結合工程實踐的力學實驗課程教學探討

段軍++譚金蘭++班宇鑫

摘要：針對目前應用技術大學轉型發展過程中，高等工科學校力學實驗教學存在的諸多問題，文章提出了力學實驗教學的幾點改進意見，并結合工程實踐對力學實驗課程教學進行了探討。工程實踐型力學實驗的開設，不僅能夠提高學生對力學實驗課程的興趣，培養學生解決實際工程問題的能力，也是應用型人才培養目標下，力學課程新的教改方向。

關鍵詞：力學實驗；工程實踐； 應用型；課程教學

中圖分類號：G6420；TU4文獻標志碼：A文章編號：10052909（2016）03013604一、力學實驗課程教學的重要性及存在問題

根據國家改革發展戰略的需要，部分高校人才培養目標向培養應用技術技能型人才轉型，以滿足社會和市場對人才的需求。對于正處于轉型與發展關鍵時期的高校來說，轉變教育思路、明確應用型和技能型人才培養目標定位、推進培養方式的轉變等方面的教育教學改革勢在必行，而教學改革的重點之一就是課程改革。因此，課程改革是上述高校轉型發展中必須完成的基礎性工作。

對于土木工程這種與實際工程緊密相關的專業來說，力學課程是極其重要的專業基礎課[1]。力學課程的學習對后續專業課程的學習起著舉足輕重的作用， 也是培養學生研究和創新能力的一個重要環節。力學課程的特點在于它所研究的問題都是與工程實際相結合的，是在生產生活中實實在在遇到的問題[2]。實際工程中遇到的力學問題一般可以采用經典力學理論加以解決，而對現代科技發展中許多不能采用經典力學理論解決的問題，最有效的方法就是實驗，因此力學實驗是力學課程教學過程中極其重要的實踐教學環節。

對于以應用技能型工科人才培養為主體的院校，力學課程不僅要求學生掌握基本力學理論及其在工程中的應用，具有比較熟練的力學計算能力、一定的分析問題和解決問題的能力，而且更重要的是掌握工程實際中力學問題的試驗方法和手段，提高在實際工程中的動手能力。力學實驗教學作為力學課程體系的重要組成部分，在增強學生對基本概念、基本理論的理解，培養學生力學素養、實際操作能力和創新能力等方面都起著重要作用，在培養應用型人才方面有著不可替代的作用[3]。

然而，由于諸多方面的原因，導致目前處于轉型階段的大多數工科高等院校中的力學實驗教學存在諸多問題：（1）根據應用型人才培養目標的需求，力學課程的理論教學課時有所減少，但是力學課程的實驗教學課時卻沒有相應增加，多數院校目前仍然僅開設了常規實驗，達不到培養應用型人才動手能力的要求；（2）力學課程實驗內容相對比較單一，主要是驗證、演示性的實驗，且與現代工程技術的現狀和實際情況有一定的差距；（3）實驗教學中，大部分時間都由教師講解實驗目的、實驗原理和實驗數據的取得與計算，學生動手操作的機會較少，以至于部分學生認為做實驗只是抄抄數據、寫寫實驗報告，對動手做實驗缺少興趣，這樣不利于發揮學生的主動性和提高學生的實踐能力；（4）結合工程實際的設計性、綜合性實驗幾乎沒有，無法滿足培養應用型人才的要求。顯然，這樣的實驗教學現狀已經不能滿足應用型、復合型、技能型人才培養的需要，因此，結合工程實踐進行力學實驗課程改革，探索適合應用技術技能型人才培養的工科院校力學實驗教學的新出路，具有重要的實踐意義。

二、力學實驗教學改革

（一） 合理設定實驗教學學時數和設計實驗教學內容

實驗教學環節是力學理論與工程實際相結合的重要紐帶[4]。實驗教學內容應隨著實際工程技術的發展需求而相應改變[5]。原有實驗內容包括：低碳鋼的拉伸實驗、低碳鋼和鑄鐵的壓縮實驗、彈性模量E的測定（金屬材料的彈模）、純彎曲梁正應力實驗等。每個實驗只有2個學時，學時偏少，而且驗證性、演示性實驗占主導地位。因此，合理設定實驗教學學時數和設計實驗教學內容是首先需要解決的關鍵問題。

在科學技術飛速發展的今天，各種新型材料被廣泛運用于實際工程中，往往需要對其力學性能進行檢測。因此，力學實驗課程不能僅僅局限于驗證型實驗，而應該側重于教會學生掌握力學性能的測試方法。除了原有的經典實驗內容以外，還應增加一些關于常用工程材料的力學性能參數檢測的實驗項目以及設計性實驗項目。

基于教學計劃對力學課程整體學時的限制，以及對實驗教學內容的調整，實驗學時也應作相應調整：拉伸壓縮實驗2學時，彈性模量E的測定實驗2學時（包含金屬和非金屬材料彈模的測定），純彎曲梁正應力實驗2學時，自主設計性實驗2學時。在完成上述實驗后，學生已初步熟悉實驗原理，了解儀器操作，此時可提供自主設計性實驗，讓他們選擇感興趣的實驗內容進行實驗，如加強梁實驗、偏拉實驗等，也可以利用實際工程中的力學問題自行設計相應實驗。學生在教師的指導下，根據構件的受力狀態，設計橋路連接方式，選定布片方案，粘貼應變片，測試、記錄數據，比較實驗結果，分析誤差原因，寫出實驗報告。實際上，這樣的調整不但保留了經典實驗內容和實驗方法，還增加了新型材料的性能測試。這樣的實驗可充分鍛煉學生的動手能力，提高其實驗操作技能。設計性實驗能滿足學生對更深層次知識的需求，開闊學生的工程實踐思路，符合當今社會發展對應用型人才的要求。

（二）引入多媒體實驗教學手段

多媒體技術是現代教學中廣泛采用的一種教學手段，力學實驗教學中采用多媒體教學手段包括兩個方面：一是利用文字、圖像、動畫和聲音等多種媒介，將實驗設備、操作方法以及實驗注意事項等信息傳遞給學生 [6]，讓學生課前預習，使其在實驗前對所需要操作的儀器設備和注意事項有大致的了解，這樣在實際實驗過程中，可以節省課時。二是模擬實際的實驗過程，即虛擬實驗。經典力學實驗如低碳鋼的拉伸試驗等虛擬實驗教學資源很多，如教師可以利用現有的或自主開發慕課資源，做成微視頻傳給學生，學生在實驗前后都可以自主學習，對不明白的知識點也可以反復學習，如果還有不明白、沒有聽懂的內容，實驗課上指導教師可以有針對性地輔導、答疑或拓展深化，這樣就可以使學生在做實驗時更好更快地掌握經典實驗內容和儀器設備的操作方法。實驗后也還可以通過反復觀看微視頻，鞏固相關知識。

在掌握基本實驗技術的基礎上，對學有余力的學生，可以布置一些拓展實驗。例如一些新材料的力學性能的測試等，讓學生對照經典實驗慕課課件，自己設計實驗方案，自己完成實驗，即形成“翻轉課堂”，讓學生在做中學、學中做，教師給予適當的指導。這樣不僅能使實驗教學鮮活起來，還能充分調動學生的學習積極性，讓他們更有興趣、更能融入實際動手的實驗中，更快地掌握實驗原理，準確判斷應有的實驗現象，加深對實驗的整體理解，掌握實驗方法和手段。

三、工程實踐型力學實驗課程探討

結合工程實踐開設力學課程不僅能培養學生在實際工程中發現、解決力學問題的能力，做到知行統一，也能有效補充力學實驗教學資源的不足。目前，結合工程實踐類的實驗課程教學改革較少，有的課程改革也沒有真正實現工程實踐與實驗教學的結合。為此，筆者對工程實踐型力學實驗課程主要包含的內容作了一些思考和探索。

（一） 利用實驗教學資源為工程實際服務，提升教師能力

要開設與工程實際密切結合的力學實驗課程，首先必須培養和造就一支適應應用型人才培養需要的、具有一定工程經驗的“雙師型”教師隊伍。為此，學校成功舉辦了三期社會工程實踐，其形式主要有教師頂崗實習和暑假工程實踐。教師深入企業和施工單位， 了解并掌握工程設計和施工過程，從實際工程中發現工程問題，把他們的理論知識帶到實際工程中，解決設計及施工中遇到的問題，為實際工程服務，實現理論與實踐的結合，使教師真正明白在實驗教學中如何教會學生在工程中發現問題和解決問題，做到既利用教學資源為工程服務，又能在服務的過程中提升教師自身的實踐能力。

（二） 利用實際工程中的力學問題進行力學實驗教學

教師將在實際工程中發現的很多力學問題，作為實驗教學的素材，帶領學生直接到施工現場，設計實驗方案，進行實際工程的力學測試教學。筆者就曾了解到工程實際中有許多需要進行測試的力學問題，并成功開展了一次工程實踐型力學實驗教學，具有很大的啟發意義。

這次實踐型力學實驗教學背景是重慶某醫院需要澆筑3米厚的樓板，其重量達到每平方米約75 KN，其支撐模板采用的是重慶某公司引進歐洲技術生產的一種新型盤扣式腳手架（如圖1）。由于該公司以前沒做過類似的項目，需要對該滿堂腳手架高支模體系進行相關承載力試驗，為此，該公司委托學校做了相關的承載力分析試驗。在教師的帶領下，兩個班幾十名學生開展新型盤扣式腳手架的力學試驗，實現了在實際工程中進行力學實驗的教學。

圖1新型盤扣式腳手架滿堂搭接

圖2測點處的應變片

圖3學生記錄數據腳手架的搭設由該公司工人按實際工程1∶1的比例搭設，有經驗的實驗教師給學生詳細講解如何布置測試點和貼應變片，以及如何放置加載的千斤頂。在這個過程中，學生學到了如何在實際工程中搭設腳手架，如何控制實驗的精度及變量，如何放置液壓千斤頂，如何合理選擇貼應變片的測試點。學生還親自動手貼應變片（如圖2），學到了如何選擇和連接測試橋路，如何選點安裝千分表測試腳手架側向位移等。試驗中，學生動手記錄數據，學會了如何實現分級加載，如何測試數據和觀察實驗現象（如圖3）。最后學生和教師共同完成實驗數據的分析處理，寫出實驗報告。

工程實地實驗不同于實驗室的演示性、驗證性實驗，需要學生親自參與編寫實驗方案、設計實驗過程。整個教學過程中，學生積極性很高，對于實驗內容和儀器設備操作的掌握都比在校內實驗要好。這種實驗方式不僅能增強學生對力學理論的理解和運用，還能極大地提高學生的動手能力，培養其實驗興趣、工程實踐素質和創新意識。顯然，利用工程實際問題中的力學問題進行力學實驗教學更適合應用型人才培養的要求。

四、利用專業實訓基地進行實驗教學

在工程實踐型力學實驗教學的過程中發現，工程實地實驗教學對工程的選擇要求極高，與施工單位的協調配合也比較困難，而且需要保證學生在施工現場的絕對安全，要真正實現量大面廣的全部學生都到工程實地去開展實驗教學有一定的難度。為避免工程實地實驗教學的諸多困難，可以考慮在校內實訓基地中完成某些力學實驗教學。例如可以讓學生自己動手制作一些鋼筋混凝土梁、板、柱等不同結構類型的實體模型，指導學生在其受力狀態下做非破壞性實驗，測試其力學性能。試驗后的試件還可以繼續作為實驗對象，完成專業課的破壞實驗。實訓基地應是開放式的，有興趣的學生可以利用課余時間自主設計和參與實驗。

在校內實訓基地完成力學實驗教學，不僅豐富了實驗內容，彌補了工程實踐型力學實驗教學的不足，還為學生提供了自己動手實驗的機會，學生也非常樂于參與其中，有利于發揮學生的主動性和提高學生工程實踐能力。

五、結語

在力學實驗的教學實踐中，應結合實驗課程的特點，按照應用型科技大學轉型的需求，采用多種教學方法，培養學生的整體力學水平，提高學生的綜合能力。學校在將工程實踐與力學實驗教學相結合的嘗試中，形成了既可進行工程實踐型力學實驗教學，又可在專業實訓基地完成自主設計實驗教學的模式，學生表現出了極大的興趣，他們對力學知識在土木工程中的應用有了更深的了解。在實踐教學中，如何將各種教學方法有機結合，完善工程實踐型力學實驗課程教學體系，更好地服務于應用型人才培養目標等是值得進一步思考和研究的問題。

參考文獻：

[1]李琳.材料力學實驗教學改革的思考及探索[A].力學與工程應用（第十四卷），2012.

[2]侯曉兵，姚海慧.土木工程專業力學課程的教學方法與改革研究[J].安陽工學院學報，2012，11（2）：116-117.

[3] 馮英先，徐志洪，董雪花.材料力學實驗教學改革實踐與探討[J].力學與實踐，2002，24（4）：59-61.

[4] 李建華，喬箭，陳亮亮.材料力學實驗“互動式”教學模式探索[J].實驗技術與管理，2013，30（12）：181-183.

[5] 張旭光，王秀振，李莉，肖明葵.獨立學院土木專業材料力學課程實驗教學研究與探討[J].高等建筑教育，2013，22（5）：125-128.

[6] 王曄，楊姝.工程力學課程教學方法改革探索[A].力學與工程應用（第十四卷），2012.

Abstract： In the transformation process of applied technical university a present， aiming at the variety of problems in the experimental course of mechanics in higher engineer course school， the article proposed several improvement suggestions on the mechanics experimental teaching， and the discussion is combined with engineering practices. The establishment of engineering practiced mechanics experiments can not only improve the interest of students in mechanics experiment and their ability to solve the practical engineering problems， but also indicated the new direction for teaching reform of mechanics experiment course in the target of application oriented talents cultivated.

Keywords： mechanics experiment； engineering practice； application type course teaching

（編輯王宣）