基于卓越工程師培養計劃的力學專業實驗教學改革與實踐

呂泳 陳建中 黎明發 張紅旗 王珍

摘要：力學專業開設的專業實驗教學重點在于，培養學生利用已學習的理論知識、實驗知識去解決一些實際工程、項目中的問題。現階段的專業實驗內容還停留在常規實驗上，已不能滿足卓越工程師的培養計劃要求，同時也不利于培養學生的創新能力。本實驗教學團隊結合培養大綱的要求，利用校企聯合培養機制，將工程問題作為實驗項目讓學生去思考、去探索解決問題的方法。從新一屆學生的教學效果上看，較好地提高了學生實驗技能和動手能力，進而提升學生工程素養和創新能力。

關鍵詞：力學專業實驗；教學改革；實踐

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）14-0116-02

一、教改背景

我校工程力學本科專業重點培養結構工程方向和車輛工程方向的力學創新應用型人才。工程力學專業以“卓越計劃”國家標準為引導，以行業專業標準為基礎，結合學校層面“智慧引領人生，具有卓越追求和卓越能力，引領建材、交通、汽車三大行業和區域發展的卓越人才”的培養目標與定位[1]，以全面提升工程力學專業人才培養質量為目標，工程力學專業教育將依托學校的行業特色，培養出具備扎實的有限元分析模擬計算能力和力學實驗測試能力，從事結構工程、車輛工程等科學研究與工程結構設計，車輛及零部件產品設計開發、試驗、制造等領域的應用創新型工程技術人才。人才培養的目標：扎實掌握本專業的基本理論知識和相關工程基礎知識，擁有選用相應的理論知識和實踐方法去解決工程實際問題的能力，熟練應用力學測試技術并進行實驗測試分析。力學專業實驗教學是培養和提高學生解決問題能力的主要教學環節之一[2，3]。

本專業開設的力學專業實驗教學現狀：力學專業實驗是工程力學卓越班學生專業必修課程之一，不同于基礎力學實驗，其特點是理論性更強，同時緊密聯系工程實際。本課程由基礎型驗證性實驗、綜合提高型實驗和自主創新性研究實驗構成。基礎型驗證性實驗主要是驗證性實驗，學生掌握理論之后，通過具體的實驗去驗證所學的知識，從而加深對力學現象的認識和力學原理的理解，這部分實驗用于強化學生對設備基本操作和實驗技能的訓練，掌握如何進行實驗結果分析處理能力。綜合提高型實驗，學生掌握了基本實驗技能后，通過提高型實驗培養其應用力學機理去解決力學問題的能力。這部分實驗強調力學相關知識點的綜合運用和自主設計實驗方案，提升分析和處理實驗過程中遇到困難的能力。自主創新性研究實驗是綜合實驗能力的提升，國家大力推進“大眾創業、萬眾創新”的人才模式培養[4]，在實驗教學中也要培養學生的創新能力，從科研項目和工程項目中發現和凝練相關問題，做到另辟蹊徑，架設理論聯系實踐的橋梁，提出解決方案并付諸實施。

力學實驗中心現開設的自主創新性研究實驗項目包括：光彈性實驗、預制疲勞裂紋實驗、動平衡實驗、真實應力應變曲線測定和斷裂韌性等5個試驗。所開設的實驗內容與實際工程的貼合度不高，無法充分發揮學生的創造力，不能滿足“卓越計劃”對學生工程能力培養的要求。

二、實驗教學改革的探索與實踐

為了更好地培養學生的能力，需要探索、更新現有的實驗項目，改革現有的實驗教學形式和考核形式。工程結構與力學系結合培養大綱的要求，利用校企聯合培養機制，將企業生產運行中的問題作為實驗項目安排給學生，實驗內容具備較強的工程應用背景，對學生可以進行多層次的訓練，成績的評定不再以最后的報告作為主要標準，而是考察學生在應用所學知識解決工程全過程中的能力，進行綜合評分。

實驗中心對現有專業實驗部分內容進行修改，增加了類似汽車摩擦制動器性能測試、簡支梁綜合實驗、自行車車架動荷系數測定等一些實驗項目。學生可以在自主創新性研究實驗項目中結合自己的研究方向，自由選擇2個實驗項目完成。

以下為力學系13級教改實踐情況。

以簡支梁綜合實驗項目組其中一個項目為例進行介紹。項目工程背景：隨著我國汽車工業的發展和城市道路建設里程的大幅增長，為了保證通行的效率，同時又能對相關車輛進行監控，通常在道路上，安裝不停車快速稱重自動化測試設備，得到車輛軸重、軸距等信息，用于判斷是否為超載車輛。實驗條件和要求：實驗中心研發了一套簡支梁綜合試驗系統，整體結構按照簡支梁形式設計，梁采用鋼板和工字鋼焊接而成，在梁的兩端安裝鉸鏈支座，一端為固定鉸鏈，另一端為可動鉸鏈的構件。向下挖地槽，用混凝土固定梁的支撐約束構件，梁表面與地面處于同一水平面。實驗目的：要實現簡支梁上面靜、動態物體的質量測量。

我們給出這樣的一個項目需求，要求學生以小組的形式完成實驗內容。在材料力學理論課的學習中，簡支梁結構是一種常見的結構形式，在工程問題分析中經常將結構件簡化為此模型。選擇大家熟悉的簡支梁作為能力拓展訓練的內容之一，首先學生拿到題目不會感覺無從下手，可以從材料力學理論和實驗的知識著手，認真思考，激發靈感，解決問題。

學生制定的實驗方案為人和電動自行車以一定的速度從簡支梁長度方向的縱向對稱面的面板上通過，根據動態應變儀來記錄出人和滑板車在運動過程中的曲線，再結合影響線等理論知識來計算出人和電動自行車的總重量。

（一）靜態重量測量

行車梁截面為組合截面，行車板和工字梁為點焊，實際截面剛度不能按理論換算得到，首先實驗標定截面抗彎剛度EI。應變片均粘貼在梁下翼緣，三個應變片將梁四等分。已知質量的人站在簡支梁中部，通過測取下翼緣長度方向的線應變來求取應力，換算出截面剛度。

（二）動態重量測量

運動物體重量測量，假設為自行車從工字梁板上面通過，將其簡化為兩個間距固定的集中力，假設其距離m為固定值（m可以通過測量得知），在自行車運動過程中，動態應變儀把各個應變片的應變曲線都記錄下來，通過觀察應變曲線，找出每個應變的最大值，再利用結構力學知識（彎矩影響線）找出與其最大應變時對應的行車狀態（車輛位置），再通過聯立方程求解。

靜態荷載相對誤差3.75%；動態荷載相對誤差4.47%。從實驗數據分析，無論是靜態測試還是動態測試，理論值和測量值的相差并不大，誤差都控制在10%以內，進而也驗證了實驗方案的合理和可靠性。

通過本次實驗，讓學生將所學的材料力學、實驗力學和結構力學知識應用到實際工程中，得到了很好鍛煉。通過實驗，對前期的力學學習有更加深刻的認識。

三、結束語

在日常的教學中，常常會碰到學生問到我們學力學畢業后能干什么事情；在實際的企業生產、日常現象、科研問題中都存在許多力學問題，如何讓學生通過實驗課程的改革和實踐去理解和解決相關的力學問題？教改的重點在于讓學生在掌握相關理論知識的基礎上，去應用它解決實際工程問題。通過一些具體的工程實例教學、引導學生建立獨立思考問題的能力，發掘學生的創新能力，在豐富實驗教學內容的同時提高教學質量，對于培養高素質的卓越工程師人才具有重要意義。

參考文獻：

[1]張清杰.讓學生享受卓越教育，成就卓越人生[J].中國高等教育，2011，（21）：12-13，22.

[2]張應紅，孫永厚，景暉，等.卓越工程師培養計劃背景下材料力學實驗改革與實踐[J].實驗技術與管理，2014，（31）：222-224.

[3]王浩程.面向卓越工程師培養構建現代工程實訓平臺[J].中國大學教學，2011，（6）：83-85.

[4]國務院辦公廳關于深化高等學校創新創業教育改革的實施意見[R].國辦發[2015]36號.