力学实验课程信息化教学设计与实施——以金属材料的力学性能测试为例

（海军工程大学基础部    吴菁  章向明 杨少红）

摘要:本文以力学实验核心课程内容“金属材料的力学性能实验”为例具体展示信息化教学设计与实施过程。在教学内容重难点确定的基础上,信息化教学区别传统教学设计主要包括教学目标、教学方法、学习情境和学习活动组织设计，形成适合我校力学实验课程信息化教学设计方案，应用课程实际信息化教，效果良好。

关键词:信息化教学;力学实验;设计与实施

1引言

信息技术的迅速发展和教育教学观念的不断更新，势必引起高等教育的持续变革。我国的《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020）》明确指出“信息技术对教育发展具有革命性影响，必须予以高度重视”^[1，2]。

力学课程是高等院校机电、土木等多专业学科的重要专业基础课程。力学课程是现代工程技术的理论基础。然而很多理论的创立都是建立在大量的实验结果的基础上，很多的理论假设和推导出的公式，必须通过实验来验证。力学实验教学是培养学生独立操作、观察记录、分析归纳、撰写报告等多方面能力的重要环节。它能够加深学生对概念的理解，增强对理论知识的感性认识，培养学生的动手能力、探索能力和创新精神。通过力学实验，培养学生具备根据实际工程和海军装备等问题建立力学模型的能力、思维创新的能力、运用数学工具的计算分析能力和动手能力。传统的以教师为中心的教学方式手段单一、内容枯燥，教学效果欠佳。^[3，4]

2教学设计

2.1教学目标设计

根据本次课（金属材料的力学性能实验）的重点和难点,联系学生的实际，我将本次课的教学目标分为专业能力目标、方法能力目标和社会能力目标三个方面。(1）专业能力目标：学会测定低碳钢拉伸时的屈服极限、强度极限、延伸率、断面收缩率和铸铁拉伸时的强度极限。观察两种材料在拉伸时的变形及破坏现象，并绘制拉伸图（曲线）。通过实验充分认识塑性材料和脆性材料的特点，观察拉伸过程中曲线中各阶段特点及对应参数；（2）方法能力目标：掌握材料性能测试的方法，学会使用电子万能试验机，并利用信息化处理方式处理实验数据。并且，善于利用信息化教学模式，使学生掌握网络化预习-复习的学习模式。通过有层次的课后作业提高学生的综合能力；（3）社会能力目标：培养学生认真参与、积极交流、勇于纠错和团结协作的主体意识，形成自我学习的能力。最终使学生合理整合网络资源，为我所用。

2.2教学方法设计

    结合本次课课程内容特点，教学实施过程中主要运用了以下几种教学方法:（1）任务驱动教学法：通过图片动画等多媒体方式提成跨越时空的问题引发学生的讨论和兴趣。而如何选择材料必须首先了解材料在使用过程中表现出来的力学性能。通过教师的提问，提成具体的教学任务，学生解答，让学生明确本节课的学习目标。（2）理论-实际结合的教学法：在实验室内边讲授边操作，真实记录材料性能参数，观察变形现象，分析实验操作中需注意的问题，以及理解所测力学参数的涵义。（3）小组讨论法：学生在讨论中，积极参与，畅所欲言，充分锻炼表达能力。（4）自主合作探究法：在自主合作探究过程中，培养学生分析问题解决问题的能力和团结合作意识。

 2.3学习情境设计

    信息多元化促进教学资源从单一PPT课件到、教具、多媒体教材、Mooc、网络课程、视频仿真等，综合利用各种教学素材，多场景的切换的授课方式，可以形象地演示课程内容。但同时多元化会引起知识结构清晰度降低，,因此必须在前期设计各类情境，明确它们针对的教学环节。本次课使用的情境包括：（1）真实情境：教师课前根据材料拉伸变形特征，将不同变形情况下的试件保留下来，学生可在课堂看到试件变形各阶段的实物，加深对变形特征的理解。（2）实物操作情境：在实际操作环节，为每组学生准备了标准试件，让学生可以直接接触到典型材料，并动手完成拉伸和压缩测试实验。（3）问题式情境：在教学的各个环节中创设相应的问题情境,有序地启发引导学生探究、思考、提升。（4）虚拟情境：利用多媒体教材和校园网模拟实验过程,营造虚拟实验氛围。（5）互动式情境：课堂上，教师和学生共同完成实验，共同测试性能参数。课后，也可通过工程力学多媒体教学互助平台在线答疑，深入交流。

2.4学习活动组织设计

    学习活动包括课前预习、课堂引入、课内理实一体化和课后交流4个环节，每天环节都有其具体活动组织内容。（1）课前预习环节。学生根据自身基础和兴趣，通过大学校园网内工程力学实验多媒体教材配套的网络课程和教学视频，强化已学知识的理解和新学知识的预习。从而便于教师把握教学进度，为课堂教学奠定基础，提高课堂教学质量。（2）课堂引入环节。通过多媒体教学，营造人文故事氛围，创新性的切入点让学生了解材料力学性能的重要意义，提成本次课所要解决的问题。（3）课内理实一体化环节。结合基本理论的讲解，将学生按组划分，自主完成实验操作，得到各项材料性能参数。教师利用学生实验所得数据开展课堂讲解，对比不同材料性能差别和变形特征，完成核心知识点的学习。（4）课后交流环节。通过校园网工程力学对媒体教材，巩固知识点，并可在线提交作业。学生和教师利用交流平台在线答疑和讨论，这样及时为学生解疑答惑，同时便于教师及时发现问题，调整教学内容和方法。

3.信息化教学设计的实施

    整个课程的实施分为课堂引入、事务操作、知识拓展和归纳总结4个环节。每个环节在设计之初须综合考虑：如何引导提问，突出重难点和易错点。如此设计的意图是什么？设计用哪些媒体资源？是否恰当。从而保证教学重难点突出，多元化的教学形式和内容切实丰富课堂教学，而不是简单的罗列与堆砌。以下简略介绍本次课的具体实施过程。

3.1课堂引入

    【引导式提问】如果让刘备的双股剑遇上越王的勾践剑，情况又会如何呢？两剑交锋，谁更厉害呢？本次课就以工程中常用的低碳钢和铸铁两种典型材料为例，研究他们在拉伸和压缩时表现出来的力学性能。(如图1)

    【设计意图】抓住学生们对人文知识更有兴趣的特点，增强课程的信息度,吸引学生的注意力。

    【媒体资源】通过互联网的图片和教师的故事背景描述实现助学助教功能。

图1 课堂引入环节PPT截图

3.2实物操作

    【引导式提问】试件尺寸设计有要求吗？试验结束后还有哪些性能指标需要测量呢？实现分组完成低碳钢和铸铁的拉伸和压缩试验。(如图2和图3)

图2实物操作环节PPT截图                图3实物操作环节实操照片

    【设计意图】实际操作，强化学生对核心知识的理解。

    【媒体资源】视频动画、视频讲解和教师现场集成的电子试验机实际操作互相配合。

3.3知识拓展

    【引导式提问】铸铁拉伸曲线和变形现象有何不同呢?用实验数据和现象说话。(如图4)航母上的阻拦索该选用何种材料制作才能满足工作要求呢?必须充分了解材料的力学性能。（如图5）

    【设计意图】与装备应用结合，体现海军特色，拓展课程内容。

    【媒体资源】图片、新闻视频和讲解。

图4知识拓展环节数据曲线照片                     图5知识拓展环节阻拦索照片

图6归纳总结环节PPT截图

3.4归纳总结

    【引导式提问】通过典型塑性材料低碳钢和典型脆性材料铸铁的拉伸压缩试验，得出了塑性材料能承拉，脆性材料只受压的结论，并用所学的力学知识回答了力学问题，解释了生活现象。（如图6）

    【设计意图】强化核心知识，锻炼学生的网络应用技术，通过三层次的作业布置锻炼学生的自学能力和团队合作能力，学以致用。

    【媒体资源】基于网络课程的课后练习

4信息化教学设计的创新效果

 课堂上融入了网络课程平台、虚拟仿真技术、三维动画等现代信息技术，采用教学互助平台，增加了教学资源，构建了理论知识讲解/虚拟仿真预习和练习和实际操作三位一体的多维课堂。在教学方式方法上体现理实一体化,提升了理论知识的直观体验，重难点突出,促使学生加深了对理论知识的理解以及掌握提高了后续知识的学习兴趣.学习形式小组讨论、协作完成模式既改善学生在学习中的认知过程，养成良好的自主学习习惯,也解决了课堂上教师精力有限的问题。

5结束语

利于信息技术教学，内容由课内延伸到课外，空间从课堂到实验室，时间从古代到现代，而内容又没有脱离课堂。如此大的课堂容量，常规的教学手段是无法企及的。将多种媒体信息有机地融合为一体，实现有声、可视、形象生动的表达效果，进而为实验教学创设具有疑、趣、难等特征的教学场景，拓宽学生的知识面，展示力学实验的实用性，激发学生的求知欲望和探索精神，大大提高了课堂的效率和教学质量。

参考文献

[1]教育部教育信息化战略研究基地（华中）.中国教育信息化发展报告（2013）[M].人民教育出版社，2015：74-101.

[2]教育部科技发展中心.高等教育信息化发展研究报告(2015)[M].清华大学出版社，2015：81.

[3] 王钊.现代职业教育教学信息化的设计与实施 [J]. 职教论坛 ,2014,(30):72-75.

[4] 王亚玲.信息化教育理论体系的形成与重构 [J]. 中国成人教育 ,2014,(05):22-23.