轉型背景下高校力學創新實驗課程改革的研究

鄭訓臻

長春建筑學院 吉林長春 130607

轉型背景下高校力學創新實驗課程改革的研究

鄭訓臻

長春建筑學院 吉林長春 130607

力學實驗課程是培養高校學生創新能力和應用能力的重要手段之一。從實驗課教學內容、實驗課教學方式、實驗室教師隊伍建設三方面提出課程改革新思路，為轉型背景下高校力學創新實驗課程改革提出建議。

轉型；力學；創新實驗；改革

教育部、發改委在《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010-2020年)》中對高等教育體制改革提出引導部分地方高校向應用型、技術型轉型的要求，而力學實驗課程是培養創新型應用技術人才的重要途徑與方式，高校力學實驗課程創新性改革迫在眉睫。

1 實驗課教學內容的創新

當下，高校力學實驗教學大綱設置的實驗多為驗證性實驗，如低碳鋼和鑄鐵的拉壓實驗，這類實驗只能簡單地培養學生儀器操作的能力，缺乏創新性和趣味性，也無法培養學生的獨立思考能力和專業知識的運用能力。力學實驗教學內容的改革是創新實驗室建設的首要問題。力學創新實驗教學內容的選題應注重創新性、代表性、實踐性。

1.1 學科競賽題目

以學科競賽題目作為力學創新實驗教學內容。例如，在每年的6月份全國如期舉行周培源大學生力學競賽，已經開展10屆了。周培源力學競賽的題目以其創新型、實踐性、趣味性、生活性深受全國各理工科高校學生的喜愛。在第九屆和第十屆周培源力學競賽個人賽中均出現電測法，通過確定貼應變片的數量、位置和方向測定相關力學量的題目，在團體賽中，是主要以創新性試驗為主，如單向運動開關、荷載保險絲等設計性實驗。在這種全國性質的力學競賽中出現上述創新性較高的趣味實驗，不僅凸出力學學科強調實驗性，為力學實驗課教學內容提供的創新素材，同時也對力學實驗課教師的專業知識運用能力和實踐能力提出挑戰。

1.2 趣味競賽題目

以趣味競賽題目作為力學創新實驗教學內容。以吉林省大學生結構設計競賽題目為例，每年9月，吉林省各高校開展結構設計大賽，通常要求以薄竹材、紙、502膠水等簡單材料手工制作結構，題目新穎、實踐性強。例如，2014年結構設計競賽的題目為用上述材料制作三層四角塔，要求在振動臺上保持結構的穩定性；2015年題目為制作由虎口、橋梁、隧洞、棱臺組成的結構，配重遙控小車從虎口山體出發，經過兩段橋梁、隧洞到達棱臺山體(如圖

1、圖2所示)完成一次加載，結構荷重比越大且小車通過時間最小者獲勝。

圖1 模擬模型圖

圖2 學生制作模型圖

隨著我校力學創新實驗教學內容的改革，近兩年將結構設計大賽的題目作為實驗教學的一部分，學生對實驗課的興趣高漲，甚至課余時間也在思考、討論結構制作。通過在全年級開展創新結構實驗教學，為優秀團隊的選拔提供契機，學校連續兩年參加省級結構設計比賽，戰績顯赫，2014年一個團隊參賽，獲一等獎，2015年兩支團隊參賽，分別獲特等獎、一等獎。

1.3 自創題目

除了通過學科競賽和趣味競賽來設計力學創新實驗教學內容，還可以通過查閱相關文獻、網絡資料以及鼓勵學生參與到創新性實驗的設計教學中。根據在基本力學實驗中學到的知識，如電測法(半橋單臂、半橋雙臂、全橋接法)及萬能實驗機的用法，結合土木工程材料課程，增加了鋼筋混凝土組合梁綜合設計性實驗；通過查閱相關文獻，考慮增加工字型簡支梁模型結構實驗及檢驗[1]、曲梁的應力-應變測量實驗[2]；學生通過收集網絡資料，提出增加“雞蛋的完美下落”和“用硬幣搭建筑造型”兩個創新性試驗內容，已得到學院審批，將于2017年加入到力學創新性實驗課程中。

2 實驗課教學方式的創新

當今是一個數字化、網絡化的時代，借助計算機網絡技術和網絡傳輸系統，搭建網絡化力學實驗課程教學平臺，實現力學實驗課程的數字化教學是高校實驗課程的改革趨勢。

2.1 在線學習與指導

力學實驗教學內容從前到后難度逐次增加，可以分為3個層次[3]。(1)驗證性實驗(常規性實驗)，在實驗數字化網絡平臺上提供給學生此類實驗完整的報告冊(目的、實驗設備和工具、步驟、記錄數據的空白表格等)、微課視頻等相關資料，目的是使學生熟悉并且學會使用液壓式萬能試驗機、應變參數測試儀、游標卡尺等力學實驗設備與工具。(2)綜合設計性實驗(提高性試驗)，在平臺上對于此類實驗僅提供實驗題目、原理和材料等資料，學生需要根據自己掌握的驗證性實驗知識和根據實驗室的實際條件編寫實驗步驟、設計記錄表格，選用實驗儀器和工具等。(3)創新性實驗，此類實驗完全發揮學生的思考能力、動手能力、創新能力，在平臺上僅給出報告冊模板，模板里面具體的內容需要學生自己填充，此類實驗難度較大，可以由10～20人組成創新團隊完成。

在數字化力學實驗教學平臺上，在線學習與指導模塊中除了包含上述內容外，還必不可少以下幾方面的子模塊。(1)實驗室注意事項，此部分應為學生開展實驗之前必讀的部分，關乎學生的生命安全和學校的財產安全，應作為學生登入實驗平臺后強制彈出窗口，所有內容全部閱讀后才能進入實驗平臺學習。(2)設備明細和使用說明，此部分應包含學校實驗室所有實驗設備和工具的數量、地點、型號、使用說明和使用注意事項，方便學生自學，特別是在進行創新性實驗這一部分時，有利于學生選擇實驗內容。(3)教師審批，對于綜合設計性實驗和創新性實驗這兩個層次，都涉及學生需要獨立編寫實驗步驟，對學生編寫的實驗步驟的可行性和合理性，實驗指導教師需要學生在開展實驗操作之前給予把關，可行方案直接審批通

過，不可行方案提出指導建議，待學生修改完善后再次審批，若合格予以通過，方案審批通過的學生才可以進入到預約實驗室的環節。(3)指導、答疑與預約，學生在利用實驗平臺完成力學實驗的過程中難免會遇到問題，在平臺上提供兩種處理問題的方式，一是線上解決，即在平臺上直接留下問題等待指導教師的回復；二是線下解決，即在平臺上進入預約教師子模塊，根據模塊中提供的幾個答疑時間，自主選擇適合的時間報名，為保證答疑的效果，每次答疑人數限額模塊中應給予限定。(4)預約實驗中心，在實驗教學平臺上，學生可以根據自己的實驗題目在規定的實驗教學周內預約實驗教學中心，學生自主安排空間較大，可以提高學生的自學能力和自控能力。

2.2 虛擬現實操作平臺的建設

虛擬現實操作平臺利用3DMAX軟件制作三維模型，通過LightingMap烘焙，最后在VRP中完成動作、事件、場景三要素的交互設置，可以給人帶來一種與真實實驗室操作類似的體驗，真正意義上實現力學實驗教學的網絡化、開放式。對于驗證性實驗和一些大型實驗儀器，如液壓式萬能試驗機、扭轉試驗機、電阻應變儀等，學生在使用儀器之前，應該在虛擬現實操作平臺上進行練習(不計時、不評分)，熟悉儀器操作流程及實驗步驟，避免造成操作不當所帶來的不良影響[4]。

2.3 考試考核與成績管理

在虛擬現實平臺上還可以進行力學實驗操作考試，其中可以考查學生對實驗步驟的了解以及對儀器操作的熟悉程度，以耗時過長或操作順序有誤作為扣分依據，此環節分數由平臺自動計算得出，有效地解決了實驗教學中部分學生依賴其他學生而產生的惰性心理的問題。

學生最終完成的實驗報告在實驗教學平臺上上傳、提交，在提交報告系統關閉前，若有需要完善的地方可以下載修改。實驗教師登錄系統后，可以隨時隨地下載學生的實驗報告，給予評分，實驗報告分數與實驗操作考試的分數之和作為力學實驗課程的最終評定成績，全部評分完成后提交成績。成績提交后，學生可以隨時查詢個人的實驗成績，實現實驗成績管理透明化，教師也可以將學生實驗成績直接導入至教務系統，免去重復錄入實驗成績的麻煩。

3 實驗室教師隊伍建設的創新

上述對于轉型背景下高校力學實驗課程教學內容和教學方式的改革與創新最重要的開拓者、實施者、操作者還是實驗教師。各高校應注重對力學實驗教師創新能力、科研能力、實踐能力的培養，這樣才能更好地完善力學實驗教學創新體系的構建。對于教師的創新能力培養方面，以實驗室、實訓室為基地，通過帶領學生參與各類比賽，提高青年教師的創新能力。對于教師科研能力培養方面，以我校吉林省建筑節能工程研究中心、設計單位為依托，通過青年教師參與到工程研究中心的省級科研項目(縱向科研項目)和企業在設計過程中遇到的技術問題(橫向科研項目)，“縱橫交叉”項目培養青年教師的科研能力。對于教師工程實踐能力培養方面，通過建立與施工單位的聯系，利用暑假時間，安排青年教師去施工現場，在調研和學習的過程中提高青年教師的工程實踐能力，從而為設計貼近實際工程問題的可行性強的創新性實驗教學提供新思路。

4 結束語

在引導部分地方高校轉型的大背景下，力學實驗課程是培養學生創新能力、應用能力的重要方式，其教學內容的創新性、教學手段的網絡化與開放式、師資隊伍的創新能力的培養都與創新型、應用型人才培養目標的實現有著緊密的關系，推動學生創新能力培養的同時也有助于促進教師實驗教學水平和科研能力的提升。同時隨著信息化社會的迅猛發展，虛擬現實實驗平臺的搭建會成為未來高校實驗課程發展的方向。

[1] 劉冠華.力學創新綜合性實驗:工字型簡支梁模型結構實驗設計及試驗檢驗綜合報告[J].科技展望,2015(15):234-235.

[2] 虞愛民,舒偉杰,朱金龍.力學創新實驗:曲梁和復合曲梁的應力測量[J].力學與實踐,2009(2):89-91.

[3] 劉玉慶,劉玉梅.本科力學實驗的創新化教學[J].科技信息,2012(1):308-315.

[4] 黃海燕,劉建華,沈超明.數字化網絡化力學實驗室的建設[J].實驗室研究與探索,2008,2(27):141-143.

Research of Reform of Mechanical Innovational Experiment Curriculum under the Background of Transformation

Zheng Xunzhen
Architectural Institute of Changchun, Changchun, 130607, China

Mechanics experiment course is one of the important means to cultivate ability of college students' innovative and application. In this paper, from content of the experiment teaching, methods of experiment teaching and team of teachers’ , which puts forward some new ideas of curriculum reform, and suggestions of mechanical innovational experiment curriculum under the Background of transformation.

transformation; mechanic; innovational experiment; reform

2016-05-09

鄭訓臻，碩士，助教。