基于開放性實驗的應用型大學力學課程改革研究
——以河南城建學院工程力學課程為例

鄭超，張碩，郭平功，郭璐璐，白哲，羅從雙

（1.河南城建學院 土木與交通工程學院，河南平頂山 467000； 2.河南城建學院 外國語學院，河南平頂山 467000）

《國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》明確提出推動具備條件的普通本科高校向應用型轉變。隨后，國家發展改革委、教育部在“十三五”期間實施應用型本科產教融合工程，該工程明確提出高校應加強實習實驗實訓環境、平臺和基地建設，培養能夠將理論聯系實際并將科學知識轉化為生產力的直接為產業發展服務的應用型人才，最終推動技術技能人才培養和應用技術創新。這為普通本科院校應對我國高等教育面臨的“就業難”“同質化”和“與經濟社會發展脫節”等挑戰提供了有效途徑。而力學作為一門最為古老的經典學科，是社會發展和進步不可或缺的知識基礎[1]，是認識自然的一個極其重要的手段，甚至可以說，任何一個重要的宏觀自然現象的解釋與定量預報，都離不開力學。因此，錢學森提出力學是工程科學的基礎[2]。

由于力學的重要性，幾乎在所有工科專業中，力學課程都是專業基礎課程[3]，其對于學生了解工程實際問題，培養學生的工程思維意識，掌握解決工程問題的基本方法以及培養工程創新意識具有關鍵作用[4]。因此，工科專業實施“實踐教學一條線，實踐能力培養不斷線”的首要環節是力學課程。

實驗教學和理論教學是高校教學工作的兩條主線，理論課程的教學改革趨于成熟，實驗教學改革由于各種限制條件的存在，改革進程較為緩慢，實驗教學改革才是提高力學課程質量的有效途徑。然而，在過往的教學中實驗教學一直從屬于理論教學，沒有得到充分的重視和發展，傳統的實驗教學模式已嚴重阻礙了學生主動思維和綜合解決實際問題能力的培養，已經不能適應現代社會對大學生的要求。基于此，本文提出以開放式實驗為手段，開展力學課程教學改革研究。讓學生在寬松的實驗環境中，通過自主選實驗、做實驗、探討實驗、獨立完成實驗報告等實驗教學過程，既進一步鞏固和理解了基本理論知識，又可以打破傳統實驗教學的課堂概念，激發學生學習興趣，促進學生掌握基本知識、基本技能，培養學生良好的思維品質、創新意識和創新能力，從而提高力學課程教學質量。

1 力學課程存在的問題分析

目前，國內高校力學課程教學存在諸多問題[5]。第一，學生對力學課程重視程度不夠，認為自己所學專業根本用不到力學知識，力學課程學不好不會影響后續專業知識的學習，更不會影響就業。第二，力學課程本身內容復雜抽象難以理解，并且很多知識在高中階段已經學習，學生認為力學課程是中學物理課程的延續，無新鮮內容，從而放松了對課程的學習，導致力學課程掛科較多，無法很好地掌握相關力學知識。第三，教學方式和教學方法落后。目前，大多數高校力學課程的教授依然采用傳統的教學方式，教學內容沒有及時更新，缺乏新意，學生處于被動學習狀態，師生間互動較少，并且作業多，學生學業負擔重，不能有效地調動學生學習積極性，授課效果較差。第四，教學學時減少與教學內容多相矛盾，學生掌握難度大。近年來，隨著高等院校教學計劃的調整，力學課程有效的教學學時減少，但教學內容基本不變，導致課程教授速度進一步加快，這就要求學生在學習新知識的同時需要及時復習前面的知識點，否則，很難跟上上課的節奏，如果一次缺席，將導致后面知識的學習更加困難，久而久之，就更難掌握這門課程。第五，個別學生基礎差，有抵觸心理。很多學生的物理和數學基礎較差，在學習力學課程時需結合相關物理和數學知識，因此，學生學習力學課程難度較大，考試通過率低，無形中給學生造成一定的心理壓力，學生存在抵觸心理。第六，考核方式單一，考試是教學的一個重要環節，目前課程采用單一的閉卷考試方式，考試內容局限于教材中的基礎理論知識，不能靈活地將課程知識點和工程實際結合起來，這種方式嚴重脫離了培養解決復雜工程問題能力的目標。以上在力學課程教學方面存在的諸多弊端，最終削弱和影響力學課程在培養學生素質和能力過程中的作用。因此，如何進行力學課程改革，在有效的教學學時內，培養學生基本的力學能力，進而提高學生創新能力，為后續學生進入社會完成相應的工程應用打下良好的基礎，是高校領導和任課教師孜孜以求的目標。

在力學課程教學改革方面，國內外高校做了很多積極的探索。美國、澳大利亞、德國、英國、新加坡等國家的高校逐步提高力學課程學分占畢業總學分的比例，平均達到了11.8%。在課程設置上也進行了改革，逐步將力學課程整合，進行“大力學”課程教學。在教學內容方面也做了相應了改革，增加實踐課程和問題討論課程的學時，在針對專業有選擇性教授力學課程的同時適當減少理論授課學時。例如，卡爾頓大學土木工程系一年級學生的力學課程理論講授39 學時，實驗課、問題討論課39 學時，在提高教師主觀能動性的同時也提高了教學效果。在國內，東莞理工學院馬宏偉建立力學課程體系的組織結構，建議拓展通識力學課程教學，以調整教學內容的方式進行力學課程改革。西北工業大學在課程重組的基礎上，引入多種教學方式，將投影、 錄像及仿真教學等現代教育技術應用到力學課程教學中，以提高教學質量，獲得了良好的效果[6]。河南城建學院等高校將網絡課程教育和學習通平臺應用到教學中，多管齊下，在增加學生接受知識量的同時提高教學質量。然而，經過近些年力學課程教學改革，力學課程質量雖有所改觀，但問題依然存在。

2 河南城建學院力學課程開放性實驗設置

2.1 傳統工程力學實驗的課程開放

工程力學課程課內實驗主要包括： 金屬材料拉伸壓縮實驗、等增量法測定材料彈性模量、低碳鋼、鑄鐵的材料扭轉實驗、純彎曲電測、彎扭組合主應力和內力素測定等，這些傳統的力學實驗以工程力學中的拉壓、剪、扭、彎等四種變形為主線，通過實驗學生可以更好地了解力學原理及提高動手能力，但在當前教學改革的背景下，力學課程學時不斷壓縮，學生僅僅通過課堂實驗進行實踐教學內容的學習，達不到預期的效果。為此，我校將學校實驗室設置為完全開放實驗室，設置了網上預約平臺，預約入口見圖1。學生可在課余時間申請預約進行自主實驗，但前提是需要在實驗室管理教師的設備培訓和安全培訓通過后進行。學生增加實踐課程學習的次數，對于力學課程教學質量的提高起到了極大的促進作用。

圖1 學生網上實驗預約平臺入口

2.2 虛擬實驗平臺的開放

傳統的實驗課由于儀器設備、學習時間、場地等方面的限制，即便完全對學生預約開放也無法滿足所有學生隨時進行實驗的需求，這導致的結果是在短時間內學生根本無法很好掌握實驗設備的使用和原理，從而對于通過實驗提高力學教學效果作用有限。通過建立虛擬實驗平臺（如圖2 所示），將傳統的實驗課同虛擬實驗平臺結合起來，教師將所有相關實驗信息，包括實驗指導書、教學視頻、實驗室虛擬操作flash 等放在平臺上面。學生可隨時隨地通過互聯網接入來訪問該平臺，進行有效的自主學習。一方面增加了學生實驗課程的豐富程度； 另一方面通過自主實驗可以鍛煉學生獨立思考的能力，為進一步弄懂力學原理提供幫助。最后，教師可通過平臺記錄的學生實驗信息有針對性地調整授課計劃，為進一步提高授課質量提供幫助。

圖2 網上虛擬實驗平臺

2.3 學生創新性自主實驗

傳統的實驗過程較為簡單，學生很快就能完成整個實驗過程，重復性地進行一種實驗的操作也不利于學生動手能力、創新能力的培養，最主要也不利于學生對力學知識的理解和運用。通過學生自主設計一些創新性實驗，將所學的力學知識運用到實驗中去，通過自主設計實驗方案、自主完成實驗操作及數據分析，提高了學生創新能力和動手能力，同時也激發了學生的學習興趣，促進了教學質量的進一步提高。

3 效果分析

以我校工程造價專業為例，通過近兩個教學周期的對比發現，僅從力學考試的成績分析來看，以往力學考試成績集中在60-79 分范圍內，通過本次開展以開放性力學實驗為基礎的力學課程改革，成績有了很大程度的提高，最新成績分布見圖3。

圖3 課程改革后成績分布圖

4 結語

通過以上分析和研究，可以得到以下結論。

（1）力學課程是所有工科的基礎，是應用型技術大學培養應用型工程技術人才的關鍵，從實驗教學入手，開展力學課程改革是提高力學課程教學質量的必經之路。

（2）通過開放性實驗，增加學生實踐教學環節，打破常規的實踐課程教學模式，可充分調動學生的學習興趣，提高學生動手能力和創新能力，從而提高力學課程的教學質量。