工程實驗在“高等動力學”課程教學中的應用

陸澤琦 趙龍

[摘 要] 數(shù)理基礎功底是很多力學專業(yè)的重要培養(yǎng)環(huán)節(jié)，但是大量抽象的數(shù)理公式使得培養(yǎng)教學步履維艱。針對這一問題，以“高等動力學”課程為例，提出以工程實驗為主的教學模式，加強對數(shù)理公式和原理的認識，并對比工業(yè)現(xiàn)場實驗、實驗室實驗和課堂演示實驗案例。實踐表明，實驗能夠?qū)Τ橄髷?shù)理知識有更為形象的具體認識。學生通過實驗這一橋梁直觀認識到數(shù)理知識的工程實踐和應用價值，激發(fā)興趣，同時增強學生的動手能力和理論聯(lián)系實踐的能力，最終提出多種實驗方式相結(jié)合的“高等動力學”實驗模式，可為當前高校“高等動力學”和相關課程實驗提供借鑒。

[關鍵詞] 實驗教學;高等動力學;工程實驗;

[基金項目] 2019—2022年國家自然科學基金面上項目“隔振和能量采集一體化非線性設計及動力學研究”（11872037）

[作者簡介] 陸澤琦（1985—），男，浙江杭州人，工學博士，上海大學力學與工程科學學院副教授（通信作者），主要從事振動與聲非線性控制研究。

[中圖分類號] TH212;TH213.3? ? [文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）32-0148-04? ?[收稿日期] 2021-01-08

高校教學是為國家科學技術發(fā)展提供高素質(zhì)人才的主要途徑，通過將理論教學和實驗教學相結(jié)合的模式，可以讓學生在實驗中自主學習，深化對理論的理解，并從中積累實操經(jīng)驗，構建科學的思維方式和理論體系。所以，工程實驗教學在理工科培養(yǎng)方案中的重要性日益凸顯，并已成為教學體系的重要組成部分[1-3]。但是，像“高等動力學”這種數(shù)理要求較高的課程實驗教學還沒涉及，且結(jié)合難度較大。相比力學專業(yè)的理論力學、材料力學、振動力學、流體力學等，都已形成了相對成熟的實驗教學模式。雖然很多高校配套有動力學實驗室，也有航天、船舶和軌道交通等工業(yè)現(xiàn)場動力學實驗需求，但是開設“高等動力學”實驗的高校卻很少，更沒有用于教學的實驗設備和場地。目前，高等動力學[4，5]的研究發(fā)展已經(jīng)進入一個新的階段，具體表現(xiàn)在幾個方面：（1）研究問題從建模和分析擴展到優(yōu)化和控制;（2）研究手段從理論分析數(shù)值仿真擴展到實驗室實驗;（3）研究驅(qū)動從面向?qū)W科基本科學問題拓展到兼顧國家戰(zhàn)略需求。在這個階段，實驗條件已經(jīng)成為不可或缺的研究支撐。缺失實驗條件對培養(yǎng)高質(zhì)量的研究生、大學生科技創(chuàng)新等本科生課外研究變得愈加困難。

本文分析了“高等動力學”實驗難以開展的原因，討論了工業(yè)現(xiàn)場實驗、實驗室實驗和課堂實驗的優(yōu)勢與不足，闡述了幾種實驗實施應用案例，提出了將多種實驗教學模式相結(jié)合的“高等動力學”教學模式[6-8]，用于更好地培養(yǎng)高素質(zhì)、高質(zhì)量的本科生。該研究可為力學本科與研究生教學及實驗開展提供借鑒，亦可為推廣到理工科課程的實驗教學提供思路。

一、典型實驗模式對比分析

（一）工業(yè)現(xiàn)場實驗

工業(yè)現(xiàn)場實驗是將課堂理論知識聯(lián)系實際生產(chǎn)工程的最佳教學形式之一，具有直觀性、參與性、互動性、多元性等特點。工業(yè)現(xiàn)場實驗是直接在工業(yè)現(xiàn)場進行的，其課程內(nèi)容與學生在工業(yè)現(xiàn)場直接看到的設備和實驗方法緊密地結(jié)合起來，從而打破課堂教學中動力學方面實驗的一些局限，豐富學生的認知結(jié)構。因此，這種實驗模式不僅有助于提升學生對數(shù)理知識學習的主動性和積極性，而且更加深化學生對所學數(shù)理知識的理解等。

工業(yè)現(xiàn)場實驗具有許多優(yōu)點，但也具有較多不足。首先是對于學生的安全問題，工業(yè)現(xiàn)場與學校內(nèi)的實驗室有著很大的不同，安全隱患眾多。對于很少涉足工業(yè)現(xiàn)場的學生來說，到處都存在不安全的因素。因此，在工業(yè)現(xiàn)場進行實驗時，首先，做好安全教育工作，以確保學生的人身安全。其次，進入工業(yè)現(xiàn)場對學生進行實驗教學時，工業(yè)現(xiàn)場的選擇將會直接關系到實驗教學的效果，應根據(jù)課程中的理論教學內(nèi)容為依據(jù)，選擇與之吻合的工業(yè)場地進行實驗教學。

（二）實驗室實驗

實驗室實驗通常指在實驗室內(nèi)，借助各種實驗儀器設備，對一個確定的研究系統(tǒng)給予確定的輸入，從而得到研究系統(tǒng)的輸出并對其特點和規(guī)律進行研究的實驗方法。在實驗室實驗過程中，具有培養(yǎng)學生學習的積極性、鍛煉學生實際動手能力和提高其科研素質(zhì)與實驗結(jié)果處理和分析能力等優(yōu)點。同時，相比工業(yè)現(xiàn)場的實驗模式，實驗室實驗模式在學生進行實驗的過程中更具有安全性，容易讓學生進行與課程中理論知識相吻合的實驗，節(jié)省尋找特定工業(yè)實驗現(xiàn)場的時間。

對于數(shù)理要求較高的課程，在實驗室中進行的實驗具有實驗內(nèi)容操作難度大小的問題，學生只能做一些操作難度較小、實驗結(jié)果較為粗糙的實驗，像一些高等動力學中具有一定難度的動力學實驗，則很難讓每位學生正確操作，獲得較為精確的結(jié)果。同時，對于需要工業(yè)現(xiàn)場中一些大型機械設備才可以完成的實驗，在高校中無法完全發(fā)揮其經(jīng)濟價值，購買金額昂貴且占地空間大，實驗室往往不會引進此類型的機械設備。所以，實驗室實驗教學模式將難以滿足實驗教學過程中對這類實驗教學的需求，這對培養(yǎng)高質(zhì)量的研究生、本科生有著阻礙的作用。

（三）課堂演示實驗

課堂演示實驗是通過多媒體PPT動畫或授課教師操作演示和學生觀摩的形式開展，以便于學生理解。這種方式歸屬觀察性實驗模式。它的優(yōu)勢表現(xiàn)在多個方面：（1）結(jié)構形式多樣，可以用動畫演示任何結(jié)構的受力和運動情況;（2）靈活性好，動畫演示實驗時間易于控制，與課堂授課內(nèi)容實時結(jié)合效果較好;（3）便于實施，無經(jīng)費、場地等客觀條件限制。基于上述優(yōu)勢，這種實驗方式在很多力學課堂中都受到關注和應用。

對于實驗的特點，課堂演示實驗存在明顯的不足之處。例如，在實際的動手操作過程中，實驗參數(shù)的變化對結(jié)果產(chǎn)生的影響等，由于學生只是進行觀摩，并不能實際操作、進行獨立的實驗研究。除此之外，對于一些復雜性較高的動力學實驗，課堂上難以滿足實驗條件，只能通過PPT動畫對學生進行演示，并不能綜合性、全方位地使學生理解實驗原理，所以在一定程度上限制了學生研究能力和綜合科研素質(zhì)的提升。