廖 斌

实验教学是巩固和加深理论认识的有效途径，同时也是培养具有创新意识的高素质工程技术人员的重要环节[1]。随着时代和技术的不断进步，教育部等有关部门对实验教学的重视程度越发提高。在实验教学过程中，实验前的准备、实验中的操作和观测以及实验后的数据分析环节对于培养大学生动手实践、分析及解决问题、团队合作等方面能力起着非常重要的促进作用[2]。对于大部分高校而言，实验室是承担大学生各类课程实验教学的主要场所，是增强大学生素质教育的前沿阵地[3]。而实验室仪器设备的状况、技术人员的学术以及管理水平、实验室的发展规划等因素对实验教学存在显著影响。如何统筹协调解决上述问题，是目前高校实验教学改革的热点方向，也是实验室建设的重中之重。

本文基于材料力学这一机械土木类工科主要专业基础课的实验教学，以自制仪器设备为有效解决途径，探讨此方法对实验教学的促进作用。

1 开展自制仪器设备的必要性

笔者所在大学是一所以工科为主的省属多科性高等院校。材料力学是我校机械土木类专业非常重要的一门专业基础课。基于该门课程与工程实际密切相关的特性，实验教学是材料力学课程教学的重要环节。通过轴向拉伸压缩、扭转、弯曲正应力测定以及弯扭组合应力测定等基础实验，大学生能熟悉常见金属材料的力学性能、矩形截面梁在纯弯曲条件下的应力分布规律以及薄壁圆筒弯曲扭转组合变形条件下的应力应变关系。在上述实验的预习、操作、观测以及数据处理过程中，大学生能巩固课堂所学知识、增强发现解决工程实际问题的能力、提高自身的工程素质。下面就开展材料力学实验的仪器设备存在的一些问题来阐述开展自制仪器设备的必要性。

1.1 仪器设备台套数偏少、部分陈旧

由于高校的连年扩招，大学生数量明显增加。常规的实验教学经费投入难以跟上扩招形势下的实验教学需求，使得实验室仪器设备台套数不足的问题突显而出，更是难以满足本科评估以及工程认证对实验仪器设备台套数要求的硬性指标。一两人共用一套仪器设备的标准很难达到，大部分是4 人甚至6 人共用一套仪器设备。共用一套仪器设备人数过多使得只有少部分学生能动手操作，降低了其他同学的实验热情，进而出现有的学生等着抄数据的现象。显然，仪器设备台套数偏少的情况下我们难以达到预期的实验教学效果。

另外，实验室的仪器设备还存在部分陈旧的问题。例如，承担轴向拉伸压缩实验任务的液压式万能试验机生产于1989年。虽然仪器设备整体运行正常，但没有配备计算机以及电动辅助手段，操作过程相对烦琐。而生产于2003年的纯弯曲梁实验装置由于加载手轮丝杠打滑以及传感器的灵敏度问题，导致数据偏差较为明显，一定程度地影响学生的实验兴趣。再者，实验仪器设备陈旧易频繁引发故障，使得实验教师上课时需分心应付，影响上课氛围和教学效果。以上由仪器设备陈旧所带来的一系列问题，不仅影响了实验教学效果，还对实验教师的教学质量带来负面影响。

1.2 仪器设备维修困难

对于存在陈旧仪器设备的实验室而言，维修困难一直是老大难问题。笔者主要分以下四方面阐述。一是仪器设备保修说明书保存不当或者过于简单，实验技术人员难以采用正确措施予以维修；二是实验仪器设备维修涉及的知识范围较广，使得大多数维修只是临时补救，故障后续可能再次出现；三是由于仪器设备年代久远，更新换代导致内部零件出现故障后难以更换；四是陈旧仪器设备的维修费用较高，将耗费实验室有限经费的大部分。上述维修困难问题使得实验室管理存在诸多不便，同时耗费了实验技人员大量的时间和精力。虽然实验技术人员在陈旧仪器设备维修过程中锻炼了动手能力，也提高了维修水平。但从长远发展来看，实验技术人员没有多余的时间和精力去从事先进技术的学习，一定程度上限制了其学术水平的提高。

2 自制仪器设备对实验教学的促进作用

针对当前实验仪器设备面临的种种问题，同时为满足时代发展和高等教育的需求，实验教学改革是摆在实验教师以及技术人员面前的一项较为紧迫的任务。通过思索、讨论与实践，我们认为通过自制仪器设备不仅是缓解当前台套数偏少、部分陈旧、维修困难等问题的有效途径，同时对实验教学也起到了明显的促进作用。

2.1 缓解仪器设备台套数不足问题

自制仪器设备的经济成本普遍较低，例如，我校力学基础实验室自制的基础力学综合实验装置（如图1所示），只要投入相对少量的资金即能重复生产。多台套自制仪器设备的加入显然可以解决当前台套数不足的问题，使得实验室可以容纳的学生人数增多，一定程度上缓解了实验教师重复教学次数，提高了实验教学的工作效率。

图1 基础力学综合实验装置

2.2 解决仪器设备维修困难问题

实验室仪器设备陈旧、维修困难制约实验室进一步发展，同时也在一定程度上限制了实验技术人员自身水平的提高。通过自制仪器设备可以较好地解决以上问题。首先，实验技术人员对自制仪器设备的参数范围、结构、功能和使用步骤非常熟悉。一旦使用过程中出现问题，技术人员能快速判定故障原因，及时修复，保证仪器设备后续的正常运行。这样对实验教学的影响较小，有利于教师维持教学秩序，并且对实验室的管理也起到积极的推动作用。其次，通过自制仪器设备可以提高实验教师及技术人员的学识水平和动手能力，激发他们的科研兴趣，从中获取的教学以及科研成果可以帮助实验教师及技术人员职称晋升以及岗位评定。在自制仪器设备良性的推动作用下，调动实验教师以及技术人员的工作积极性，有助于提高实验教学质量水平。

2.3 提升实验教学质量水平

本节从自制仪器设备的三个特性来阐述其对实验教学质量水平的提升作用。

2.3.1 自制仪器设备的功能多样性

实验仪器设备的自制可以根据课程特性以及专业培养大纲要求的实验项目来制定基本的设计思路，并可在此基础上开拓思维加入其他实验的设计元素。由此制作的实验仪器设备不仅具有适用性强，功能多样的特性，还可通过简单的调整设置即能实现不同实验项目的操作。例如，图1 中的基础力学综合实验装置能实现材料力学实验课程中的弹性常数E（弹性模量）和（泊松比）测定、偏心拉伸应力测定以及斜弯曲下梁的中性轴位置测定等实验项目。以上项目对力学基础实验室现有的实验项目给予有效补充，这样既能进一步满足实验教学需求，还可为实验力学竞赛的准备工作提供操作平台。另外，在实验仪器设备的制作过程中，大学生通过参与实验方案设计、零件图绘制、仪器仪表选型、安装调试、设置运行、编写实验说明书等方面工作，接受了较为全面系统的工程训练，将所学的课堂知识与工程实际进行较为深入的融合。这样对提高学生的综合素质大有裨益，因而受到学生的广泛好评。

2.3.2 自制仪器设备的直观性

实验教学是巩固课堂知识的有效手段，而实验仪器设备则承担着将书本上晦涩难懂的理论模型直观呈现给学生，帮助他们理解掌握课堂知识的任务。由此看出，实验仪器设备的直观性对实验教学质量水平有着明显的促进作用。现有市场上流通的实验仪器设备大部分为工业化生产，集成度较高，内部结构和运行原理的直观性较差，学生难以从实验中获得对课堂知识更为深入的理解。反观自制仪器设备，首先从方案设计中就可以贯彻直观性的指导思想。其次，在仪器设备组装、运行调试过程中，大学生、实验教师与技术人员均能参与进来，在相互学习讨论、实践操作过程中，自制仪器设备的直观性优点显露无遗。由此，学生能加深对仪器设备运行原理的理解，巩固对课堂知识的掌握，甚至可以拓展思路，对仪器设备进行设计改造，加入更多的功能，实现更高的精度。在这种良性推动作用下，实验教学的质量水平也得到了相应提升。2.3.3 自制仪器设备的经济性

实验教学仪器设备专用性较强，又属于较先进的技术产品，市场的流通量较小，只有高校、研究所等少数机构单位有购置需求。在这种形势下，现有市场上流通的高校教学用实验仪器设备的普遍价格偏高。在教学用实验仪器设备资金较为短缺的形势下，自制仪器设备的经济性的优点突显出来，通过自制仪器设备来解决经济上的问题不失为一种行之有效的有效手段。以图1 中的基础力学综合实验装置为例，通过购买铝合金型材、荷载传感器、丝杠[4]、夹具[5]、加工实验耗材等费用合计不超过五千元，却实现了市场上动辄数万元实验装置的功能。通过自制仪器设备可以为学校节约部分资金，多余资金可设立更多的仪器设备改造项目、实验课建设项目以及大学生创新实践项目等，对整个学校的实验教学质量水平起到积极的推动作用。

3 结语

基于材料力学实验教学，以自制仪器设备为解决途径，探讨了此方法对实验教学的促进作用。具体从功能多样性、直观性和经济型的角度阐述了自制仪器设备如何能有效解决目前力学基础实验室台套数偏少、部分陈旧，维修困难，经费偏少等问题，有助于维持教学秩序和实验室管理。通过自制仪器设备，大学生能接受较为全面系统的工程训练，将所学的课堂知识与工程实际进行较为深入的融合。同时，实验教师及技术人员能提高自身的学识水平、激发自身的科研兴趣、调动自身的工作积极性。在对实验教师及技术人员和大学生均具有良性推动作用下，对实验教学质量水平也起到了明显的促进作用。