基于卓越工程師培養(yǎng)計劃的力學(xué)專業(yè)實驗教學(xué)改革與實踐

呂泳 陳建中 黎明發(fā) 張紅旗 王珍

摘要：力學(xué)專業(yè)開設(shè)的專業(yè)實驗教學(xué)重點在于，培養(yǎng)學(xué)生利用已學(xué)習(xí)的理論知識、實驗知識去解決一些實際工程、項目中的問題。現(xiàn)階段的專業(yè)實驗內(nèi)容還停留在常規(guī)實驗上，已不能滿足卓越工程師的培養(yǎng)計劃要求，同時也不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。本實驗教學(xué)團隊結(jié)合培養(yǎng)大綱的要求，利用校企聯(lián)合培養(yǎng)機制，將工程問題作為實驗項目讓學(xué)生去思考、去探索解決問題的方法。從新一屆學(xué)生的教學(xué)效果上看，較好地提高了學(xué)生實驗技能和動手能力，進而提升學(xué)生工程素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：力學(xué)專業(yè)實驗；教學(xué)改革；實踐

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）14-0116-02

一、教改背景

我校工程力學(xué)本科專業(yè)重點培養(yǎng)結(jié)構(gòu)工程方向和車輛工程方向的力學(xué)創(chuàng)新應(yīng)用型人才。工程力學(xué)專業(yè)以“卓越計劃”國家標(biāo)準(zhǔn)為引導(dǎo)，以行業(yè)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，結(jié)合學(xué)校層面“智慧引領(lǐng)人生，具有卓越追求和卓越能力，引領(lǐng)建材、交通、汽車三大行業(yè)和區(qū)域發(fā)展的卓越人才”的培養(yǎng)目標(biāo)與定位[1]，以全面提升工程力學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量為目標(biāo)，工程力學(xué)專業(yè)教育將依托學(xué)校的行業(yè)特色，培養(yǎng)出具備扎實的有限元分析模擬計算能力和力學(xué)實驗測試能力，從事結(jié)構(gòu)工程、車輛工程等科學(xué)研究與工程結(jié)構(gòu)設(shè)計，車輛及零部件產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)、試驗、制造等領(lǐng)域的應(yīng)用創(chuàng)新型工程技術(shù)人才。人才培養(yǎng)的目標(biāo)：扎實掌握本專業(yè)的基本理論知識和相關(guān)工程基礎(chǔ)知識，擁有選用相應(yīng)的理論知識和實踐方法去解決工程實際問題的能力，熟練應(yīng)用力學(xué)測試技術(shù)并進行實驗測試分析。力學(xué)專業(yè)實驗教學(xué)是培養(yǎng)和提高學(xué)生解決問題能力的主要教學(xué)環(huán)節(jié)之一[2，3]。

本專業(yè)開設(shè)的力學(xué)專業(yè)實驗教學(xué)現(xiàn)狀：力學(xué)專業(yè)實驗是工程力學(xué)卓越班學(xué)生專業(yè)必修課程之一，不同于基礎(chǔ)力學(xué)實驗，其特點是理論性更強，同時緊密聯(lián)系工程實際。本課程由基礎(chǔ)型驗證性實驗、綜合提高型實驗和自主創(chuàng)新性研究實驗構(gòu)成。基礎(chǔ)型驗證性實驗主要是驗證性實驗，學(xué)生掌握理論之后，通過具體的實驗去驗證所學(xué)的知識，從而加深對力學(xué)現(xiàn)象的認識和力學(xué)原理的理解，這部分實驗用于強化學(xué)生對設(shè)備基本操作和實驗技能的訓(xùn)練，掌握如何進行實驗結(jié)果分析處理能力。綜合提高型實驗，學(xué)生掌握了基本實驗技能后，通過提高型實驗培養(yǎng)其應(yīng)用力學(xué)機理去解決力學(xué)問題的能力。這部分實驗強調(diào)力學(xué)相關(guān)知識點的綜合運用和自主設(shè)計實驗方案，提升分析和處理實驗過程中遇到困難的能力。自主創(chuàng)新性研究實驗是綜合實驗?zāi)芰Φ奶嵘瑖掖罅ν七M“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”的人才模式培養(yǎng)[4]，在實驗教學(xué)中也要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，從科研項目和工程項目中發(fā)現(xiàn)和凝練相關(guān)問題，做到另辟蹊徑，架設(shè)理論聯(lián)系實踐的橋梁，提出解決方案并付諸實施。

力學(xué)實驗中心現(xiàn)開設(shè)的自主創(chuàng)新性研究實驗項目包括：光彈性實驗、預(yù)制疲勞裂紋實驗、動平衡實驗、真實應(yīng)力應(yīng)變曲線測定和斷裂韌性等5個試驗。所開設(shè)的實驗內(nèi)容與實際工程的貼合度不高，無法充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造力，不能滿足“卓越計劃”對學(xué)生工程能力培養(yǎng)的要求。

二、實驗教學(xué)改革的探索與實踐

為了更好地培養(yǎng)學(xué)生的能力，需要探索、更新現(xiàn)有的實驗項目，改革現(xiàn)有的實驗教學(xué)形式和考核形式。工程結(jié)構(gòu)與力學(xué)系結(jié)合培養(yǎng)大綱的要求，利用校企聯(lián)合培養(yǎng)機制，將企業(yè)生產(chǎn)運行中的問題作為實驗項目安排給學(xué)生，實驗內(nèi)容具備較強的工程應(yīng)用背景，對學(xué)生可以進行多層次的訓(xùn)練，成績的評定不再以最后的報告作為主要標(biāo)準(zhǔn)，而是考察學(xué)生在應(yīng)用所學(xué)知識解決工程全過程中的能力，進行綜合評分。

實驗中心對現(xiàn)有專業(yè)實驗部分內(nèi)容進行修改，增加了類似汽車摩擦制動器性能測試、簡支梁綜合實驗、自行車車架動荷系數(shù)測定等一些實驗項目。學(xué)生可以在自主創(chuàng)新性研究實驗項目中結(jié)合自己的研究方向，自由選擇2個實驗項目完成。

以下為力學(xué)系13級教改實踐情況。

以簡支梁綜合實驗項目組其中一個項目為例進行介紹。項目工程背景：隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展和城市道路建設(shè)里程的大幅增長，為了保證通行的效率，同時又能對相關(guān)車輛進行監(jiān)控，通常在道路上，安裝不停車快速稱重自動化測試設(shè)備，得到車輛軸重、軸距等信息，用于判斷是否為超載車輛。實驗條件和要求：實驗中心研發(fā)了一套簡支梁綜合試驗系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)按照簡支梁形式設(shè)計，梁采用鋼板和工字鋼焊接而成，在梁的兩端安裝鉸鏈支座，一端為固定鉸鏈，另一端為可動鉸鏈的構(gòu)件。向下挖地槽，用混凝土固定梁的支撐約束構(gòu)件，梁表面與地面處于同一水平面。實驗?zāi)康模阂獙崿F(xiàn)簡支梁上面靜、動態(tài)物體的質(zhì)量測量。

我們給出這樣的一個項目需求，要求學(xué)生以小組的形式完成實驗內(nèi)容。在材料力學(xué)理論課的學(xué)習(xí)中，簡支梁結(jié)構(gòu)是一種常見的結(jié)構(gòu)形式，在工程問題分析中經(jīng)常將結(jié)構(gòu)件簡化為此模型。選擇大家熟悉的簡支梁作為能力拓展訓(xùn)練的內(nèi)容之一，首先學(xué)生拿到題目不會感覺無從下手，可以從材料力學(xué)理論和實驗的知識著手，認真思考，激發(fā)靈感，解決問題。

學(xué)生制定的實驗方案為人和電動自行車以一定的速度從簡支梁長度方向的縱向?qū)ΨQ面的面板上通過，根據(jù)動態(tài)應(yīng)變儀來記錄出人和滑板車在運動過程中的曲線，再結(jié)合影響線等理論知識來計算出人和電動自行車的總重量。

（一）靜態(tài)重量測量

行車梁截面為組合截面，行車板和工字梁為點焊，實際截面剛度不能按理論換算得到，首先實驗標(biāo)定截面抗彎剛度EI。應(yīng)變片均粘貼在梁下翼緣，三個應(yīng)變片將梁四等分。已知質(zhì)量的人站在簡支梁中部，通過測取下翼緣長度方向的線應(yīng)變來求取應(yīng)力，換算出截面剛度。

（二）動態(tài)重量測量

運動物體重量測量，假設(shè)為自行車從工字梁板上面通過，將其簡化為兩個間距固定的集中力，假設(shè)其距離m為固定值（m可以通過測量得知），在自行車運動過程中，動態(tài)應(yīng)變儀把各個應(yīng)變片的應(yīng)變曲線都記錄下來，通過觀察應(yīng)變曲線，找出每個應(yīng)變的最大值，再利用結(jié)構(gòu)力學(xué)知識（彎矩影響線）找出與其最大應(yīng)變時對應(yīng)的行車狀態(tài)（車輛位置），再通過聯(lián)立方程求解。

靜態(tài)荷載相對誤差3.75%；動態(tài)荷載相對誤差4.47%。從實驗數(shù)據(jù)分析，無論是靜態(tài)測試還是動態(tài)測試，理論值和測量值的相差并不大，誤差都控制在10%以內(nèi)，進而也驗證了實驗方案的合理和可靠性。

通過本次實驗，讓學(xué)生將所學(xué)的材料力學(xué)、實驗力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)知識應(yīng)用到實際工程中，得到了很好鍛煉。通過實驗，對前期的力學(xué)學(xué)習(xí)有更加深刻的認識。

三、結(jié)束語

在日常的教學(xué)中，常常會碰到學(xué)生問到我們學(xué)力學(xué)畢業(yè)后能干什么事情；在實際的企業(yè)生產(chǎn)、日常現(xiàn)象、科研問題中都存在許多力學(xué)問題，如何讓學(xué)生通過實驗課程的改革和實踐去理解和解決相關(guān)的力學(xué)問題？教改的重點在于讓學(xué)生在掌握相關(guān)理論知識的基礎(chǔ)上，去應(yīng)用它解決實際工程問題。通過一些具體的工程實例教學(xué)、引導(dǎo)學(xué)生建立獨立思考問題的能力，發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)新能力，在豐富實驗教學(xué)內(nèi)容的同時提高教學(xué)質(zhì)量，對于培養(yǎng)高素質(zhì)的卓越工程師人才具有重要意義。

參考文獻：

[1]張清杰.讓學(xué)生享受卓越教育，成就卓越人生[J].中國高等教育，2011，（21）：12-13，22.

[2]張應(yīng)紅，孫永厚，景暉，等.卓越工程師培養(yǎng)計劃背景下材料力學(xué)實驗改革與實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2014，（31）：222-224.

[3]王浩程.面向卓越工程師培養(yǎng)構(gòu)建現(xiàn)代工程實訓(xùn)平臺[J].中國大學(xué)教學(xué)，2011，（6）：83-85.

[4]國務(wù)院辦公廳關(guān)于深化高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實施意見[R].國辦發(fā)[2015]36號.