“結構設計與測試實踐”的混合式教學模式應用探索
——以服役結構無損檢測為例

李 勇 羅亞軍 許 丁

（西安交通大學航天航空學院 陜西·西安 710049）

“結構設計與測試實踐”是我校工程力學專業本科大三、大四學生必修的集中實踐課程之一。該課程結合工程力學學科特點，通過系列實驗和實踐，使學生有效掌握無損檢測系統設計和優化及工程實際服役結構缺陷的檢測和評估方法，了解動力學響應測試實驗的基本原理，熟悉相關的實驗系統的操作方法以及實驗數據的簡單分析方法和相關參數的識別分析，同時培養學生將流體力學理論知識應用到分析實際建筑結構風載荷、風噪聲等的能力。與偏重理論授課的專業課程不同，“結構設計與測試實踐”是一門“實驗教學為主、理論教學為輔”的實踐課程，有顯著實踐性，可為培養掌握工程結構分析、設計、測試和科學研究等方面專業知識與技能，能在工程結構分析、設計技術應用等領域工作，具有國際視野和競爭力的復合型高級專門人才提供有力支撐。

傳統實驗教學諸如“實驗教學是理論教學的輔助”的思想，大大弱化實驗教學的重要性，不利于在“大工科”背景下對工程力學專業學生的實踐能力培養。傳統實驗教學模式較為單一、教條，教學目標薄弱、過于形式化，教學效果僅能在學生對實驗儀器操作以及實驗步驟感性認識方面得到反映，對學生實踐動手能力培養嚴重匱乏。基于傳統實驗教學模式的“結構設計與測試實踐”實驗教學勢必造成所培養學生無法有效滿足當今社會對工程力學專業人才的要求。因此，本文將在分析傳統實驗教學在“結構設計與測試實踐”實驗教學中所存在問題的基礎上，結合混合式教學模式，探索該課程的實驗教學新模式，可為高等院校實踐課程教學提供一定借鑒。

1 傳統實驗教學模式存在的問題

“結構設計與測試實踐”的實驗教學初期采用傳統實驗教學模式。在具體實施過程中，教師首先對測試對象、實驗儀器進行一般性介紹，繼而演示具體實驗步驟，學生在觀摩演示實驗后按課程實驗手冊所述步驟采用已制備好的實驗工具/探頭等進行實驗，在獲取實驗結果/數據后，采用實驗手冊中的分析方法，分析數據并對照手冊中典型分析結果，完成實驗報告主要內容涉及的結果分析和討論。通過后期對學生實驗報告和期末理論測驗情況的綜合研判發現，在這種教學模式下，學生傾向于對所觀摩的演示實驗進行單純的“重復”，缺乏對實驗方法物理原理、實驗數據處理相關理論及方法等方面的深層思考。同時，由于實驗工具/探頭已先期制備好，無需學生進行結構設計、優化及制作，教學過于突出“測試實踐”而弱化了“結構設計”，因此尚未有效達成培養學生實踐動手能力的教學預期效果。

圖1 “服役金屬構件的渦流檢測”實驗教學線上資源“渦流檢測理論講解及實驗演示視頻”

圖2 渦流探頭設計軟件及結果、學生制備的渦流檢測探頭

初期基于傳統實驗教學模式的“結構設計與測試實踐”實驗教學無法圓滿完成設定的實驗教學目標。同時，“教師與學生面對面授課”的課堂式教學模式過于單一，易造成學生喪失必要的學習興趣及應有的重視而僅“為取得實踐課程學分而進行實驗”，未能有效掌握本課程涉及的結構優化設計方法、測試手段、數據分析算法等核心知識點。初期的課程實驗教學環節及教學效果未能有效支撐相關理論教學內容。

2 “結構設計與測試實踐”混合式實驗教學的探索

鑒于前期發現的問題，為有效提升“結構設計與測試實踐”實驗教學效果，本文以服役結構無損檢測實驗項目“服役金屬構件的渦流檢測”為例，結合混合教學模式，開展了新實驗教學方法的探索。

混合式教學是在線教學和傳統課堂教學相結合的先進教學模式，線上教學資源的建立和完善是達成混合式教學目的的前提。針對“服役金屬構件的渦流檢測”實驗項目，本課程教師著力面向學生建設了相關線上資源，包括渦流探頭設計軟件（TEDDY）使用講解和應用實例、渦流檢測理論講解及實驗演示視頻、測驗題及解答等模塊，學生可在實驗前后對實驗相關理論和方法進行預習和復習，在制作渦流檢測探頭前利用探頭設計軟件對其進行結構設計及優化，了解實驗步驟及理論要點。學生亦可在實驗完成后利用線上資源，結合實測信號，深入分析金屬構件裂紋等典型損傷對檢測探頭阻抗信號的影響規律，夯實服役金屬構件渦流檢測的核心知識要點。值得一提的是，“渦流檢測理論講解及實驗演示視頻”是“服役金屬構件的渦流檢測”實驗項目線上資源的核心，在制作過程中，綜合考慮了工程力學專業學生的知識結構和水平，在參考理論教學用PPT 及知識要點基礎上，對在線授課腳本進行了重新編制，刪除了無損檢測介紹等一般性知識內容，聚焦于金屬構件的渦流檢測，將其作為在線授課腳本的核心內容，突出在線授課所涉及的知識點及動畫演示等。對在線授課的文本和動畫、音頻、視頻三部分素材進行了編輯/錄制，參照授課腳本，錄制授課音頻和視頻。為加強授課內容呈現效果，采用Windows VideoEditor 對所采集音頻和視頻進行高效融合，配合授課文本和動畫演示，利用Camtasia Studio 的組合和美化編輯，最終完成并導出授課素材，如圖1 所示。本課程線上教學資源的建立，有效提升了學生自主學習積極性，打破了傳統實驗教學易造成的“被動學習”問題，可實現對學生協作能力和實踐能力的同時高效培養。

在線下教學環節中，配合線上教學，結合工程實際中檢測問題，設定了三個實驗子任務：（1）渦流檢測探頭的設計及制備；（2）服役金屬構件裂紋的渦流檢測；（3）服役金屬構件厚度減薄損傷的渦流檢測。在線下教學前將上述子任務通過線上平臺發布給各實驗小組。在獲得任務后，小組成員利用理論教學環節掌握的專業知識、渦流檢測相關國家/國際標準、探頭設計軟件等，以“自主學習-討論-完善-確定”的模式最終完成各任務的解決途徑和詳細方案。在線下實驗中，學生首先參考通過探頭設計軟件確定的渦流探頭最優結構和參數，制備實驗用渦流檢測探頭（如圖2 所示），配合LCR 表，對預制試塊的裂紋和厚度減薄損傷進行渦流探傷，獲取對應阻抗信號，結合已知的損傷參數，建立阻抗信號與試塊損傷參數的映射關系曲線（如圖3 所示），基于所獲映射關系曲線分析得到阻抗信號特征對金屬構件損傷參數的響應規律。這種“自發學習、集中討論、實際制備和操作、綜合分析及討論”的“線上”和“線下”相結合的混合式教學模式有效培養了學生在工程結構分析、優化設計、檢測/測試等方面專業知識與技能。

圖3 實驗獲取檢測信號及其與樣件損傷參數間的映射關系曲線

3 結語

鑒于傳統實驗教學模式在我校工程力學專業集中實踐課程“結構設計與測試實踐”實驗教學環節中存在的問題，本文以服役結構無損檢測實驗項目為例，將混合式教學模式引入實驗教學環節中，對這種新模式進行了探索。教學成效表明這種實驗教學新模式可有效激發學生的自發學習，有效培養學生實踐、團隊協作以及解決實際工程問題的能力，對“大工科”背景下工程力學專業學生的轉型培養起到了支撐作用。