土木專業基礎力學實驗教學改革及實施探討★

曹小建 金 江 丁華建

(南通大學交通與土木工程學院，江蘇 南通 226019)

對土木工程專業來說，基礎力學實驗是相關課程中的重要一環。實驗課程可以演示及論證力學理論，建立直觀的理論與實際結合的范例，有助于學生對力學知識點的深入理解，這對學習基于力學知識體系的后續課程非常重要。

國家在2010年推出的2010年—2020年中長期教育改革發展規劃與人才發展規劃兩大綱要的基礎上，提出了“卓越工程師教育培養計劃”，意在為建設創新型國家及工業現代化積累專業基礎人才。2015年國家提出第一個制造強國十年(2015年—2025年)戰略“中國制造2025”。2016年我國加入“華盛頓協議”，本科工程學位實現國際互認；同一年“新工科”正式被提出，并迅速產生“復旦共識”“天大行動”“北京指南”，拉開了新工科建設的帷幕[1]。2017年，教育部提出開展示范性虛擬仿真實驗教學(2017年—2020年)。面對這些隨時代不斷重疊變化的指導意見，基礎力學實驗教學在教學科研型高校土木工程專業中應該如何實施，如何緊跟時代步伐通過實驗教學將理論聯系實際，都是需要思考的問題。

1 基礎力學實驗教學中的現狀

以作者工作所在南通大學(通大)為例，開設基礎力學教學的專業除了土木、機械、環工、交通等，隨著辦學的多樣化還包括附屬三本院校及聯合辦學等部門的相關專業。各專業有自己的學科特點和教學要求，因此在教學環節分別構建了不同的基礎力學課程體系；力學實驗室建設涵蓋了理論力學、材料力學和流體力學的相關內容，包含了動手實驗和觀摩實驗。每學年在力學實驗室的上課人次有數千人，配備的力學實驗室管理教師僅1名，大部分力學任課教師在實驗環節需要兼實驗指導老師。講授加實驗這樣的實驗教學模式效率不高，需要分析和調整。

1)實驗進行時理論基礎普遍不扎實。近幾年大學加強了人文學科培養及思想政治課程，另外根據前述文件大學課程中的實踐教學環節，實驗、測量、認知實習及工程訓練等課時數基本保持，理論課程學時大都被壓縮。比如原先58學時理論課+6學時實驗課的材料力學課程現在降到42學時理論課+6學時實驗課。本應該每次實驗之前先對學生講授實驗理論知識，像材料力學實驗相關的應變片橋路、平面應力分析、三種基本變形的應力、設備構造等都需要時間介紹。但因為實驗設備日程安排緊湊，常存在理論知識的滯后，若學生未提前預習加之實驗后不及時深入鞏固，更是達不到實驗課的教學目的。

2)實驗少降低了力學學習及思考的積極性。黃再興等[2]通過對比國內外工科專業的力學課程設置，發現15年前國內力學課程學分占比約為6.4%，國外土木專業力學學分占比基本在12%左右。而且從力學課程開設上，國外高校機械和土木專業除了理論力學、材料力學和流體力學的必修課外，還突出了彈性力學。國內現在大部分工科專業僅開設理論力學和材料力學，有些干脆合為一門工程力學課程。學分比例上力學的學分比例偏低，理論力學和材料力學總比例低于5%，不到國外的一半；算上結構力學和彈性力學也不超過9%[3]。南通大學土木專業還要學習結構力學、流體力學兩門基礎力學課，彈性力學在幾年前的課程調整中已經刪減了。涉及到實驗教學需要動手的主要是材料力學和流體力學，分別占大約6學時～8學時；理論力學有部分觀摩實驗，通常機動進行；土力學是土木工程專業教師指導實驗，其實驗課現狀跟其他力學實驗課類似，故合并討論。力學本身為公認的難學課程，動手機會的削減更會降低學生的學習興趣。整體來說，南通大學基礎力學實驗室硬件建設上已取得較大成績，如何充分利用是當前要思考的問題。

3)實驗內容主要是傳統實驗，需要融入創新點。已開設的力學實驗大都是驗證實驗，像材料力學的彎曲正應力、彎扭組合、彈性模量的測定、低碳鋼的拉壓等實驗，流體力學的孔板流速測定、沿程水頭損失、雷諾實驗等。學生按照實驗指導書的步驟進行操作就可以得到預定的結果，對培養學生的自主思考和創新能力不利。這些實驗是必要的，但是全中國幾乎所有開設了材料力學課程和流體力學課程的學校都可以進行相關的實驗。反而隨著人工智能、3D打印、納米科技、新材料等的進步，似乎在實驗內容和形式上也需要跟緊技術前進的步伐，讓土木專業畢業生能盡快適應社會需求。大連理工大學通過開設一些研究創新型實驗，取得了較好的教學效果。其中包括了焊接缺陷損傷、殘余應力和結構損傷等的檢測[4]，另外還面向學生創新實踐開放實驗室，值得借鑒。通大歷年為參加實驗力學競賽和結構創新大賽而購置的實驗裝置大多閑置，也造成了資源浪費。

2 基礎力學實驗教學改革探討

以就業率為導向的培養目標指引下，高校引入專業淘汰機制后，提升畢業生專業素養需要讓學生能思考實際問題、提出解決方案并動手實施。基礎力學實驗活學活用，結合理論基礎，能夠幫助解決生產過程中的很多問題，這也是2010年后全國基礎力學實驗競賽開展的初衷。基礎力學實驗在高校教學過程中還是要堅持開展、保證學時、強調效果、努力創新。擬采取的改革方案見圖1。

1)實驗室日程安排緊湊的情況下，可在教學內容的次序上稍作調整。比如說材料力學課本通常會按拉壓、扭轉、彎曲內力、彎曲應力、彎曲變形、應力狀態和強度理論、組合變形等順序來安排章節。若所有班級都按部就班地照順序講，就會存在所有班級短期內均需要使用實驗室而造成時間沖突。而拉壓、扭轉、彎曲三種狀態本身理論體系較獨立，在講完截面法后，講授順序是可以調整的。教研室內部實施時，可按教師人數1/3來分，錯峰教學。彎扭組合實驗涉及到的知識點較多，課本組合變形章節又存在拉彎扭、偏心受壓等涉及拉壓的內容，就需要在小章節順序上再適當調整了。在課堂上先普及實驗理論知識再讓學生動手操作，普遍反響良好。流體力學本身開班數較少，教學過程中不需要大調整。一些觀摩實驗通常是在實驗室結合模型即時講授，再結合實例加深理解。

2)當下微課、互聯網+教學等層出不窮，力學實驗課也可以結合這些手段積累微視頻來實施課下學習。21世紀不光是信息技術的時代，當下更是要進一步發展人工智能。學生們日常生活中已離不開智能手機或平板電腦，獲取信息的渠道遠非20年前可比。微課立足于微視頻，近幾年如火如荼地開展起來了。基礎力學實驗主要內容重復率較高，完全可以考慮采用10 min以內的微視頻來實踐課前預習和課后復習。錄制專任老師講解各實驗操作的視頻，通過網絡分發時只配送任課老師自己的視頻給學生即可，保證該課程的連續性和完整性。微視頻輔助教學因為涉及的內容對學生來說較有趣，學起來輕松。這可以解決課程課時減少的問題，同時也不會給學生太多負擔。嘉興學院嘗試進行的力學實驗微視頻教學實踐取得了較好效果，說明其具有可行性[5]。

3)授課中可補充力學實驗競賽和老師的科研課題中涉及的力學內容。全國基礎力學實驗競賽從2010年至今已舉辦過幾屆了。作者也擔任過兩次江蘇省基礎力學實驗競賽指導老師。競賽內容分為筆試部分和動手實驗部分。普通高校教學中，常略過彎曲中心、形心主軸、對形心主軸的慣性矩這些概念，而這些內容又會出現在實驗力學競賽中。所以參加實驗力學競賽的學生需要先補充這些知識點。另外，競賽的題目常涉及異形截面、非常規加載、多樣的材料，對學生來說是很好的鍛煉與提高的機會，能借此深入體會理論和實踐如何聯系。力學實驗教學中也可以適當將這部分內容分段做成微視頻，起到啟發學生思考的作用，讓他們明白怎么樣學以致用；同時能豐富力學實驗的內容，提升學習興趣。任課教師還可以結合自己的科研課題，講授中普及新材料力學性能、多樣的加/承載方式、構件設計、流固耦合、結構振動、結構選材等，引導學生進入老師所進行的實驗相關力學環節，既活躍課堂又鞏固力學知識。有些能力強的學生還可以提前融入老師的科研團隊，盡早開發科研潛力。另外大學生創新訓練每年都會開展，適當開放實驗室為學生提供實驗條件也能一舉多得。

4)合理利用結構創新大賽的裝置開展結構力學拓展實驗。南通大學先后參加過多屆江蘇省結構創新大賽，積攢下不少賽題、配套裝置及耗材。配套裝置體型不小、設計靈活，有較大的發揮空間，若僅是當屆學生校內選拔或練習使用后就閑置，實屬浪費。隨著專業基礎課程學時的減少，結構力學上機課已取消，學生對該課程的普遍反映是印象不深。大部分同學在進入鋼結構、結構抗震、橋梁設計等課程學習時，需要回顧結構力學。課堂上可以利用這些競賽裝置和模型，展現荷載的合理分配、結構的優化設計等，寓教于樂，一舉多得。

3 總結與討論

力學課程相對枯燥，但是力學實驗課是一味很好的調劑方子，學生普遍對基礎力學實驗課程充滿好奇和興趣。通過力學實驗課程積極引導土木專業學生思考并利用力學知識解決實際問題，讓他們畢業后能盡快適應工作需求，是值得實踐并改革的課題。這需要教學中不拘泥于課本知識、保證動手之前已有理論基礎、提供充分的課后力學實驗相關資料。學生也應該積極動手、主動學習。教與學兩方面加強互動，才能提高基礎力學實驗課程的效率。在重視實踐教學的大環境下，更應牢牢把握基礎力學實驗課程，在形式和內容上不斷改革創新，培養高素質人才來服務社會。當下新冠疫情橫行，南通大學基礎力學試驗教學是通過微視頻加理論的方式來完成。這也算是做到了改革方案中的一條，今后教學中應增加競賽或老師科研試驗相關微視頻，為疫情期間的基礎力學試驗教學加點味。