“雙一流”背景下工科基礎力學實驗教學改革與探討

侯建華 王 志

（[1]鄭州大學力學與安全工程學院 河南·鄭州 450001；[2]鄭州大學實驗室管理中心 河南·鄭州 450001）

0 前言

基礎力學的學習效果對學生后面的專業課學習影響深遠，因此工科各專業如力學類、土木工程類、機械類、水利類等都非常重視基礎力學的教學效果。基礎力學課程具有理論性強、概念多而且抽象等特點，導致許多學生興趣較低，為了能更加形象地表達力學概念、培養學生的科學習慣，力學實驗教學應運而生，從實驗中觀察現象，發現問題，總結規律，進而指導理論的學習，逐步培養學生觀察、分析和解決問題的能力，養成獨立思考、科學嚴謹的作風。

1 基礎力學實驗課程的特點與現狀

基礎力學實驗是“理論力學”、“材料力學”、“工程力學”的主要實驗實踐內容，是工科專業基礎課的重要組成部分，也是學生進一步學習涉及力學知識相關課程的前提和基礎。近年來，教育理念不斷創新，經濟、社會、就業等各方面都對教育教學提出了更高要求，基礎力學實驗教學作為高等學校教學活動的重要組成部分，在培養學生實踐能力、分析和解決實際問題能力及嚴謹的科學態度方面，具有其他教學環節無法替代的作用。當前力學實驗課程的教學內容是建立在力學理論課的教學基礎上的，主要是為了復現力學理論課程教學中的力學現象、力學過程或驗證相關力學理論，較少考慮力學實驗課程的教學內容同不同專業后續專業課間的關聯性，忽視了基礎實驗力學在不同工科專業的學生后續學習中的真實需求、工程需要和綜合運用能力。

基礎力學實驗是工科專業學生進入大學后最早接觸的工程實踐類課程，對他們掌握力學概念、材料性質、工程應用等方面起到至關重要的作用。然而，當前課程體系普遍存在重理論、輕實驗，重分數、輕實踐的現象。力學實驗僅被視為理論教學的附屬部分，未得到足夠的重視與投入，這不利于新時代高層次綜合性工科人才的培養。現有的力學實驗內容簡單，過程固化，結果已經預知，僅僅是驗證性的實驗，缺乏綜合性與創新型的實驗設計，難以激發學生探索和創新的好奇心與求知欲。從實際教學效果看，目前的基礎實驗設計以及實施效果已不能滿足社會和科研的需要，無法滿足更高層面的技能需求。基礎力學實驗應更加緊密的結合工程應用，不斷更新學習內容，引導學生向更高層次的綜合性實驗和創新性實驗探索，從實驗中鍛煉學生的自主性、研究性和創新性。傳統的力學教學手段及教學內容已不能滿足日益發展的時代要求，原有的力學實驗教學內容、教學方法、人才培養模式已經不再適用，因此，在“雙一流”背景下，開展工科基礎力學實踐教學改革顯得十分必要。

2 基礎力學實驗教學現存問題分析

2.1 對實驗教學不夠重視，教學課時欠缺

長期以來，基礎力學課程的教學仍采用傳統的教學模式，關注理論知識的講授，理論課時占總課時90%以上。以我校為例，80學時的材料力學課程課內實驗安排僅有8個課時，甚至未到實驗室可開實驗學時的半數。實驗理論相關知識未在課堂上深入講解，造成實驗課時內需再次講解實驗所涉及理論知識，由此更加壓縮學生可進行實驗的有效時間。現有課內學時對于基礎性實驗尚不能得到保障，對于開放性實驗及綜合性實驗更無足夠學時支撐，因此學生所受實驗啟迪非常有限。

2.2 高校學生擴容，實踐環節的硬件資源緊張

隨著高校擴招，相應的實驗條件并無太大改善，甚至設在備使用過程中隨著年限增加，喪失服務功能的機器越來越多，整體而言生均實驗可用硬件設備占比越來越低，因此，實踐環節學生能夠使用的實驗資源是逐漸減少的。目前實驗教學實施形式是學生分小組進行材料拉伸、壓縮、彎曲、扭轉的實驗過程，根據過程操作、實驗現象及數據進行整理、分析，撰寫實驗報告。由于實驗設備場地、臺套數和授課時間的限制，不能保證每個同學都能夠親手實踐完成實驗全過程，課程目標與所需硬件資源存在了不能匹配的客觀現狀。

2.3 實驗教學內容固化，學生缺乏創新型思維引導

目前實驗授課多以教師進行理論講解和操作演示為主，教學方法單一，教學內容固定，缺乏引導學生思考以及互動的環節，這一方面由于課時限制，一方面是因為開放性實驗、創新性實驗開展的不足。工科知識目的都是面向工程應用，經典的驗證實驗雖然可以幫助理解定義原理，但面對復雜多變的工程結構，驗證性實驗對于解決工程問題實用性有限。長期固化的實驗模式，會使學生變得懶惰，失去進一步探索的興趣和欲望，不利于學生創新能力的培養，更無法促進學生的探索精神。

3 基礎力學實驗教學改革的思路與措施

3.1 調整實驗內容，提高實驗層次

基礎力學實驗項目局限于基本型實驗，主要為材料力學性能測試的驗證性實驗。比如低碳鋼和鑄鐵的拉伸、壓縮、扭轉、沖擊等。此類實驗過程簡單，原理清晰。課內理論課程已將完整過程理論講解過，對于學生來說理解和和操作并無太大難度。為更好培養學生的綜合素質，實驗項目的設置應更多的設置一些綜合性和創新型實驗。綜合性實驗和創新性實驗應立足于解決實際工程問題，對于工程結構采用探索性和創造性解構，以此激發學生的學習興趣和對未知知識的探索，同時也培養了學生獨立設計實驗、操作實驗、分析結果的能力。

3.2 改革教學手段，提高實驗技能

力學是工科基礎，需要融入到各個專業學科，同樣，各個專業學科的知識，也可以融入到力學課程體系。為實現基礎力學教學效果的提升，可將其他學科知識體系遷移進力學實驗的設計與實施。比如實驗力學中采用環氧樹脂進行光彈性模型的制作，研究力學應力分析的內容。可以將材料學科中環氧樹脂材料的基本特性與成型過程知識進行講授，通過材料模型的制備，進行力學知識的講解。本校學生采用梁的環氧樹脂模型進行四點彎曲光彈性實驗，由光彈圖像可以清晰看出梁在受力過程中的應力分布規律，可直觀定性驗證彎曲應力計算公式。如圖1所示。此種教學手段不僅可以應用與傳統基礎力學實驗，也可根據需要進行不同模型的應力分析。因此，改革教學手段、提高實驗技能，使學生可以根據需要自由進行探索，是引導學生創新型思維的有效途徑。

圖1：四點彎曲梁的光彈圖像

3.3 利用線上、線下精品課程學習，拓寬知識面

隨著教學的改革，基礎力學實驗的課程學時不斷減少，而教學要求不斷提高。教師應充分利用網絡技術的發展，通過線上、線下精品課程建設，虛擬仿真實驗的開發，合理安排學生進行線上學，使學生可以充分利用課外時間進行知識的拓展。在此基礎上，鼓勵學生積極探索，嘗試將工程問題分解，將疑惑在課堂上與教師討論，提高對實驗知識和技能的掌握。

3.4 將工程課題轉化為設計實驗，開設研究性創新實驗

圖2：環氧樹脂橋梁模型的光彈性應力云圖

工科主要跟工程打交道，大量的工程問題可以簡化、提煉，以實驗的形式展現在學生面前。讓學生運用所學知識，又能夠依據現有的實驗設備和實驗技術，獨立進行創新性研究，是每年大學生創新實驗都會考慮的內容。學生通過對工程問題的分析、思考，能夠親身感受解決工程問題的全過程，這種科研訓練和科研素養培訓，對于學生受益終生。本校土木工程專業創新實驗小組對于橋梁模型進行設計，自主搭建實驗系統，通過光彈性應力分析，將橋梁在集中荷載作用下的應力分布以光彈性圖形顯示，如圖2所示，并運用所學理論知識和數值模擬方法互相驗證，將多種方法結合進行工程問題的探索，使學生提升到更高層次的“學習”，可以從實驗中看到更多的研究性和創新性。

4 結語

雙一流背景下，素質教育要求教師不斷研究教學內容、改進教學方法、提升教學效果、培養高質量人才。工科基礎力學實驗既服務于科學知識，又服務于工程實際。做好基礎力學實驗課程的研究型教學，有助于學生理解、消化所學理論知識，更有利于學生綜合素質和能力的培養。基礎力學實驗課程改革是一項長期的系統工程，需要精益求精，不斷適應時代發展，不斷創新突破，在高等教育改革和人才綜合素質培養的指導下不斷進行探索和實踐。