利用实验教学全程录像，提高实验教学质量
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作者:刘习军 张素侠 崔福将 周安琪 李利青
摘要：实验教学是高等教育的一个重要组成部分，提高实验教学水平，使实验教学形式具有灵活性、直观性、趣味性，是提高实验教学质量最有效的方法。在实验教学中进行全程录像，培养实验教学操作能力，是一种既节省堂上教学学时又可保证实验教学质量的新方法。
关键词：实验教学;高校课程;教学改革;
中图分类号：G642.423 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2020）13-0388-03
一、前言
实验与理论并重是现代教育重要的教学思想，怎样全面贯彻实验与理论并重的教学方针，如何提高学生的实验动手能力和实验水平，是每一位教师应该认真思考的问题。在实际的教学活动中，采取灵活多样的教学方式，既能保证教学质量，又能提高教学效果。具体而言，实验教学全程录像是一种新颖的教学模式，可为学生提供真实、详细的实验细节，不仅有利于进行课后的复习，同时便于对实验过程进行分析研究[1]。事实上，通过反复观看实验教学全程录像可以提升学生的学习能力，激发他们的学习积极性，从感性到理性的升华，从浅显到深刻的递进，实现学生的综合性培养[2]。对实验教学方法的改进，既可提高实验操作能力和实验水平，又能活跃实验教学氛围，增强教学活动趣味性。因此，实验全程录像的直观性是提升实验教学效果的重要举措[3]。
二、实验教学录像的内容
根据教育部制定的教学大纲以及天津大学“工程振动测试技术”课程教学的实际情况，综合考虑教学的专业性、实践性的特点，制定了有关的实验内容，其中有基础性实验、创新性实验、科研成果转化成教学的实验。
（一）基础性实验
1.振动系统认知实验。本实验录像应用于课程的第二章开始前的预习，由于学生对测试系统不了解，通过本实验录像让同学们在讲解授课前，对振动系统的仪器设备有一个具体的实物化概念，带着疑问和好奇来学习第二章书本内容。随后，在讲课过程中再在实验室进行认知，实现从具体到抽象化概念再到具体的学习过程，不仅增加了学习兴趣，激发了学习热情，同时也有利于接受慢的同学对知识的全面消化吸收。
2.振动传感器的安装实验。由于传感器多种多样，安装方法各不相同，因此仅利用书本的文字和图片讲解，无法取得良好的学习效果。通过本实验录像使学生初步了解传感器的安装方法，然后现场展示不同传感器的安装方式。解决了第三章所讲的传感器的安装问题。利用本实验录像对本章内容预习与复习，可加深对传感器结构和安装方法的了解，为今后的实际工程应用打下良好基础。
3.振动传感器校准实验。测试系统的准确度决定了测试结果的准确性，所以对测试系统进行校准是实验的重要环节。将本实验录像应用于讲课前的预习和复习，不仅可以节省教学时间，同时可以培养学生的动手能力。
（二）创新性实验
1.高阶振动基本参数测试实验。线性振动中应用的原理是振型叠加原理，对于此定理有理论推导，但很少有实验验证。本实验就是應用第8章小波变换原理及理论对振型叠加原理的实验验证。此实验不但证明了振型叠加原理，又体现了小波变换在解决实际工程问题中的应用[4]。
2.虚拟仪器的应用及编制实验。虚拟仪器近年来发展很快，本实验录像是利用虚拟仪器平台的应用，通过编程证实了有关数字处理中采样定理、窗函数的应用，本实验录像是根据虚拟仪器编制步骤的细节录制的，通过观看录像即可完成有关章节的学习，通过自学实验录像就能达到预期的学习目的和效果。
3.车辆桥梁耦合动态应变及冲击系数实验。理论联系实际是学习的重要环节，本实验是桥梁工程上测冲击系数的重要实验，应用到应变传感器和加速度传感器。由于是对工程问题的首次尝试，许多新概念和新装置需要被思考和创造，同时本实验录像也是应用数字信号处理的首例，因此，本实验录像对于此部分知识的学习起到关键作用，同时可以提高学生的创新思维和创造力。
（三）科研成果转化成教学的实验
1.中华文物编钟的振动特性测试实验。振动理论的应用十分重要，本实验是对中华文物编钟的振动特性的测试实验，彰显中华文化编钟的深奥科学原理，让学生理解振型和节点在工程中的应用，以深化对振动理论的理解，由于实验过程复杂，时间较长，对实验录像的观看就满足了反复学习的需要。
2.龙洗综合振动实验及重力波实验。中华文物龙洗是我国的重要文物之一，不仅有重要的科学价值，而且极具艺术观赏性，从科学角度来讲，学生对平面模态比较容易接受，但对于三维的立体模态较难理解，本实验可解释切向激振法向振动、高频激振低频振动等多项奇妙的力学现象[5]。
3.车辆桥梁耦合系统模态分析实验。利用传递函数对测试系统进行模态分析，一般应用于小型测试对象，但对于大型结构如桥梁、房屋、大型机械则需要应用环境法进行模态分析。此实验利用车辆进行激振，对桥梁进行模态分析。这是一个工程模拟实验，不仅锻炼了学生的动手能力，还加深了对工程实际的了解，对知识的实际应用转化进行了尝试。
4.覆冰导线舞动实验。覆冰导线的舞动是一种非线性系统的自激振动现象，只有在满足一定的条件下才能发生，由于工程振动测试技术课程的测试方法与发生什么振动没有关系，为了让学生开拓眼界，增长知识，自制了本实验装置。通过本实验向同学们展示了在自然界中蕴含着丰富的振动现象，很多力学问题有待被发掘和研究，这有利于提升学生的观察力和能动性，增加求知欲。[6]
以上三类不同的实验，体现了不同振动实验的动力学特色，学习过程需要反复思考才能体会。通过使用录制仪器录像进行对教学实验改革，为探索“工程振动测试技术”课程的新型教学模式，保证实践教学内容的完整性和提高教学质量提供有益的经验。
三、实验教学录像的制作
近年来，随着高科技技术的发展，出现了许多先进的测试仪器，为测量提供了先进的技术手段，传统的测试技术正在走向数字化，同时与其他学科相互渗透和交叉，不断加强新技术、新理论的引进和应用，为数据测量、采集和处理一体化提供了可能，真正实现了测试技术数字化、精密化、自动化、智能化和信息化。先进仪器用于教学实践，在一定程度上可以使学生最快了解实验技术手段的前沿，有助于学生尽快进入研究阶段。 测试仪器虽然在不断更新换代，但是在数字化方面，由于计算原理是相同的，所以只要精通了一种设备的应用，其他设备的应用也就迎刃而解了。为此，在实验教学录像之前，首先将有关仪器设备的使用步骤和数字计算处理方法进行梳理总结，选用最常用且最具代表性的仪器设备进行录制。介绍它的工作原理和部件的界面功能，数据采集和基本参数选取，及其常用功能和操作步骤，大部分内容能够满足学生熟悉仪器使用的要求。
录像由专业人员进行仪器规范性示范操作，并且由专业人员讲解，在增强学生操作的规范性，提高实验教学效率的同时，对学生实践技能的提升也将起到良好的作用。
四、实验教学录像的应用
实验教学是高等教育实践体系人才培养过程中不可缺少的重要组成部分，实验教学能有效提高学生综合素质，培养学生理论联系实际的能力。
近年来，多媒体实验教学发展迅速，多媒体实验教学改变了传统教学模式，能有效地调动学生参与实验的积极性，而且便于把不易表达的内容直观生动地展现出来。在当前实验教学中，实验教学录像应用主要集中在实验操作之前的预习阶段和课后复习阶段。
在实验操作之前的预习阶段，实验教学录像的解说一般对实验目的、实验原理、实验内容、仪器操作演示和数据处理等进行详细讲解。可以实现课前观看，使学生在上课之前了解实验仪器的使用，保证课上教学进度正常进行，在一定程度上弥补了课堂时间短的不足。
在实验课之后，对于常规仪器，可通过实验全程录像进行课后复习。对于某些先进仪器，在实验课学习使用后，通过录像也可加深了解。
五、实验教学录像的应用效果
通过对实验教学录像的应用，取得了预想的效果：
（1）通过观看实验的全程录像，不仅可以完成课堂上的全部实验教学内容，而且可以使学生课后有充足的时间进行仪器使用操作的学习。
（2）通过对实验内容的理解、仪器的使用、具体方法的归纳总结，可激发学生的探索与创新精神。
（3）此实验课程不仅培养了学生的动手操作能力，促进了理论教学与生产实际相结合，也为以后进入工作环境、走向工作岗位打下了良好的专业基础。
六、总结
应用实验教学全程录像，使实验教学形式更具有灵活性和趣味性，是提高教学质量最有效的方法。在实验教学中，不仅促进了学生在实验过程中能集中精神认真地规范操作，能够加强实验教学操作能力的培养，成为一种既节省堂上教学学时又可保证实验教学质量的新方法。
参考文献：
[1]贾启芬，张素侠，刘习军.将工程教育融入力学课程教学之中[J].教育教学论坛，2010，（36）：27-28.
[2]陈俊翔.在线教育发展下的高校课程与教改研[J].教育教学論坛，2019，40：112-113.
[3]钟顺，贾启芬，张素侠，等.创建三维力学工程教学系统的实践研究[J].教育教学论坛，2012，（36）：234-235.
[4]刘习军，相林杰，张素侠.基于小波分析的简支梁桥损伤识别[J].振动测试与诊断，2015，35（5）：866-872.
[5]徐景满，刘习军，马秋生.矩形弹性壳液耦合系统重力波的数值分析[J].机床与液压，2008，（04）：63-64.
[6]刘天翼，刘习军，霍冰.连续体覆冰导线模型的舞动实验研究[J].实验力学，2016，（2）：186-192.
To Improve the Quality of Experimental Teaching，the Whole Process of Experimental Teaching is Videotaped
LIU Xi-jun，ZHANG Su-xia*，CUI Fu-jiang，ZHOU An-qi，LI Li-qing
（School of Mechanical Engineering， Tianjin University，Tianjin 300354，China）
Abstract：Experimental teaching is an important part of higher education.It is the most effective way to improve the quality of experimental teaching to improve the level of experimental teaching and make experimental teaching form flexible，intuitive and interesting.In experimental teaching，the whole process of experimental teaching is videotaped，and the cultivation of experimental teaching operation ability is carried out by using the whole process ofexperimental teaching video，which is a new method that can not only save teaching hours in class but also guarantee the quality of experimental teaching.
Key words：virtual experiment;virtual experiment;college courses
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