面向新工科的工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐

邵俊華 劉翔 王蕾 張澤琳 曹建華

[摘 要] 工程力學(xué)是一門理論與實(shí)踐結(jié)合性較強(qiáng)，與工程技術(shù)聯(lián)系極為緊密的基礎(chǔ)學(xué)科，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是不可或缺的內(nèi)容。然而目前的工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和內(nèi)容無法滿足新工科背景下培養(yǎng)多樣化、創(chuàng)新型卓越工程技術(shù)人才的需要。在深入分析現(xiàn)有工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和內(nèi)容存在問題的基礎(chǔ)上，提出了“三三二一”的工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，并在此基礎(chǔ)上探討了教學(xué)內(nèi)容建設(shè)方案與實(shí)施途徑，最后對(duì)教學(xué)改革實(shí)踐進(jìn)行了總結(jié)，以期對(duì)工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量水平的提高產(chǎn)生積極的影響。

[關(guān)鍵詞] 新工科;工程力學(xué);實(shí)驗(yàn)教學(xué);教學(xué)改革

[基金項(xiàng)目] 2019年度教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目（201902025029）;2019年度武漢科技大學(xué)校級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目（2019Z005，2019X085）;2020年度武漢科技大學(xué)校級(jí)研究項(xiàng)目（2020X077，Yjg202015）

[作者簡(jiǎn)介] 邵俊華（1968—），女，河南鞏義人，博士，武漢科技大學(xué)理學(xué)院高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要從事工程力學(xué)相關(guān)理論研究與實(shí)驗(yàn)研究;劉 翔（1983—），男，湖北武漢人，博士，武漢科技大學(xué)工程訓(xùn)練中心實(shí)驗(yàn)師（通信作者），主要從事實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)相關(guān)方法與理論研究。

[中圖分類號(hào)] G642.0? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2021）21-0081-04? ?[收稿日期] 2021-02-08

應(yīng)對(duì)新時(shí)代科技革命，培養(yǎng)卓越工程技術(shù)創(chuàng)新型人才，是新時(shí)代高等院校本科教育改革的新要求。2017年4月8日，教育部在天津大學(xué)召開新工科建設(shè)研討會(huì)，與會(huì)專家一致認(rèn)為，培養(yǎng)造就一大批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才，為我國(guó)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)提供智力和人才支撐，既是當(dāng)務(wù)之急，也是長(zhǎng)遠(yuǎn)之策[1，2]。工程力學(xué)是一門與工程實(shí)踐緊密結(jié)合的基礎(chǔ)學(xué)科，工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)在學(xué)生的動(dòng)手能力和綜合分析能力培養(yǎng)中有著非常重要的地位，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的重要平臺(tái)[3，4];因此，工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)是落實(shí)新工科人才培養(yǎng)目標(biāo)的重要抓手。然而，現(xiàn)有的工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系單一、教學(xué)手段落后、教學(xué)內(nèi)容陳舊，難以激發(fā)學(xué)生深入學(xué)習(xí)的興趣[5]。因此，必須基于科技的發(fā)展，結(jié)合新工科背景，促進(jìn)高等學(xué)校工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的改革與建設(shè)，從而提高專業(yè)基礎(chǔ)力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平與質(zhì)量。

一、工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)存問題

（一）教學(xué)思想認(rèn)識(shí)不足

傳統(tǒng)的教學(xué)理念是重視理論教學(xué)、輕視實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，認(rèn)為工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)只是一門實(shí)驗(yàn)課，只是為工程力學(xué)理論課程服務(wù)的，并且在課程的設(shè)置上明顯偏向理論教學(xué)，這種定位和思維習(xí)慣，不僅使學(xué)生養(yǎng)成了輕視實(shí)驗(yàn)課的習(xí)慣，也在一定程度上阻礙了工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的發(fā)展。

（二）教學(xué)內(nèi)容陳舊

國(guó)內(nèi)大部分高校的工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括：金屬材料的拉伸、扭轉(zhuǎn)，矩形截面梁彎曲正應(yīng)力測(cè)定，主應(yīng)力主方向測(cè)定，應(yīng)變片粘貼等強(qiáng)度梁的測(cè)試，梁的沖擊載荷系數(shù)測(cè)定，等等。涉及的實(shí)驗(yàn)對(duì)象、實(shí)驗(yàn)方案等工況過于簡(jiǎn)單，基本停留在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的范疇，只是機(jī)械地完成一些規(guī)定動(dòng)作，記錄一些數(shù)據(jù)，套用現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，而設(shè)計(jì)性、綜合性、創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較少涉及，難以達(dá)到新工科背景下對(duì)卓越創(chuàng)新人才的訓(xùn)練要求。

（三）教學(xué)手段單一

在教學(xué)手段上，以教師集中講解實(shí)驗(yàn)過程和注意事項(xiàng)、演示實(shí)驗(yàn)操作要點(diǎn)、學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)操作并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告的教學(xué)方法為主。這樣的教學(xué)手段雖然可以保證在規(guī)定的學(xué)時(shí)內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，但是在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生都處于一種盲目的被動(dòng)接受學(xué)習(xí)的狀態(tài)，既不對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行思考，也不能對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題加以合理的解釋，更不能將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與實(shí)際工程問題相結(jié)合，提出解決方案。這種程序化答題式的實(shí)驗(yàn)必將導(dǎo)致學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)產(chǎn)生惰性和依賴心理，逐漸失去對(duì)學(xué)習(xí)的興趣和動(dòng)力。

（四）教學(xué)對(duì)象的積極性調(diào)動(dòng)不足

“以學(xué)生為本”的理念在工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中沒有得到體現(xiàn)。學(xué)生只要按照教師設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案與實(shí)驗(yàn)步驟按部就班地完成實(shí)驗(yàn)就能獲得學(xué)分;教師成為教學(xué)活動(dòng)中的權(quán)威，當(dāng)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)與預(yù)期不同的結(jié)果時(shí)，作為教學(xué)對(duì)象的學(xué)生不敢去質(zhì)疑，缺乏學(xué)習(xí)的積極性與主動(dòng)性。

二、“三三二一”工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系構(gòu)建

（一）改革的思路

近年來，隨著新工科建設(shè)的不斷深入，工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的改革也越來越受到國(guó)內(nèi)高校的重視。工程力學(xué)教學(xué)體系改革的核心思想是通過新理念、新模式、新內(nèi)容、新手段建立工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，從教學(xué)任務(wù)、教學(xué)過程、教學(xué)結(jié)果全方位體現(xiàn)新工科背景下工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的特征，即在教學(xué)內(nèi)容設(shè)置方面夯實(shí)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在人才培養(yǎng)中的基礎(chǔ)作用，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。同時(shí)，以工程力學(xué)學(xué)科競(jìng)賽、大學(xué)生課外科技創(chuàng)新等活動(dòng)為切入點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與創(chuàng)新潛能，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。以科研項(xiàng)目為載體設(shè)計(jì)一些探索性、實(shí)踐性和創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，注重實(shí)驗(yàn)方法的掌握運(yùn)用，以及對(duì)科學(xué)態(tài)度的培養(yǎng)。

（二）體系的建立

所謂“三三二一”工程簡(jiǎn)單說就是建立三個(gè)層次，獲得三種能力，具備二個(gè)特性，具有一定難度。具體說，“三三二一”工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系包括三個(gè)層次，即基礎(chǔ)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)（如圖1所示）。這三個(gè)層次的教學(xué)目標(biāo)可以使學(xué)生獲得三種能力，即實(shí)踐動(dòng)手能力、創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力和解決復(fù)雜工程實(shí)際問題的能力。為了達(dá)到以上教學(xué)目的，必須在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容設(shè)計(jì)上做到具有創(chuàng)新性和探索性，并且具有一定的難度。（如圖1所示）

三、教學(xué)內(nèi)容改革

（一）立體化工程力學(xué)基礎(chǔ)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容改革

在“三三二一”體系下，基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是開展綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)及科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，通過該實(shí)驗(yàn)要讓學(xué)生認(rèn)識(shí)工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)常用的儀器設(shè)備及其使用方法、工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本操作技能和調(diào)試方法、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄與處理方法等。同時(shí)，為了讓學(xué)生能順利向綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過渡，這一層次的教學(xué)中還應(yīng)包括創(chuàng)新思維的啟發(fā)課程。