新工科背景下力學實驗教學體系構建與實踐

董繼蕾 崔懷海 盧小雨

（安徽理工大學力學與光電物理學院，安徽 淮南 232001）

一、研究背景

2016 年我國正式成為《華盛頓協議》的新成員，《華盛頓協議》的主要內涵表現在三個方面：“以生為本”“成果導向”和“持續改進”。

隨著我國加入《華盛頓協議》，這向我國工程教育界發出了一個信號—我國工程教育質量已達到了國際認證的“底線”。于此同時，我國的高等教育事業已進入教育大國行列，但大而不強。《華盛頓協議》的三個內涵，既是我國高等工程教育與國際接軌的路徑方向，也是提升我國高等工程教育質量的原動力。

《華盛頓協議》把培養學生的就業能力放在首要位置，強調“以學生為主體”“以學生發展為本位”，通過抓住這一核心要素，高等教育將目光聚焦在畢業生的基本素質上，要求加強畢業生的就業能力，即：①多學科知識應用能力；②復雜工程問題分析能力；③復雜工程系統設計與開發能力；④文獻研究與實驗分析能力；⑤現代工具使用能力；⑥工程師的社會責任意識；⑦環境與可持續發展意識；⑧溝通交流能力。培養以上“就業能力”都需要在工科人才培養方案之中體現出來。

二、高校力學實驗教學現狀

高校力學實驗教學是力學、土木、機械、安全、地質、車輛、材料和環境等工科專業實踐教學中的重要組成。目前，許多院校的力學實驗課程內容多年來變化不大，一般開設的內容包括：低碳鋼和鑄鐵的軸向拉伸、壓縮和扭轉實驗；橋路接法；測彈性模量和剪切彈性模量實驗；矩形截面梁的純彎曲實驗；彎扭組合實驗；壓桿穩定性等實驗。這些常規性力學實驗已完全不能滿足高等教育培養新工科建設人才的要求。在高等教育中，工科不同專業的學生對力學實驗教學內容存在差異化和層次化需求。不同的專業，應根據其專業特性、學科發展及學生就業能力的要求，對力學實驗課程的側重點應區別對待。

我校力學實驗課程經過力學實驗教學工作者多年的不懈努力、不斷摸索和實踐，結合我校授課對象的專業培養方案和目標，已基本形成了符合我校力學課程的教學體系。已初步形成了常規性實驗和力學綜合實驗的教學模式。常規性實驗包括低碳鋼和鑄鐵的軸向拉伸、壓縮和扭轉實驗；橋路接法；測彈性模量和剪切彈性模量實驗；矩形截面梁的純彎曲實驗；彎扭組合實驗和壓桿穩定性等實驗。創新性綜合力學實驗包括復合梁的彎曲實驗、偏心桿件拉壓實驗、矩形截面的圓框和方框的拉壓實驗、異形截面方框的拉壓實驗等內容。其中，常規性實驗又可分為測定性實驗和驗證性實驗，主要起到鞏固學生力學理論知識、啟發學生獨立思考的作用；力學綜合實驗旨在培養學生解決實際問題能力、提煉科學問題和科技創新的能力。然而，常規性實驗往往是在相關力學理論課程講授學習之后進行，雖可起到驗證、鞏固及加深理論知識的理解作用，但與設計實驗的初衷不符，更不符合認識論的規律，且受學時所限，并不是所有實驗均向所有專業開設。

三、力學實驗教學內容優化設計

“新工科”強調教育產出和學習成果，主要包括學生的主體學習能力、實踐動手能力、合作溝通能力和解決問題的能力等。因此，可根據專業特性提供可選擇的常規力學實驗模塊和創新性綜合力學實驗模塊，嚴格“以學生為主體”“以學生發展為本位”，對實驗教學的內容進行優化設計；根據“就業能力”的要求，需開展創新性綜合力學實驗，包括力學數值實驗、虛擬力學實驗等教學內容。建立新的力學實驗教學體系，將目光聚焦在學生的基本素質上，以培養學生的力學思維和創新能力為目標，通過梳理課程的組織構架，提煉力學思維特點，以力學思維培養為導向構建“新工科”通識的力學實驗課程體系，推動力學實驗教學工作的“持續改進”，根據“成果導向”的原則，以提高學生就業能力的培養為目標，積極構建“新工科”力學實驗課程的教法和學法。模塊的核心是素質與能力，即在力學實驗的教與學中提高師生認識問題、分析問題、解決問題的素質與能力。

將力學實驗教學的內容分成“常規性力學實驗”和“創新性力學綜合實驗”兩個模塊，再通過模塊→單元→專題的設置與構建，結合各專業的培養對象和培養目標，有側重地選擇力學實驗的內容，具有很強的針對性和可行性。

1.“常規性力學實驗”模塊

“常規性力學實驗”可歸類為認知性實驗和測定性實驗，其實驗目的在于觀察構件在外力作用下對應的力學響應，由變形情況引導學生去發現構件的變形規律，在此基礎上充分發揮學生的主體地位，引導學生發現問題，由表及里地認識平面假設、橫截面上的應力類型(正應力和切應力)及中性層等關鍵，為力學理論的建立形成一個順其自然的良好基礎。這一教學實踐模式重在學生的親力親為，且要求學生要善思，自我去發現問題，區別于老師的告知模式，讓學生自己作總結、歸納和演繹，從而獲得規律性認識。并且這些實驗都要先于相應的力學理論授課前去做，故與傳統教學告知后再驗證的做法大相徑庭，其優點不言而喻，在一定程度上為培養創新性人才的教育之路打下堅實基礎。

2.“創新性力學綜合實驗”模塊

“創新性力學綜合實驗”模塊是“常規性力學實驗”模塊的繼續深化。在完成“常規性力學實驗”和相關力學課程的基礎上，根據專業特性和培養目標，將目光聚焦在學生的基本素質上，面向全校工科設置力學創新實驗選修課，以培養學生的力學思維和創新能力為目標，以力學思維培養為導向構建“創新性力學綜合實驗”模塊。應用工程信息技術(工程大型計算軟件)，積極開展力學數值實驗、虛擬仿真力學實驗等內容，提供包括復合梁的彎曲實驗、矩形截面的圓框和方框的拉壓實驗、異形截面的方框拉壓實驗等單元選擇，并通過力學試驗創新教育，引導和鼓勵學生設計實驗方案、自主研發實驗設備，設置與專業對口的開發性力學實驗專題，達到持續改進和不斷發展的目的。

四、構建模塊化課程體系

在新工科背景下，需要改變傳統教學的授課次序和授課方式來構建模塊化課程體系。將力學實驗內容融入理論教學環節，即遵循認知規律，按照由現象到本質的路徑：實驗發現問題→歸納總結→演繹提煉→理論，通過實踐教學的優化設計，可提高相關力學課程的教學效果，且在一定程度上培養了學生的科學研究能力；根據“就業能力”的要求，開設面向全校工科專業的創新性力學綜合實驗選修課，應用工程信息技術（計算軟件），積極開展力學數值實驗、虛擬力學實驗等實驗教學內容，將專業特性和力學實驗的模塊化一一對應，建立“持續改進”的力學實驗教學體系；將目光聚焦在學生的基本素質上，以培養學生的力學思維和創新能力為目標，通過梳理力學實驗課程的組織構架，提煉力學思維特點，以力學思維培養為導向構建“新工科”通識的力學實驗課程體系，以提高學生的創新能力為目標積極構建“新工科”力學實驗課程的教法和學法。該體系在教學內容、教學方法和教學手段上，具有很強的針對性和可操作性，不但能大幅提高力學課程的教學水平和教學效果，還大大加強了學生對復雜工程問題的分析能力、設計與開發能力和現代工具的使用能力。

采用擬建的力學實驗課程分專業、分模塊的教學模式，通過改變傳統教法和學法，以實用、夠用為原則，減少相關力學課程的理論授課學時數，加大了實踐教學，在進行構件基本變形和組合變形及壓桿穩定性各章節理論教學之前，先讓學生完成力學實驗環節。另一方面，在常規性力學實驗的基礎上提供針對全校工科專業選擇的創新性力學綜合實驗。該教學體系在教學內容上向工程模式轉化；在學法上，突顯學生的主體性，啟發學生主動發現問題、分析問題和解決問題，向學生本位教學轉化；在教法上，將實驗環節和理論教學合二為一，由現象到本質（理論）的教學過程，提高了學生的認知能力和科研素養，為大面積提高教學質量與培養創新人才奠定了堅實基礎。

五、總結

構建完善、健全的符合“新工科”建設要求的力學實驗課程體系，我校需要從以下四個方面入手：

第一，按照擬建的力學實驗課程教學體系的內在要求，編寫符合我校教學的力學實驗指導書。

第二，按照擬建的力學實驗課程教學體系的內在要求，制作符合教法學法的多媒體課件，并建立力學實驗教學內容的資源體系——MOOC 模式，作為相關力學理論課程MOOC的重要補充。

第三，應用工程信息技術(工程大型計算軟件)積極開展力學數值實驗、虛擬力學實驗，開設面向全校工科的力學創新實驗選修課，在此基礎上鼓勵學生積極參加省級基礎力學實驗競賽和全國大學生基礎力學實驗競賽。

第四，以“新工科”建設對實踐教學提出的要求為契機，促進我校力學實驗教學水平的提高，并以賽促教，使教師的授課水平持續改進。

綜上所述，擬建的工科力學實驗課程教學體系，是一種具有“由現象到本質(理論)”、嚴密邏輯性、針對性和可操作性很強的教學體系，其教法和學法，不但培養了學生的實踐經驗和操作技能，還培養和提高了學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，極有利于提高學生的創新能力和培養具有科研素養的優秀拔尖創新人才，符合我國“新工科”建設中關于實踐教學的教法和學法。