“雙一流”背景下工科基礎(chǔ)力學(xué)實驗教學(xué)改革與探討

侯建華 王 志

（[1]鄭州大學(xué)力學(xué)與安全工程學(xué)院 河南·鄭州 450001；[2]鄭州大學(xué)實驗室管理中心 河南·鄭州 450001）

0 前言

基礎(chǔ)力學(xué)的學(xué)習(xí)效果對學(xué)生后面的專業(yè)課學(xué)習(xí)影響深遠(yuǎn)，因此工科各專業(yè)如力學(xué)類、土木工程類、機(jī)械類、水利類等都非常重視基礎(chǔ)力學(xué)的教學(xué)效果。基礎(chǔ)力學(xué)課程具有理論性強(qiáng)、概念多而且抽象等特點，導(dǎo)致許多學(xué)生興趣較低，為了能更加形象地表達(dá)力學(xué)概念、培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)習(xí)慣，力學(xué)實驗教學(xué)應(yīng)運而生，從實驗中觀察現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)問題，總結(jié)規(guī)律，進(jìn)而指導(dǎo)理論的學(xué)習(xí)，逐步培養(yǎng)學(xué)生觀察、分析和解決問題的能力，養(yǎng)成獨立思考、科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)。

1 基礎(chǔ)力學(xué)實驗課程的特點與現(xiàn)狀

基礎(chǔ)力學(xué)實驗是“理論力學(xué)”、“材料力學(xué)”、“工程力學(xué)”的主要實驗實踐內(nèi)容，是工科專業(yè)基礎(chǔ)課的重要組成部分，也是學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)涉及力學(xué)知識相關(guān)課程的前提和基礎(chǔ)。近年來，教育理念不斷創(chuàng)新，經(jīng)濟(jì)、社會、就業(yè)等各方面都對教育教學(xué)提出了更高要求，基礎(chǔ)力學(xué)實驗教學(xué)作為高等學(xué)校教學(xué)活動的重要組成部分，在培養(yǎng)學(xué)生實踐能力、分析和解決實際問題能力及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度方面，具有其他教學(xué)環(huán)節(jié)無法替代的作用。當(dāng)前力學(xué)實驗課程的教學(xué)內(nèi)容是建立在力學(xué)理論課的教學(xué)基礎(chǔ)上的，主要是為了復(fù)現(xiàn)力學(xué)理論課程教學(xué)中的力學(xué)現(xiàn)象、力學(xué)過程或驗證相關(guān)力學(xué)理論，較少考慮力學(xué)實驗課程的教學(xué)內(nèi)容同不同專業(yè)后續(xù)專業(yè)課間的關(guān)聯(lián)性，忽視了基礎(chǔ)實驗力學(xué)在不同工科專業(yè)的學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)中的真實需求、工程需要和綜合運用能力。

基礎(chǔ)力學(xué)實驗是工科專業(yè)學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后最早接觸的工程實踐類課程，對他們掌握力學(xué)概念、材料性質(zhì)、工程應(yīng)用等方面起到至關(guān)重要的作用。然而，當(dāng)前課程體系普遍存在重理論、輕實驗，重分?jǐn)?shù)、輕實踐的現(xiàn)象。力學(xué)實驗僅被視為理論教學(xué)的附屬部分，未得到足夠的重視與投入，這不利于新時代高層次綜合性工科人才的培養(yǎng)。現(xiàn)有的力學(xué)實驗內(nèi)容簡單，過程固化，結(jié)果已經(jīng)預(yù)知，僅僅是驗證性的實驗，缺乏綜合性與創(chuàng)新型的實驗設(shè)計，難以激發(fā)學(xué)生探索和創(chuàng)新的好奇心與求知欲。從實際教學(xué)效果看，目前的基礎(chǔ)實驗設(shè)計以及實施效果已不能滿足社會和科研的需要，無法滿足更高層面的技能需求。基礎(chǔ)力學(xué)實驗應(yīng)更加緊密的結(jié)合工程應(yīng)用，不斷更新學(xué)習(xí)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生向更高層次的綜合性實驗和創(chuàng)新性實驗探索，從實驗中鍛煉學(xué)生的自主性、研究性和創(chuàng)新性。傳統(tǒng)的力學(xué)教學(xué)手段及教學(xué)內(nèi)容已不能滿足日益發(fā)展的時代要求，原有的力學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、人才培養(yǎng)模式已經(jīng)不再適用，因此，在“雙一流”背景下，開展工科基礎(chǔ)力學(xué)實踐教學(xué)改革顯得十分必要。

2 基礎(chǔ)力學(xué)實驗教學(xué)現(xiàn)存問題分析

2.1 對實驗教學(xué)不夠重視，教學(xué)課時欠缺

長期以來，基礎(chǔ)力學(xué)課程的教學(xué)仍采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式，關(guān)注理論知識的講授，理論課時占總課時90%以上。以我校為例，80學(xué)時的材料力學(xué)課程課內(nèi)實驗安排僅有8個課時，甚至未到實驗室可開實驗學(xué)時的半數(shù)。實驗理論相關(guān)知識未在課堂上深入講解，造成實驗課時內(nèi)需再次講解實驗所涉及理論知識，由此更加壓縮學(xué)生可進(jìn)行實驗的有效時間。現(xiàn)有課內(nèi)學(xué)時對于基礎(chǔ)性實驗尚不能得到保障，對于開放性實驗及綜合性實驗更無足夠?qū)W時支撐，因此學(xué)生所受實驗啟迪非常有限。

2.2 高校學(xué)生擴(kuò)容，實踐環(huán)節(jié)的硬件資源緊張

隨著高校擴(kuò)招，相應(yīng)的實驗條件并無太大改善，甚至設(shè)在備使用過程中隨著年限增加，喪失服務(wù)功能的機(jī)器越來越多，整體而言生均實驗可用硬件設(shè)備占比越來越低，因此，實踐環(huán)節(jié)學(xué)生能夠使用的實驗資源是逐漸減少的。目前實驗教學(xué)實施形式是學(xué)生分小組進(jìn)行材料拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)的實驗過程，根據(jù)過程操作、實驗現(xiàn)象及數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析，撰寫實驗報告。由于實驗設(shè)備場地、臺套數(shù)和授課時間的限制，不能保證每個同學(xué)都能夠親手實踐完成實驗全過程，課程目標(biāo)與所需硬件資源存在了不能匹配的客觀現(xiàn)狀。

2.3 實驗教學(xué)內(nèi)容固化，學(xué)生缺乏創(chuàng)新型思維引導(dǎo)

目前實驗授課多以教師進(jìn)行理論講解和操作演示為主，教學(xué)方法單一，教學(xué)內(nèi)容固定，缺乏引導(dǎo)學(xué)生思考以及互動的環(huán)節(jié)，這一方面由于課時限制，一方面是因為開放性實驗、創(chuàng)新性實驗開展的不足。工科知識目的都是面向工程應(yīng)用，經(jīng)典的驗證實驗雖然可以幫助理解定義原理，但面對復(fù)雜多變的工程結(jié)構(gòu)，驗證性實驗對于解決工程問題實用性有限。長期固化的實驗?zāi)Ｊ剑瑫箤W(xué)生變得懶惰，失去進(jìn)一步探索的興趣和欲望，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，更無法促進(jìn)學(xué)生的探索精神。

3 基礎(chǔ)力學(xué)實驗教學(xué)改革的思路與措施

3.1 調(diào)整實驗內(nèi)容，提高實驗層次

基礎(chǔ)力學(xué)實驗項目局限于基本型實驗，主要為材料力學(xué)性能測試的驗證性實驗。比如低碳鋼和鑄鐵的拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、沖擊等。此類實驗過程簡單，原理清晰。課內(nèi)理論課程已將完整過程理論講解過，對于學(xué)生來說理解和和操作并無太大難度。為更好培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)，實驗項目的設(shè)置應(yīng)更多的設(shè)置一些綜合性和創(chuàng)新型實驗。綜合性實驗和創(chuàng)新性實驗應(yīng)立足于解決實際工程問題，對于工程結(jié)構(gòu)采用探索性和創(chuàng)造性解構(gòu)，以此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和對未知知識的探索，同時也培養(yǎng)了學(xué)生獨立設(shè)計實驗、操作實驗、分析結(jié)果的能力。

3.2 改革教學(xué)手段，提高實驗技能

力學(xué)是工科基礎(chǔ)，需要融入到各個專業(yè)學(xué)科，同樣，各個專業(yè)學(xué)科的知識，也可以融入到力學(xué)課程體系。為實現(xiàn)基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)效果的提升，可將其他學(xué)科知識體系遷移進(jìn)力學(xué)實驗的設(shè)計與實施。比如實驗力學(xué)中采用環(huán)氧樹脂進(jìn)行光彈性模型的制作，研究力學(xué)應(yīng)力分析的內(nèi)容。可以將材料學(xué)科中環(huán)氧樹脂材料的基本特性與成型過程知識進(jìn)行講授，通過材料模型的制備，進(jìn)行力學(xué)知識的講解。本校學(xué)生采用梁的環(huán)氧樹脂模型進(jìn)行四點彎曲光彈性實驗，由光彈圖像可以清晰看出梁在受力過程中的應(yīng)力分布規(guī)律，可直觀定性驗證彎曲應(yīng)力計算公式。如圖1所示。此種教學(xué)手段不僅可以應(yīng)用與傳統(tǒng)基礎(chǔ)力學(xué)實驗，也可根據(jù)需要進(jìn)行不同模型的應(yīng)力分析。因此，改革教學(xué)手段、提高實驗技能，使學(xué)生可以根據(jù)需要自由進(jìn)行探索，是引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新型思維的有效途徑。

圖1：四點彎曲梁的光彈圖像

3.3 利用線上、線下精品課程學(xué)習(xí)，拓寬知識面

隨著教學(xué)的改革，基礎(chǔ)力學(xué)實驗的課程學(xué)時不斷減少，而教學(xué)要求不斷提高。教師應(yīng)充分利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，通過線上、線下精品課程建設(shè)，虛擬仿真實驗的開發(fā)，合理安排學(xué)生進(jìn)行線上學(xué)，使學(xué)生可以充分利用課外時間進(jìn)行知識的拓展。在此基礎(chǔ)上，鼓勵學(xué)生積極探索，嘗試將工程問題分解，將疑惑在課堂上與教師討論，提高對實驗知識和技能的掌握。

3.4 將工程課題轉(zhuǎn)化為設(shè)計實驗，開設(shè)研究性創(chuàng)新實驗

圖2：環(huán)氧樹脂橋梁模型的光彈性應(yīng)力云圖

工科主要跟工程打交道，大量的工程問題可以簡化、提煉，以實驗的形式展現(xiàn)在學(xué)生面前。讓學(xué)生運用所學(xué)知識，又能夠依據(jù)現(xiàn)有的實驗設(shè)備和實驗技術(shù)，獨立進(jìn)行創(chuàng)新性研究，是每年大學(xué)生創(chuàng)新實驗都會考慮的內(nèi)容。學(xué)生通過對工程問題的分析、思考，能夠親身感受解決工程問題的全過程，這種科研訓(xùn)練和科研素養(yǎng)培訓(xùn)，對于學(xué)生受益終生。本校土木工程專業(yè)創(chuàng)新實驗小組對于橋梁模型進(jìn)行設(shè)計，自主搭建實驗系統(tǒng)，通過光彈性應(yīng)力分析，將橋梁在集中荷載作用下的應(yīng)力分布以光彈性圖形顯示，如圖2所示，并運用所學(xué)理論知識和數(shù)值模擬方法互相驗證，將多種方法結(jié)合進(jìn)行工程問題的探索，使學(xué)生提升到更高層次的“學(xué)習(xí)”，可以從實驗中看到更多的研究性和創(chuàng)新性。

4 結(jié)語

雙一流背景下，素質(zhì)教育要求教師不斷研究教學(xué)內(nèi)容、改進(jìn)教學(xué)方法、提升教學(xué)效果、培養(yǎng)高質(zhì)量人才。工科基礎(chǔ)力學(xué)實驗既服務(wù)于科學(xué)知識，又服務(wù)于工程實際。做好基礎(chǔ)力學(xué)實驗課程的研究型教學(xué)，有助于學(xué)生理解、消化所學(xué)理論知識，更有利于學(xué)生綜合素質(zhì)和能力的培養(yǎng)。基礎(chǔ)力學(xué)實驗課程改革是一項長期的系統(tǒng)工程，需要精益求精，不斷適應(yīng)時代發(fā)展，不斷創(chuàng)新突破，在高等教育改革和人才綜合素質(zhì)培養(yǎng)的指導(dǎo)下不斷進(jìn)行探索和實踐。