工程力學課程實驗的創新和改革思路探討

花少震 劉華博 段翠芳 張春梅

摘要：針對工程力學課程理論性較強，且與工程實踐應用銜接不緊密的特點，該文闡述了工程力學課程實驗對理論教學及對學生能力培養的促進作用，分析了當下工程力學課程實驗的現狀以及存在的問題。為了提高學生的創新和解決工程問題的能力，該文還對新工科背景下工程力學課程實驗的改革思路進行了探討，提出了虛擬仿真實驗協同開放式實驗報告相輔的改革思路，并通過轉動慣量測量實驗以及彎曲正應力測量實驗分別闡述了開放式實驗報告和虛擬仿真技術在實驗中的應用，且論證了這種改革思路的實踐性和創新性。

關鍵詞：工程力學實驗創新虛擬仿真

中圖分類號：G642文獻標識碼：A ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2022）01（a）-0000-00

Discussion on the Innovation and Reform of Engineering Mechanics Experiment

HUA Shaozhen ?LIU Huabo ?DUAN Cuiang ?ZHANG Chunmei

（School of Mechanical Engineering， Henan Institute of Technology， Xinxiang， Henan Province， 453003 China）

Abstract：In view of the strong theoretical background of Engineering Mechanics and the lack of close connection with engineering application， this paper expounds the promoting effect of engineering mechanics course experiments on classroom theoretical teaching and training of students' ability， and analyzes the current situation and existing problems of engineering mechanics course experiments. In order to improve the students' innovation and ability to solve engineering problems， this paper also discussed the reform idea of engineering mechanics experiment under the background of new engineering， and the reform idea of virtual simulation experiment combined with open experimental report was proposed. Through the measurement of moment of inertia and normal stress of bending， the open experimental report and virtual simulation technology were described respectively.The practicality and innovation of this reform idea was also demonstrated.

Key Words：Engineering mechanics; Experiment; Innovation; Virtual simulation

工程力學是一些工科類專業的專業基礎課，是連接基礎課程和后續專業課程的紐帶和橋梁，課程主要研究剛體機械運動的一般規律以及桿件的變形，是涵蓋理論力學和材料力學課程的綜合課程。其主要特點是課程的理論性較強，課程理論可以直接應用于工程實踐，但具有較高的抽象性，和實踐應用銜接不牢。為了彌補工程力學和實踐應用不牢的缺點，一些高校在開設工程力學課堂教學的同時，還開設了工程力學實驗。雖然工程力學課程實驗的開設一定程度上加強了學生的工程實踐能力，但是也面臨著一些問題。段詩雨[1]分析了工程力學實驗教學現狀。簡單的工程力學課堂理論教學和實驗教學也不滿足當前我國新工科建設戰略要求。新工科建設以培養新興工程技術人才為目標，培養不僅具有扎實的理論知識，而且具有突出的實踐能力的新興工程技術人才以適應時代的發展[2]。這就要求高校在培養學生的過程中，不僅僅是強化理論教學，而且需要著重培養學生分析和解決工程實踐問題的能力。李雯[3]提出通過綜合性實驗項目設計教學改革，提升學生的綜合思維能力和對工程力學性質性能的綜合判斷能力。邵冰莓[4]探索了通過與行業結合，多平臺教學資源的建設，對學生的科學探究能力進行系統的啟蒙與訓練的實驗改革探索。此外，岳建彬[5]提出采用虛擬現實、華珍[6]提出采用ADINA、許月梅[7]提出云教材建設輔助工程力學實驗的改革思路。該文針對新工科背景下工程力學實驗教學的現狀以及存在的問題，在強化學生理論知識的基礎上，以培養學生的工程實踐應用能力為目標，探索工程力學課程實驗的改革思路。

1 工程力學課程實驗教學現狀

工程力學實驗是為了彌補理論課程教學與實踐結合不緊密而設。由于工程力學涵蓋理論力學和材料力學課程，所以工程力學實驗可以囊括理論力學實驗和材料力學實驗，是理論課程教學的重要補充，是對課堂理論的實踐論證。但是由于課時的限制，一般工程力學課程實驗項目只是有選擇地開設，甚至有些高校不開設工程力學課程實驗。但是對于以培養學生的工程實踐應用能力為目標的應用型本科院校，開設工程力學課程實驗對學生能力的培養至關重要，是鍛煉學生實踐能力的重要途徑。針對當前應用型本科院校工程力學實驗的開設狀況，其主要存在以下問題。

1.1 實驗內容不能滿足需求

隨著科技的不斷發展，對高校學生的培養要求也不斷提升。對于應用型本科院校，對學生的培養不僅僅要掌握工程力學基本理論知識，而且還要掌握一定的實踐應用能力隨著當前多學科的交叉發展，對工程力學知識應用能力日益凸顯。而開設工程力學實驗則是對實踐應用能力的重要補充。但目前所開設工程力學實驗一般多為傳統項目，項目內容簡單陳舊，且多驗證性實驗，雖然一定程度上可以加深學生對工程力學理論知識的理解，但依然無法有效銜接工程應用，更無法服務多學科交叉融合發展。以材料力學實驗為例，其實驗對象多為桿狀結構，而工程中的受力結構往往比較復雜，雖然可以通過材料力學實驗測得工程結構所用材料的一些材料參數，但是對于實際工況下的力學性能則無法通過材料力學實驗測得，所以這就限制了學生解決工程問題的能力。因此，在開設工程力學實驗項目時，需要對實驗內容進行創新和改革，通過搭設連接實驗和工程問題的橋梁，不僅僅可以驗證課堂理論教學，還提供對工程問題的解決途徑，以達到培養學生工程應用能力的目的，更好地服務我國的新工科建設。

1.2 實驗條件不能滿足需求

工程力學課程實驗的開設，是對理論知識的有效驗證，同時也有力地培養了學生的動手能力，對培養學生的獨立分析和解決問題的能力至關重要。所以目前國內一些高校均建設了工程力學相關實驗室，然而由于實驗室成本以及場地等因素的限制，工程力學課程實驗在開設存在一些與培養目標不符的問題。首先，一般隨著技術的不斷發展，實驗設備應該及時更新換代，然而由于購置成本的制約，有些實驗設備陳舊老化，無法勝任學生的培養工作。其次，由于工程力學為專業基礎課，其實驗設備的購置數量受到限制，導致實驗課開設過程中無法讓學生有效參與進去，學生觀摩指導老師做實驗或者幾個人分組用一臺機器做完成實驗項目，嚴重制約了學生的動手能力，更無法培養學生解決問題的能力。實驗條件不能滿足培養學生過程中日益增長的需求是一個普遍存在的現象，而且這種矛盾必將長期存在。因此需要探索一種方法或途徑能夠替代或者彌補實驗條件限制所帶來的問題。

1.3 實驗缺少實踐性和創新性

一般來說，課程實驗以驗證課程理論，培養學生動手能力為主要目的，這也是開設工程力學實驗項目的目的，并且實現了理論和實踐的初步結合。但是在當前時代背景下，應用型本科院校的目標是培養具有突出實踐能力的新興工程技術人才，這要求學生具有較強的實踐能力。因此，開設課程實驗項目不僅僅要求具有驗證理論，還需要具有較強的實踐性和創新性。從圖1可以看出，傳統的工程力學實驗項目主要目的是驗證一些基本力學理論，不能很好地銜接工程實踐，而且實驗內容沒有體現不同學科之間交叉融合，缺乏創新性。所以傳統的工程力學實驗項目需要進行改革和創新才能滿足當前應用型本科院校的培養需求，在傳統實驗項目的基礎上突出實踐性和創新性，在驗證理論的同時突出培養學生的實踐能力。

2 工程力學課程實驗改革方法

為了彌補工程力學課程實驗缺乏實踐性以及創新性的特點，在不增加成本且保留原有實驗項目的前提下，對原有實驗項目從內容、方法等方面進行改革。從開放式實驗報告以及虛擬仿真應用的角度闡述對工程力學實驗的實踐性及創新性的促進作用。

2.1 開放式實驗報告

一般來說，在完成實驗教學后，學生都會有撰寫實驗報告的任務要求。學生在固定格式的實驗報告上填寫實驗課堂記錄的數據和現象，然后進行數據分析和處理。實驗報告是課程實驗的重要環節，是理論聯系實際的重要體現，鍛煉了學生分析問題解決問題的能力。然而固定格式的實驗報告沒有提供學生自由發揮的空間，限制了學生的創新能力的培養。因此，在實驗報告部分，除了實驗數據及現象的記錄與分析處理，應該設置相對的模塊為學生提供自由發揮的空間，以鍛煉學生的創新能力。

以轉動慣量測量實驗為例。轉動慣量是物體繞軸轉動時慣性的度量，可以通過數學公式直接計算出形狀簡單物體的轉動量。而對于形狀復雜物體的轉動慣量，則需要采用實驗方法間接測得。根據相同質量物體的轉動周期相同時，二者的轉動慣量相同的原理。可以先應用公式計算出簡單形狀的轉動慣量并用實驗測得其的轉動周期，再利用實驗測得復雜形狀構件的轉動慣量，然后根據等效原理算出復雜結構件的轉動慣量。在實驗測量過程中，由于初始擾動的不同，簡單形狀構件和復雜構件的轉動周期很難相同，所以等效計算復雜件的轉動慣量時就需要采用數值分析手段確定。一般固定格式的實驗報告則直接給出一個插值公式計算復雜件的轉動慣量，學生直接帶入公式計算，而忽略了誤差、精度以及一些特殊情況的處理。為了培養學生解決問題以及創新能力，可以將實驗報告這部分內容設置為開放形式，不提供計算公式或者只提供思路，將探尋等效方法交給學生，引導學生思考問題，充分發揮學生的創新能力，進而通過這種模式可以極大地促進學生能力的培養。除了轉動慣量實驗，其他的工程力學實驗報告均可以通過這種開放式的形式，引導學生思考問題，探尋解決問題解決方法，以促進學生的創新能力。

2.2 虛擬仿真

虛擬仿真是現代信息技術和實驗教學項目融合先進教學方式，能有效拓展實驗教學的深度和廣度，是提升實驗教學質量和水平的重要舉措。目前虛擬仿真實驗教學已被教育部列為國家教學項目，得到了大力支持。雖然虛擬仿真技術優點眾多，但是同傳統的實驗室建設相似，虛擬仿真實驗室的建設依然需要投入較大成本，除了硬件設施，還需要在軟件等資源上有較大投入。為了克服成本上的問題，該文提出以傳統實驗項目為基礎，以CAE虛擬仿真技術為輔助，二者協同作用，拓寬和加深實驗教學內容的深度，增加實驗項目的實踐性和創新性。

以彎曲正應力測量實驗為例。圖2為彎曲正應力實驗測量裝置，可以測得不同載荷下簡支梁中心位置上一些測點的應變，然后通過胡克定律計算出該點處的正應力，并同理論值進行比較。彎曲正應力實驗用測量值驗證了課堂講授的理論，但同實際結合不緊密，對于一些工程復雜構件無法求其受到彎曲作用時的正應力。將CAE分析同實驗相結合，用實驗測量值、CAE求解值同理論值進行對比分析，既驗證了理論的正確性，又將實驗測量、書本理論、工程實踐有機結合。圖2為簡支梁實驗受力模型，以及采用Ansys workbench 17.0分析的F=500N時正應力的計算云圖，其中簡支梁的材料參數為E=206GPa， 。可以發現兩種情況下簡支梁的正應力相差較小，見圖2（b）。表1為圖3所示實驗測量、理論計算、CAE分析簡支梁在不同F下最大正應力對比，可以發現三者之間的誤差小于0.5%，遠小于工程中5%的誤差范圍，說明這3種方法求解簡支梁不同載荷下的最大正應力均是有效的。而且從圖2（b）中正應力分布云圖可以發現，仿真所求得正應力分布和理論分布規律彎曲吻合，即中心層正應力最小，離中心層越遠正應力越大。

除了彎曲正應力實驗，其他諸如軸向拉壓、圓軸扭轉實驗等均可以通過采用CAE虛擬仿真技術輔助工程力學課堂教學和課程實驗，而且這種基于CAE的虛擬仿真直接銜接工程問題，極大地提升了學生解決工程問題的能力，對學生創新能力的培養也是一個極大的促進。

3結語

工程力學課程實驗是為了彌補工程力學課程理論性較強與實踐結合不緊密特點。但是在當前時代背景下，工程力學課程實驗依然存在實驗內容和條件不能滿足需求，以及缺少實踐性和創新性的特點。針對工程力學實驗項目存在的問題，在不改變傳統實驗項目的基礎上以及不增加成本的角度，提出了開放式實驗報告以及采用虛擬仿真技術輔助實驗的手段，并且用兩個傳統實驗項目分別闡述了改革方法與內容。

參考文獻

[1] 段詩雨.工程力學實驗教學現狀及對策[J].西部素質教育，2020，6（8）：167-168.

[2] 林健.面向未來的中國新工科建設[J].清華大學教育研究，2017，38（2）：26-35.

[3] 李雯.工程力學、材料力學實驗課程綜合性項目教學改革[J].造紙裝備及材料，2020，49（4）：195-196.

[4] 邵冰莓，李晉川，鄭庭輝，等.基于“強基計劃”的工程力學綜合實驗改革[J].實驗技術與管理，2021，38（3）：168-172.

[5] 岳建彬.工程力學實驗教學中虛擬現實技術的應用分析[J].當代教育實踐與教學研究，2019（16）：7-8.

[6] 華珍，王天錫，張緒貞，等.基于ADINA的工程力學實驗改革[J].高教學刊，2019（2）：141-144.

[7] 許月梅.新工科工程力學云教材建設的研究與實踐[J].力學與實踐，2020，42（3）：368-371.