实际操作流程如下：

①准备好实验器材，如贴片设备、焊锡设备、磨面设备、测量设备等;②测量矩形截面梁的各个尺寸，预热电阻应变仪、载荷显示仪和电焊棒;③磨面。将矩形截面梁即将贴片的面用磨砂纸擦至光滑;④清洁。用棉球沾上酒精将打磨面清洁至无明显污垢;⑤贴片。将应变片与贴片依次贴至打磨面上;⑥焊接。将应变片的引脚焊接在贴片上;⑦测量。焊接好后使用万用表打至欧姆档对应变片进行测量（正确值贴近120Ω），并检查其是否短路等;⑧接桥。将各种仪器连接好，各应变片按半桥接法接到电阻应变仪的所选通道上;⑨调平。逐一调节各通道的电桥平衡;⑩摇动多用电测实验台的加载机构，采用等量逐级加载（可取△F= 1kN ）。每增加一级载荷，分别读出各电阻应变片的应变值，并记录实验数据。{11}{11}整理仪器，结束实验。

第四步，进行理论知识讲解的录制，其中包括应变电测法的原理、材料力学相关知识、注意事项等。

第五步，视频后期（如字幕、后期配音、开头与结尾等）。

第六步，视频环节完成。

3.成果

（1）在材料力学电测实验中，通过建立实验平台和数据库，实现了线上与线下相结合的新型学习模式。

（2）学生通过使用此学习平台，实验成绩显著提高，且层次梯度分明，整体优秀率从12%提升到了39%，形成了一种良性的竞争氛围。

（3）方便了老师管理学生的学习，监督学生的预习练习以及还可在网上直接进行考试，检验学生学习成果，顺应了互联网+的时代潮流。

（4）激发了学生的学习兴趣，使得学生的综合素质提高，在各类竞赛中也相较于以前积极性更高且成績突出，获得校级以上奖项也从参与人数的5%上升到了18%。

（5）锻炼了学生的思维方式，使得在材料力学理论课中的成绩得到了一定幅度提升。

4.结论

本文论述了以电测法实验教学学习考试平台研发为对象的设想、构思到研发再到使用情况的整个过程，实现了从无到有，从零到一的本质飞跃，有助于为国家培养一大批“人格健全、基础扎实、能力突出、素质全面”的创新型人才，进一步彰显“勤勉务实、甘于奉献、刚健自强、敢为人先”的学校精神，对于“双一流”的建设和高素质综合人才的培养具有重要意义。

参考文献：

[1]吴岩.新工科：高等工程教育的未来——对高等教育未来的战略思考[J].高等工程教育研究，2018（6）：1-3.

[2]郑艳，羊海林.在材料力学实验教学中运用电测法的体会[J].科教导刊（上旬刊），2016（2）：114-115.

[3]郭王霞，姜久超.材料力学中电测实验的实践与探索[J].河北大学学报（自然科学版），1999（S1）：71-74.

[4]汤占岐，武美先，侯亭波，赵涛.电测法应用于材料力学实验中的教学实践[J].教育教学论坛，2018（48）：115-116.

[5]李霞.材料力学虚拟仿真实验系统的开发[J].实验技术与管理，2016，33（12）：125-127.

[6]谢占魁，李艳辉，谢锐.浅议基础力学实验教学网络平台建设[J].中北大学学报，2008（24）：57-58，61.

[7]卞步喜，夏晶，钟文龙.材料力学纯弯梁电测仿真实验研制与实践[J].中国新技术新产品，2010（16）：34.

[8]曲淑英，周志新，吴江龙等.工程力学虚拟仿真实验教学中心资源建设[J].实验室研究与探索，2017，36（12）：172-175.

作者简介：

杨宗卫（2000年-），男，湖南怀化人，本科在读。

彭莉（2001年-），女，湖南邵东人，本科在读。

杨航（2000年-），男，湖南宁乡人，本科在读。

梁经纬（2000年-），男，广东珠海人，本科在读。

张涵宇（1999年-），女，内蒙古阿拉善盟人，本科在读。

唐颖（1989年-），女，湖南祁东人，本科。

张晓阳（1988年-），男，湖南祁东人，博士。