光應(yīng)力測試實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新與教學(xué)實(shí)踐

周志紅,黃躍平,董萼良,張培偉,吳邵慶,費(fèi)慶國

摘要：本文通過對(duì)光應(yīng)力測試裝置的創(chuàng)新，設(shè)計(jì)了適合本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)的低成本光應(yīng)力測試實(shí)驗(yàn)裝置。學(xué)生通過該實(shí)驗(yàn)裝置可進(jìn)行自主設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)和研究性實(shí)驗(yàn)，將研究能力和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)融合實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，使其更加符合本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的要求，極大地激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：光應(yīng)力；透射；反射；低成本；本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置

中圖分類號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2014）16-0248-02

在當(dāng)前的大學(xué)教學(xué)中，有部分教師認(rèn)為實(shí)驗(yàn)附屬于理論課，不重視其應(yīng)有的地位，把實(shí)驗(yàn)課視為一門副課，“機(jī)械模仿”現(xiàn)象比較普遍，采用完成任務(wù)式的教學(xué)方法，沒有體會(huì)到實(shí)驗(yàn)課是能力發(fā)展的一個(gè)重要方面。

力學(xué)實(shí)驗(yàn)是基礎(chǔ)力學(xué)類課程的重要組成部分，其工程應(yīng)用性較強(qiáng)。東南大學(xué)在強(qiáng)化基本型實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將自主研究學(xué)習(xí)型實(shí)驗(yàn)作為培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作能力的途徑，把研究能力和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)融合在各個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，學(xué)生普遍反映收獲很大。光應(yīng)力是一種被各種領(lǐng)域廣泛使用的技術(shù)，用于測量試件表面的應(yīng)變，以便確定靜、動(dòng)態(tài)測試中零件或結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力。調(diào)查表明，由于傳統(tǒng)光彈儀操作復(fù)雜，視場小，對(duì)模型要求也比較高，并且價(jià)格昂貴，所以不可能讓每個(gè)學(xué)生都去操作。多年來，各校都是以演示實(shí)驗(yàn)為主，即以教師操作，學(xué)生看為主，或少部分學(xué)生做，大部分學(xué)生看，這將導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中，完全依賴?yán)蠋煵贾煤玫牟襟E進(jìn)行操作，不動(dòng)腦筋、理論和實(shí)際脫節(jié)，實(shí)驗(yàn)操作技能差、獨(dú)立性差，遇到問題則一籌莫展等情況，很難調(diào)動(dòng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣及思考問題的積極性，達(dá)不到培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ哪康?。因此，如何改進(jìn)裝置使其符合低成本的同時(shí)又能滿足實(shí)驗(yàn)精度要求，成為我們研究的重點(diǎn)。

創(chuàng)新型光應(yīng)力測試實(shí)驗(yàn)裝置，以透射光彈實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，吸取傳統(tǒng)光彈儀的核心概念，著眼于本科教學(xué)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和演示性實(shí)驗(yàn)以及在此基礎(chǔ)上的學(xué)生自主改進(jìn)研究的可行性和可操作性，去除傳統(tǒng)光彈儀用于達(dá)到本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)中并不需要的過高的精密性要求而所做的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，由于其成本低、直觀、操作簡單，同時(shí)在此裝置的基礎(chǔ)上學(xué)生可自主設(shè)計(jì)制作實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ突蚪Y(jié)構(gòu)，并通過光應(yīng)力測試實(shí)驗(yàn)，立即識(shí)別出臨界區(qū)域、明顯的應(yīng)力超強(qiáng)和應(yīng)力不足的區(qū)域、峰值應(yīng)力及環(huán)繞在孔、槽口、內(nèi)圓角周圍的應(yīng)力集中情況。極大地激發(fā)了學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，符合本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的要求。

一、光應(yīng)力測試實(shí)驗(yàn)裝置的創(chuàng)新

傳統(tǒng)光彈儀不僅儀器龐大占地面積大、價(jià)格昂貴、攜帶不便，而且必須在暗房中進(jìn)行試驗(yàn)，因此極大地制約了教學(xué)實(shí)驗(yàn)在開展，通常是小班化演示實(shí)驗(yàn)為主。由于精密光學(xué)元件的特性，通常不可能讓每個(gè)學(xué)生都自主去操作，導(dǎo)致學(xué)生興趣不濃厚，看完以后很快就忘了，更缺少了讓學(xué)生思考這一環(huán)節(jié)。

1.直觀光彈試樣。我們發(fā)明了直觀光彈試樣，已獲實(shí)用新型專利授權(quán)，這樣可在電子試驗(yàn)機(jī)上和明亮的教室開展光應(yīng)力教學(xué)實(shí)驗(yàn)。此項(xiàng)發(fā)明，主要技術(shù)特點(diǎn)是在常規(guī)透射試樣表面涂覆偏振膜技術(shù)和涂覆反射膜技術(shù)，彈性體與光彈材料合為一體，適合開展規(guī)定項(xiàng)目的演示實(shí)驗(yàn)和基本型實(shí)驗(yàn)。

2.低成本光應(yīng)力實(shí)驗(yàn)。低成本光應(yīng)力實(shí)驗(yàn)裝置由加載單元、測力單元、LED光源、CCD數(shù)字?jǐn)z像機(jī)和試樣組成。為體現(xiàn)廉價(jià)和普及的原則，加載單元采用了蝸桿直接加載方式，測力單元采用低成本的電子秤改裝組成。LED光源加偏振鏡（選用攝影器材商用品）提供單色或白色偏振光，CCD數(shù)字?jǐn)z像機(jī)加偏振鏡可記錄樣品的圖像。教學(xué)試樣主要采用消除應(yīng)力PC板，可實(shí)現(xiàn)1至2人一組。由于PC板加工方便，可由學(xué)生自主設(shè)計(jì)試樣。該裝置適用于透射式光應(yīng)力實(shí)驗(yàn)和反射式光應(yīng)力實(shí)驗(yàn)?？砷_展DIY光測實(shí)驗(yàn)和SRTP等教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

通過上述技術(shù)創(chuàng)新，我校不僅可開設(shè)常規(guī)光應(yīng)力演示性實(shí)驗(yàn)，還可在電子材料試驗(yàn)機(jī)上及明亮教室里開設(shè)靜載條件下的透射式及反射式光應(yīng)力測試實(shí)驗(yàn)和動(dòng)載下的光應(yīng)力測試實(shí)驗(yàn)。由于學(xué)生們有自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的熱情，故此項(xiàng)教學(xué)實(shí)踐取得了很好的教學(xué)效果。

二、教學(xué)實(shí)驗(yàn)和研究性實(shí)驗(yàn)

我校開設(shè)了應(yīng)力集中光應(yīng)力實(shí)驗(yàn)，直梁三點(diǎn)或四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，動(dòng)載（循環(huán)載荷）條件下的光彈教學(xué)實(shí)驗(yàn)等。學(xué)生在透射式光應(yīng)力裝置上完成了直梁損傷與應(yīng)力狀態(tài)實(shí)驗(yàn)，缺口試驗(yàn)拉伸條件下的光測實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在反射式光應(yīng)力裝置上完成了各類模型的實(shí)驗(yàn)研究，其中SRTP兩項(xiàng)，畢業(yè)設(shè)計(jì)一項(xiàng)。我們利用上述自制設(shè)備，連續(xù)四屆開設(shè)了研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)，學(xué)生在這項(xiàng)教學(xué)活動(dòng)中不僅僅學(xué)習(xí)了研究方法，還要求學(xué)習(xí)學(xué)術(shù)交流的方法，要求學(xué)生按正式出版科技論文格式要求撰寫研究報(bào)告。實(shí)踐證明這有利于培養(yǎng)學(xué)生數(shù)據(jù)處理和分析能力，同時(shí)能培養(yǎng)學(xué)生撰寫科技論文的能力及科學(xué)表達(dá)能力。學(xué)生已完成的研究性實(shí)驗(yàn)有：光彈效應(yīng)教學(xué)演示試樣的制作方法，勻質(zhì)光彈四點(diǎn)彎曲試樣的等差線檢測的實(shí)驗(yàn)研究，勻質(zhì)光彈三點(diǎn)彎曲試樣的等差線檢測的實(shí)驗(yàn)研究，勻質(zhì)光彈懸臂梁試樣的等差線檢測的實(shí)驗(yàn)研究，含損傷光彈四點(diǎn)彎曲試樣的等差線檢測的實(shí)驗(yàn)研究，含損傷光彈三點(diǎn)彎曲試樣的等差線檢測的實(shí)驗(yàn)研究，含損傷光彈懸臂梁試樣的等差線檢測的實(shí)驗(yàn)研究，補(bǔ)強(qiáng)光彈四點(diǎn)彎曲試樣的等差線檢測的實(shí)驗(yàn)研究，補(bǔ)強(qiáng)光彈三點(diǎn)彎曲試樣的等差線檢測的實(shí)驗(yàn)研究，補(bǔ)強(qiáng)光彈懸臂梁試樣的等差線檢測的實(shí)驗(yàn)研究，應(yīng)力集中現(xiàn)象的光彈實(shí)驗(yàn)研究，預(yù)應(yīng)力光彈實(shí)驗(yàn)研究等。

自制光應(yīng)力測試實(shí)驗(yàn)裝置用于本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)，保留其核心部分，去繁就簡，利用有限的低成本資源，制作出了能夠完成材料力學(xué)等基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并且簡單明了的小型光彈實(shí)驗(yàn)裝置，同時(shí)這種裝置由于其簡明、直觀、易懂、易操作的特點(diǎn)，不僅可以克服傳統(tǒng)光彈儀帶給學(xué)生的壓迫感和畏懼心理，還能激發(fā)學(xué)生的新奇感，引發(fā)學(xué)生一探究竟的興趣。更重要的是，由于其成本低廉、制作方便，學(xué)校可以做到讓所有的學(xué)生人手一臺(tái)，自主研究。通過研究性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生學(xué)會(huì)了實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、試樣的加工、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理與表達(dá)，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性，提高了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)了學(xué)生觀察、動(dòng)手和動(dòng)腦的技能，學(xué)習(xí)了撰寫科技論文。

研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和創(chuàng)新的一種舉措，體現(xiàn)了以人為本的教育思想，有利于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)真正成為學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)、培養(yǎng)能力的基本方法和有效途徑。

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基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（10902024）；江蘇省自然科學(xué)基金（BK2010397）；航空科學(xué)基金（20090869009）；江蘇省教改項(xiàng)目（2011JSJG115）。

作者簡介：周志紅（1955-），女，南京人，教授，主要從事結(jié)構(gòu)振動(dòng)測試與分析研究。endprint