光测力学线上教学与虚拟实验实践.pdf
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1、 西南交通大学学报(社会科学版)2023 年 2 月 JOURNAL OF SOUTHWEST JIAOTONG UNIVERSITY Feb.2023 第 24 卷 (Social Sciences)Vol.24 增刊第 2 期 实验教学 光测力学线上教学与虚拟实验实践 雷振坤(工业装备结构分析国家重点实验室,大连理工大学工程力学系,大连 116024)摘 要:通过开展光测力学线上课程教学实践,总结在线教学的心得,为更好地深化线上/线下相结合的教学改革提供借鉴。通过对比线下教学、线上教学、线上/线下混合教学模式的基本情况,讨论了学习方法、评价方式的差异性对学习效果的影响。接着介绍了在线教学的
2、经验和特点,设计了多个线上实验教学内容,使用数字光弹性软件开展了虚拟实验教学实践。讨论了线上教学面临的困难和问题,为疫情后深化线上/线下混合教学给出了几点体会。关键词:线上/线下混合教学;线上实验;光测力学 作者简介:雷振坤,Email: 一、引言 在疫情期间采用线上网络教学为主的教学模式面临着挑战,网络教学具有共享性、灵活性和直观性和回放性的优点,教师通过合理设计教学内容,利用线上多样教学形式来控制教学质量。同时,学生需要开展自主线上学习,主动提高学习能力。杨萍通过开展物理化学课程线上教学,将理论和应用实例按比例分配教学内容、面对面线上答疑,认为线上教学模式能够激发学生的潜能和学习兴趣1。汪
3、艳璐等实施“优质资源与个性化教学”、“基础教学内容与拓展性知识”、“学生自主学习与教师辅助引导”、“学生反馈与教学反思”、“学习通与社交工具”相结合的教学模式,也取得了较好的教学效果2。但是,线上教学仍然存在一些困难,比如多媒体教学平台限制、线上虚拟实验教学如何开展等。此外,线上教学还需要面对深层次的教育问题,从被动学习转变为主动学习,从知识学习到能力培养。根据光测力学线上课程的教学实践,本文通过对比线下教学、线上教学、线上/线下混合教学模式的基本情况,设计了 8 个线上虚拟实验教学内容,讨论了线上教学的经验、特点和难点,为疫情后的线上/线下混合教学提供借鉴。2 西南交通大学学报(社会科学版)
4、第 24 卷 二、教学模式 光测力学课程是理论和实验相结合的授课方式,因此教学内容中包括理论授课和实验操作两部分,如图 1 所示。其中,理论授课包括光弹性方法和现代光测方法,实验课包括层层递进的 6 个光弹性实验和 2 个演示性实验。图 1 光测力学课程教学内容 疫情前后光测力学课程经历了三种教学模式,即疫情之前的线下教学模式、疫情期间的线上教学模式,以及疫情之后的线上/线下混合教学模式。这三种教学模式对应的教学内容、学习方式、评价方式、学习效果有着各自不同的特点。表 1 列出了疫情前后光测力学课程的教学模式变化,其中百分比为各部分考核成绩占比。可见,线上/线下混合教学模式融合了线下动手实验、
5、线上视频演示的各自优势,对学习情况评价方式更加细化。表 1 对比疫情前后光测力学的三种教学模式 疫情前的线下教学模式 疫情中的线上教学模式 疫情后的线上/线下混合教学模式 线下授课 24 学时 线下实验 12 学时 线上授课 24 学时 线上实验 12 学时 线上授课 8 学时(前 2 周)线下授课 16 学时 线下实验 12 学时 线下考试 60%线下实验 40%线上视频观看 20%线上讨论 10%线上作业和单元测评 40%线上考试 20%线上视频+讨论+单元测评计入平时成绩;线下课堂表现+实验表现计入平时成绩;线下实验:计入实验成绩;最终成绩:平时成绩 10%+实验成绩 45%+考试成绩
6、45%表 2 对比了线上和线下教学模式的学习方法,与线下教学模式单一的学习方法相比,线上教学模式具有多种学习方式,包括观看视频、主题讨论、撰写线上实验报告、单元测评和线上答疑。为了方便评价线上学习效果,表 3 给出了 2020 年光测力学课程的线上学习情况统计。从表可见,在作业、讨论、时间、访问量等线上学习情况方面的交互非常多,所获得的线上学习效果优良率达到99%。增刊第 2 期 3 雷振坤 光测力学线上教学与虚拟实验实践 表 2 线上和线下课程的学习方法对比 线下教学模式 线上教学模式【线下授课】:按正常课堂教学进行。【线下实验】:每周一次,分组开展,每组 18 人。【学习方式】:“超星学习
7、通”观看录播课件“闯关模式”自学,不限时间学习,但保证每周既定的学习进度。【学习模式】:观看录播视频主题讨论写实验报告完成单元测评。【线上实验】:即每周实验报告,根据教师提供的报告模板撰写、手动绘图或线上课程截图。开展在线实验教学面临难度:要求教师尽可能将实验现象复现或灵活替换成可复现的实验内容,并且保证学习效果相同。【主题讨论】:设置主题讨论,鼓励提出问题(回复或点赞加分)。【单元测评】:单选题和判断题;每周发送一次。【QQ 答疑】:每周 QQ 群实时答疑和讨论问题 2 次。表 3 2020 年光测力学线上学习情况统计 线上学习情况线上学习情况 线上学习效果线上学习效果【线上开课场次】:12
8、次,10个单元共 49个任务点,其中录播视频占 83.84%。【自创作业】:20份,试题数:265,其中主观题量 9份,客观题量 256份。【发布作业】:16次(1312份),作业提交数 1302份,教师批阅数 1300份(不含 2份打回重复作业)。【自创讨论】:32次,回复学生讨论 79次;学生讨论 2229次。【线上学习时长】:学生访问量累计 17065次,最长观看时长 781分钟,平均观看时长 376.5分钟。【开卷考试】:题目乱序、答案乱序,82人参加考试,提交数 82份。【成绩分布】:优 89%,良 10%,中 1%。相比之下,表 4 给出了 2021 年光测力学课程的线上/线下学习
9、情况统计。从表可见,在线上成绩组成中,视频、学习次数、测评几项表现良好,但是线上讨论环节的表现不好(3.3/10=33%),这说明当疫情控制住后的线下学习还是学生的主要喜好。另外,在表 4 的线下成绩组成中,线下考试和实验操作为重点(占 90%)。所获得的线上/线下混合学习效果优良率达到 84%,低于 2020 年线上学习模式的优良率(99%)。4 西南交通大学学报(社会科学版)第 24 卷 表 4 2021 年光测力学线上/线下学习情况统计 线上线上/线下混合学习情况线下混合学习情况 线上线上/线下混合学习效果线下混合学习效果【线上】:线上开课场次 4次(第 1-2周),2个单元共 35个任
10、务点,实验 2个,学习次数 2617 次,平均观看时长270.4分钟。【线上测评】:5次测评,试题数 327个,提交数 149份。【线下】:开课 8次(第 3-6周);实验 4个,分 8组次。【成绩组成】:线上成绩占5%,平时成绩占 5%,作业和实验操作占 45%,线下考试占 45%。【成绩分布】:优 39%,良45%,中 10%。三、线上教学 1.学习质量差别 从表 3 和表 4 可见,线上学习模式具有更高的优良率,也获得了学生的喜好,但是线上教学潜在的学习质量问题值得深入的探讨。尽管线上学习的评价方式细致且多样,但是也暴露出学习质量难以得到保证的问题,归根原因是以分项分数控制为目标的线上学
11、习模式,尽管存在很多师生交互,但也无法真正调动学习兴趣,更无法获得知识实践感受。相比之下,通过线下课堂讲授魅力、师生眼神交互、互动问答讨论、实践操作、实地数据采集、误差分析与质疑等方式,更能调动学习兴趣,积极思考与实践,达到学以致用的目的。2.知识拓展应用 借助多媒体可视化和网络交互便捷的特点,可更加充分地融会知识,并拓展知识应用,举例如下。(1)三点压缩圆盘的第一主应力方向角判断 在 认识等色线和等倾线 实验中,通过观察三点压缩圆盘在典型偏振光场中的等倾线变化情况,绘制出等倾线分布如图 2(a)所示,并确定 0 度或 90 度等倾线(蓝色)将三点压缩圆盘分成了 6 个子区。接着,判断某个边界
12、点等倾角是第一还是第二主应力方向角,以边界 A 点为例,画出边界 A 点的应力状态:边界点 A 的等倾角为 20 度,其切线方向受压缩(第二主应力20),法向方向不受力(第一主应力1=0)。得到结论:边界 A 点的等倾角就是第一主应力方向角,A 点所在的子区为 1区,且边界 A 点所在的子区的等倾角都为第一主应力方向角。以边界 B 点为例同理得到该子区为增刊第 2 期 5 雷振坤 光测力学线上教学与虚拟实验实践 2区,且边界 B 点所在的子区的等倾角都为第二主应力方向角,需要减去 90 度来转化为第一主应力方向角。最后,根据“相邻子区,主应力区相反;相对子区,主应力区相同”的原则,判断其他子区
13、的情况,最终将等倾角全部转化为第一主应力方向角,如图 2(b)所示阴影区为2区,需要转化为第一主应力方向角。只有将全部等倾角按照上述方式转化为第一主应力方向角,这样才能方便后续的剪应力计算和应力分离工作。图 2 三点压缩圆盘的第一主应力方向角判断(2)材料条纹值的确定实验中的疑问 在上述材料条纹值的确定实验中,对径压缩圆盘逐步施加载荷,在白光正交圆偏振场中,直到绛紫色条纹通过圆盘中心,记录此时载荷值。那么,有疑问是“为什么要记录绛紫色条纹呢?”在“光弹性的基本原理”课中讲到“白光是红光到紫光各种颜色可见光的组合,红光波长最长,紫光最短,如图 3 所示。每种颜色光发生消光现象将出现互补光,我们在
14、实验中观察到互补色是“绛紫色”,意味着“橙黄色”发生了消光。计算机使用 RGB 三原色模型来模拟颜色的,如图 3(b)所示,白光对应(R=255,G=255,B=255),A A 20 20o 1=0 B B 20 20o 1=0 (a)(b)图 3(a)白光中消光和互补色(b)计算机的 RGB 三原色 黄 绿 青 蓝 紫 红 橙 互补色(a)(b)6 西南交通大学学报(社会科学版)第 24 卷 红光对应(R=255,G=0,B=0),绿光(R=0,G=255,B=0)和蓝光对应(R=0,G=0,B=255)。黄光(255,255,0)消光,其互补色是蓝光(0,0,255)。一定载荷下,对经压
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