新工科視角下土木工程專業“材料力學”實驗課程模塊化教學模式探索

摘"要：本文聚焦新工科背景下土木工程專業“材料力學”實驗課程，針對其傳統教學模式的短板，深挖癥結，探討模塊化教學模式的構建、實施與評價。通過對知識模塊的合理劃分、教學方法的創新設計、教學過程的精細組織以及評價考核體系的全面優化，旨在提升學生的實踐能力、創新思維和綜合素質。對標土木工程高質量發展對人才培養的新要求，力求貼合新工科對土木工程人才培養的新需求，旨在為建筑類高校的“材料力學”實驗教學改革提供理論支持與實踐參考。

關鍵詞：新工科；土木工程專業；材料力學實驗；模塊化；教學模式

中圖分類號：G642.0

在土木工程專業人才培養方面，新工科建設提出了新的要求。作為土木工程專業實踐教學的關鍵內容——“材料力學”實驗課程，傳統教學模式的局限性逐漸凸顯。例如，分散孤立的實驗項目，缺乏系統性的整合；單一的教學授課方式，難以激發學生創新活力；實驗內容脫離工程實際，學生無法將課本知識應用到實際工程場景中［12］。因此，構建模塊化教學模式對于提升“材料力學”實驗課程教學質量、培養適應新工科時代的土木工程專業人才具有極為重要的意義［34］。

新工科強調跨學科知識集成、創新實踐能力的培養以及對前沿技術和新興產業的應變能力［56］。在土木工程領域，這意味著“材料力學”實驗課程需要引導學生掌握傳統與新型建筑材料的力學特性；培養學生將材料力學原理與土木工程結構設計、監測評估等多環節有機結合的能力；鼓勵學生運用數字化、智能化實驗技術與手段，探索材料力學性能與結構行為，提升解決復雜工程問題的能力和創新思維。教學模式結構如下圖所示。

教學模式結構圖

1"模塊化教學模式的架構

1.1"知識模塊的組織

1.1.1"基礎力學性能驗證模塊

基礎力學性能的主要測定實驗，包括拉伸、壓縮、扭轉和彎曲等傳統實驗項目。拉伸實驗主要是對不同材料（如低碳鋼、鑄鐵等）的拉伸測試，在軸向拉伸載荷下，對材料在力學變形、破壞機理上有較深的認識。壓縮實驗則針對低碳鋼和鑄鐵試件等，探究材料在壓縮狀態下荷載變形曲線各階段的力學意義，掌握金屬試件等材料的抗壓強度和變形破壞特征。熟練掌握材料關鍵力學參數的測定方法熟練運用萬能材料試驗機、游標卡尺等實驗設備進行數據采集與分析，引導學生思考脆性材料與塑性材料在結構中運用的場景。

扭轉實驗讓學生熟悉低碳鋼、鑄鐵等軸類構件在扭轉力矩作用下的扭矩扭轉角關系、剪切模量的測定以及扭轉破壞形式，熟練掌握扭轉試驗機的使用規范和扭轉實驗數據的分析方法，對比脆性材料與塑性材料在扭轉破壞時剪切面的變形特征。彎曲實驗主要測試鋼梁的純彎段的抗彎性能，計算處梁的彎曲正應力和主應力，對梁在彎曲載荷下的應力分布規律有深入的認識。通過在梁表面粘貼電阻應變片，測量不同截面位置的應變值，掌握應變片的粘貼技術、靜態應變儀的操作以及資料處理方法等。

1.1.2"力學性能綜合分析模塊

以傳統實驗項目為基礎，模塊化設置拉彎組合、彎扭組合等組合變形實驗和疲勞性能測試實驗項目，旨在提升學生對復雜受力狀態下材料力學性能的分析能力。在拉彎組合實驗中，學生需綜合考慮軸向拉力和橫向彎矩對試件力學行為的耦合影響，運用材料力學的應力狀態分析理論和應變片測量技術，深入理解材料在復合應力作用下的破壞準則和強度理論。通過對金屬材料標準試件進行疲勞加載，測定材料的疲勞極限、應力曲線等關鍵參數，深入探究材料在動態載荷作用下的疲勞失效機理和規律。在實驗過程中，學生掌握疲勞試驗機的操作流程、疲勞數據的采集與處理方法，培養對材料長期力學性能和結構耐久性的分析評估能力。

1.1.3"工程應用與創新實踐模塊

結合土木工程實際工程案例，開展建筑結構模型材料力學性能的研究式實驗［78］。學生以小組為單位，設計并制作一品框架結構的小型建筑模型，選用木材或竹材作為建筑材料，模擬實際工程中的荷載工況，對模型進行加載測試，分析結構在不同荷載作用下的應力分布、變形特征以及材料的力學響應。引入新型建筑材料實驗項目，學生通過對新型復合材料的試樣制備、力學性能測試，了解新型材料的獨特力學性能優勢及其在土木工程中的潛在應用前景。通過實驗，學生不僅能夠將材料力學知識應用于實際工程結構分析，還能培養團隊協作精神、工程實踐能力和創新設計意識，提出優化結構設計和材料選擇的方案。

1.2"教學方法的創新

1.2.1"線上線下混合式教學

線上教學平臺匯聚豐富的教學資源，如實驗教學視頻、虛擬仿真實驗軟件、電子教材、預習測試題庫等。實驗前，學生借助線上平臺自主學習實驗的基本原理、操作步驟和注意事項，并通過虛擬仿真實驗進行預操作，對實驗過程和可能出現的現象提前熟悉，完成預習測試，以檢驗預習效果。例如，在彎曲實驗的線上預習中，學生可利用虛擬仿真軟件模擬不同梁截面形狀、尺寸和加載方式下的彎曲過程，動態觀察梁內應力應變分布的變化規律，直觀感受實驗結果與參數之間的關系，從而帶著明確的學習目標和問題進入實驗室。

線下教學側重于實驗的實際操作指導、現場問題解答和深度討論。教師在實驗室現場對學生的實驗操作進行示范與指導，及時糾正學生的錯誤操作，如應變片粘貼位置不準確、試驗機加載速率控制不當等問題。實驗結束后，組織學生進行小組討論，引導學生對實驗資料與理論結果的不同進行分析，對實驗過程中所遇到的問題及解決辦法進行探討，鼓勵學生提出具有創新性的思考和見解，加深學生對實驗知識的理解和掌握，從而培養學生的科學思維能力和動手能力。

1.2.2"啟發式與探究式教學

在基礎力學性能驗證模塊的教學中，采用的是一種啟發式的授課方式。例如在拉伸實驗中，提出為什么低碳鋼和鑄鐵的拉伸曲線有如此大的差異等問題，在實驗過程中引導學生觀察材料的屈服現象、頸縮過程等，啟發學生思考材料內部微觀結構對宏觀力學性能的影響。實驗結束后，進一步引導學生探究如何通過材料的成分調整、熱處理工藝等手段改善材料的力學性能，激發學生對材料科學的深入探索興趣［9］。

在力學性能綜合分析模塊的彎扭組合實驗教學中，教師采用探究式教學。教師先介紹彎扭組合下的應力狀態理論知識，提出如何通過實驗數據準確計算主應力大小和方向等問題，學生在實驗過程中通過改變加載比例、測量不同方向的應變值等方法進行探究，教師旁站引導答疑，幫助學生深入理解復雜應力狀態下的材料力學分析方法，培養學生的探究精神和科學思維能力，使學生能夠自主地運用所學知識解決復雜的材料力學問題，也可以進一步引導學生以解決復雜材料力學問題為基礎，嘗試開展簡單結構的力學問題。比如，結合全國大學生結構設計競賽、全國高校城市地下空間工程專業大學生模型設計競賽，對標賽題，靈活運用力學知識完成作品或參加比賽等。

2"教學實施過程管理

2.1"實驗預習階段

實驗課程上課的前一周，教師將本次實驗的相關資料上傳至線上教學平臺，主要包括實驗指導書、教學視頻、虛擬仿真實驗鏈接、預習試題等。實驗指導書詳細闡述實驗目的、原理、儀器設備介紹、實驗步驟、數據處理方法以及注意事項等內容；教學視頻通過動畫演示、實際操作錄像等形式直觀地展示實驗過程；虛擬仿真實驗為學生提供沉浸式的預實驗體驗環境；預習測試題涵蓋實驗的關鍵知識點和操作要點。教師根據預習測試結果，分析學生的預習情況，了解學生對實驗知識的掌握程度和存在的薄弱環節，以便在課堂教學中有針對性地進行講解和指導，提高課堂教學效率。

2.2"實驗操作階段

學生分組進入實驗室，每組人數根據實驗項目的復雜程度確定，一般每臺套設備對應5人。首先，教師向學生介紹實驗室的規章制度和儀器設備的操作規程，強調實驗安全注意事項，簡要講解本次實驗的重點和難點以及預習結果反映出的問題。其次，在綜合分析模塊和工程應用模塊實驗中，學生需要團隊協作完成實驗裝置的搭建、復雜實驗方案的實施以及多參數的測量與分析。教師在學生實驗過程中進行巡回指導，及時解決學生遇到的技術問題，糾正學生的錯誤操作，同時觀察學生的實驗操作技能、團隊協作能力和創新思維表現，給予及時的評價和反饋。

2.3"實驗報告撰寫與總結階段

實驗結束后，學生根據實驗數據和實驗過程中的觀察記錄，撰寫實驗報告。實驗報告要求包括實驗目的、實驗原理、實驗設備與材料、實驗步驟、實驗數據處理與分析、實驗結論以及對實驗的改進建議等內容。在數據處理與分析部分，學生需要運用材料力學理論知識，結合實驗現象和數據，深入探討材料的力學性能，以及對實驗的創新思考等，培養學生分析問題、解決問題的能力以及創新意識。

教師對學生的實驗報告進行批改和評價，指出報告中存在的問題和不足之處，評選出優秀實驗報告在課堂上進行展示和交流。在下次實驗課程開始前，教師組織學生進行實驗總結討論，回顧本次實驗的重點知識和技能，解答學生在實驗報告撰寫過程中存在的疑問，鼓勵學生分享實驗中的經驗和體會，進一步加深學生對實驗課程的理解和掌握。

3"教學效果評價體系構建

3.1"多元化考核方式

3.1.1"實驗操作過程考核

實驗操作考核在實驗室現場進行，占總成績的40%。考核內容包括學生對實驗儀器設備的操作熟練程度、實驗操作的規范性、實驗數據采集的準確性以及團隊協作能力等方面。教師根據預先制定的實驗操作考核標準，對學生的實驗操作過程進行評分。如在拉伸實驗操作考核中，考核項目包括試驗機的開機預熱、試件安裝與拆卸、加載方式選擇、加載速率控制、應變片連接與測量、數據讀取與記錄等環節，每個環節都有相應的評分細則。

3.1.2"實驗報告考核

實驗報告考核占總成績的60%。主要評估學生實驗報告撰寫的質量，包括實驗數據的正確性、實驗結論的準確性以及報告的規范性等。教師從實驗報告的各個部分進行詳細評分，如實驗目的、步驟、結論表述不準確，實驗數據計算錯誤，實驗圖形繪畫表達不準確等。

3.2"教學效果反饋與改進

每學期末，通過問卷調查、學評教等方式收集學生對“材料力學”實驗課程模塊化教學模式的反饋意見。問卷調查內容包括學生對實驗課程知識模塊設置的合理性、對教學方法的滿意度、對實驗教學效果的自我評估、對實驗課程改進的建議等方面。學生座談會則邀請不同層次的學生代表參加，深入了解學生在學習過程中遇到的困難和問題。教師根據學生的反饋意見，總結模塊化教學模式的優點和不足之處。同時，教師將教學改革過程中的經驗和成果進行整理，與同行進行交流研討，不斷提高“材料力學”實驗課程的教學質量和教學水平，推動新工科背景下土木工程專業“材料力學”實驗課程教學改革的持續發展。

結語

基于新工科視角下的土木工程專業“材料力學”實驗課程模塊化教學模式，通過精心構建知識模塊、創新融合的教學方法、精細深入的教學過程以及全面優化的教學評價，有效地解決了傳統教學模式存在的諸多問題。多元化的考核方式能夠全面、客觀地評價學生的學習成果和創新能力，教學效果反饋與持續改進機制確保了教學模式的不斷完善和發展。通過該教學模式的實踐，學生在實踐能力、創新思維和綜合素質方面得到了顯著提升，為培養適應新工科要求的土木工程專業高素質人才奠定了堅實的基礎。然而，教學模式的改革是一個持續的過程，需要不斷探索，以適應新時代土建行業人才培養的新需求。在未來的教學實踐中，進一步加強與企業的合作，引入實際工程項目案例，豐富實驗教學內容；探索人工智能、大數據等新興技術在實驗教學中的應用，提升實驗教學的智能化水平；加強國際交流與合作，學習國外先進的實驗教學理念和方法，不斷提升土木工程專業實驗課程的教學質量。

參考文獻：

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［9］李霄琳，周立明，于莉，等.注重基礎、立足工程、強化實踐、融入模擬、激勵創新：材料力學教學改革探索［J］.力學與實踐，2024，46（01）：179187.

基金資助：2024年國家高等學校虛擬仿真教學創新實驗室項目，2023年安徽省新建專業質量提升項目《智能建造》（2023xjzlts036）；2023年中國建設教育協會教育教學科研項目（2023061）；2023年安徽省新時代育人項目：城市更新背景下土木研究生產教融合培養范式與實踐研究（2023jyjxggyjY182）；2023年獲批安徽省“六卓越一拔尖”項目《道路橋梁與渡河工程》（2023zybj016）；2022年安徽省項目《材料力學線上課程》（2022xcskc007）

作者簡介：陳旭東（1991—"），男，漢族，安徽阜南縣人，碩士研究生，實驗師，研究方向：新型建筑結構及其應用。