工程力學專業“強基計劃”在基礎力學實驗教學中的實踐

關鍵詞：強基計劃；創新人才；培養模式；新發展理念；探究性實驗項目

中圖分類號：G640" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-000X（2025）17-0023-04

Abstract： According to the program of strengthening basic disciplines， the \"strengthening basic disciplines class\" in engineering mechanics major is established. In this class， the innovative talent training mode is put into practice and the deep integration mode of general education， professional education and cross-training is boosted. This paper is focused on cultivating top-notch innovative talents with excellent personality， quality， ability and knowledge in the new era. Taking the priority research and focus areas of modern mechanics as the key points， we aim to enhance teaching quality by updating the contents and the teaching methods in the experimental course and also by integrating into the new development concept. By closely combining the scientific issues， technical problems and disciplinary knowledge with each other， the students' learning interest is greatly evoked. Develop the exploratory experimental projects to cultivate the students' practical skills and innovative consciousness， and guide them to explore and solve new problems in science and engineering.

Keywords： program of strengthening basic disciplines; innovative talent; training mode; new development concept; exploratory experimental project

為了打破被國外“卡脖子”的不利局面，加大力度、加快培養大批高素質人才已成為緊要的、關鍵的解決方法之一[1-3]。2020年初，教育部頒布《教育部關于在部分高校開展基礎學科招生改革試點工作的意見》（也稱“強基計劃”）[4]，其目的就是有針對性地培養一批服務于國家重大戰略，聚焦高端芯片與軟件、智能科技、新材料、先進制造、國家安全及人才緊缺的拔尖人才。“強基計劃”是一個具有戰略性、前瞻性的高等教育改革，也是實施人才強國戰略的重要舉措，其培養目標是以高水平科學研究支撐高質量教學，激發學生學術志趣，樹立創新意識，提升科學素養，探索在學科會聚和集成攻關中解決交叉培養等難題。

為了實現上述培養目標，浙江大學對“強基計劃”各個專業的人才培養提出高標準規劃。工程力學專業已經納入“強基計劃”之列，按照學校的總體要求，設立了工程力學強基班，實施創新人才培養模式，推進通識教育、專業教育、交叉培養的深度融合，培養人格、素質、能力和知識俱佳的新時代拔尖創新人才。“強基計劃”學生在本科階段的培養目標是強化學科專業基礎，根據國家急需領域，強化相關課程改革和建設；以本學科領域的科學研究作為提升教學質量的抓手，把工程問題和學科知識緊密地結合起來，激發學生的學習興趣，培養學生動手能力和創新意識，引導學生探索和解決科學和工程中的新問題。實驗教學是“強基計劃”人才培養的重要一環，需要開展針對性的實驗教學改革和落實相關舉措。

一" 創新實驗教學模式和方法

工程力學專業的實驗教學由理論力學實驗、材料力學實驗、現代固體力學實驗技術和工程流體實驗技術等多門實驗課程組成。上述課程是工程力學“強基計劃”班（以下簡稱“強基班”）培養的重要組成部分。為此，專門強化了“強基班”的實驗課程體系。在硬件配置方面，率先建成“力學強基實驗室”；在師資投入方面，對“強基班”配備多名具有豐富教學經驗和科研經驗的高水平教師，并實行導師制；在教學模式方面，采用開放自主的教學方式，學生可自主選擇探究性實驗項目并自主安排實驗時間；在教學內容方面，注重創新性、高階性和應用性的實驗，在科學研究和工程技術問題中挖掘和提煉實驗項目并納入實驗教學。例如，在講解理論力學的單擺力學模型和概念時，將相關知識與工程實際相結合，在超高層建筑的抗風和抗震中，可用單擺（TMD）或用水筒（TLD）技術控制振動[5]，制作了相關實驗模型來模擬減振，啟發學生開展創新研究。工程實例中，列舉出臺北101大樓用了重 650 t的單擺，上海中心大廈 200 層超高樓用了重1 000 t的單擺，以實現抗風振和抗地震。又如，在講解振動和噪聲內容時，結合新近杭州亞運村中建成的超高層建筑（200 m以上），其高速電梯（4.5 m/s）的轎廂在井道內運動（起動、上升、下降）時產生異常的、令人難以接受的嘯叫噪聲。利用流體力學和振動力學知識進行分析，可知電梯轎廂運行時產生嘯叫噪聲的原因有：①沒有正確設置減振消聲橡膠墊而在轎廂起制動時會引起較大的振動；②轎廂壁板振動頻率與系統振動頻率相近，產生了共振；③轎廂自重太輕，動態性能較差，對振動的屏蔽能力較弱等。基礎力學教師們根據力學知識提出了相關解決方案，成功解決了該嘯叫噪聲問題，并以此為背景，制作出了相關的實驗模型，供學生觀摩和體會。再如，微小衛星因姿態控制需要，要測定其轉動慣量。為此，利用理論力學相關知識，特別制作了工程測試用三線擺，高精度地測出非均質微小衛星的轉動慣量，為該衛星正常運行起到了重要作用。同理，“神舟三號”火箭發射時，航天員座椅的轉動慣量也需要知道，可采用同樣的方法進行測定，為航天發射解決了重要問題。還將工程中出現的問題和發生的事故引入課程中，讓學生們進行分析和討論，加深理解和引起重視。例如，1997年建成的廣東虎門大橋，由于投入使用已有 20 多年，需要進行維護。維護時在橋面的兩邊布置了大量的“水馬”（一種裝有水的用來分割路面或者用來阻擋的塑制殼障礙物），用以引導和保障交通安全和秩序。2020年5月5 日，人們發現大橋的橋面發生了明顯的振動（晃動）[6]，引起了恐慌。 5月13日，專家們到現場調研后，找出了原因，是因為安裝了“水馬”后，橋梁結構的空氣動力學特性發生了改變，汽流引起橋一側的“渦流”激發大橋發生了“渦振”。找出原因就可以有效地解決實際問題。為了讓學生有更深刻的理解，在自制的多功能理論力學實驗臺架上完成了一項模擬實驗，學生看到實驗現象后很快就能理解大橋的“渦振”問題。再如深圳賽格大廈的晃動，曾引起了人們的恐慌和不安，這個問題也利用力學知識進行了解釋，屬于共振問題。上述幾個實例說明了掌握力學知識的重要性和必要性。學生們接觸和了解到這些實驗后，都感受到了力學知識和工程實際聯系的緊密度，深刻理解了“知識就是力量”的道理。

在“強基班”材料力學實驗教學中，實施了能夠促進學生運用理論知識解決實際問題的能力的探究性實驗教學方法，其內涵就是落實自主、自助、開放的教學模式，學生可以根據自己的專業、興趣選擇課題，以小組為單位，團隊協作，獨立完成所選課題。這種教學方法有以下幾個特點：①成為課題的實驗項目已經形成了模塊化的項目群（計25項），這些實驗項目具有高級性和綜合性的特點，屬于實驗教學內容體系中的提高實驗項目，具有一定的挑戰性，體現了“兩性一度”的要求。②這些實驗項目均具有工程實際背景而且屬于設計性、研究性實驗項目，實驗內容與理論教學緊密結合，均在實驗教學大綱范圍內，實驗項目的模塊除了基本變形實驗的拓展類、實驗應力分析的應用類，還將先進的制造技術——3D打印技術引入到材料力學實驗課程中（圖1），實現程序設計、模型打印、應力測試與分析、空心結構設計及力學行為研究等多方面能力訓練的目的[7]。③大幅增加實驗教學課時，強化學生動手能力、創新能力和協作能力的培養。一個項目的課時達到8學時，而且實施了開放式教學模式，允許學生課外來實驗室繼續開展實驗操作、測試等。

探究性實驗教學注重對學生綜合能力的培養。在實驗課程的實施中，主要體現在文獻查閱、方案制定、動手能力（應變片粘貼、電測技術、獨立試驗）、團隊協作、數據分析與處理、誤差分析、論文撰寫和答辯等方面。學生通過完成所選課題，多方面能力得到了鍛煉，也掌握了運用理論知識解決實際問題的思路、方法和技能。例如，向學生開放了應變式傳感器設計與標定這一實驗模塊，這些實驗內容與現代萬物互聯時代密切相關，將其實驗項目引入到教學內容。這些實驗項目具有綜合性、設計性和高級性的特點，可以將其分解為多個子課題對學生進行訓練，內容均包括構件（彈性元件）受力分析、強度校核、應變計粘貼、組橋方法、實驗操作（試件安裝、儀器設備調試、加載方法）、數據采集（應變測定）和理論計算與誤差分析。團隊協作能力的培養主要是采用讓學生根據自己的情況自由組隊，每個小組2～3人，組隊后由隊員們共同協商并自主選定一個實驗課題，然后進行任務分工與協作，要求每位學生都有具體任務，最好能利用各自的長處和優勢，共同完成。如果學生在課題選擇環節遇到不好把握的，則指導教師根據學生的專業背景，給出建議，引導學生選擇感興趣的課題。為了很好地達到綜合能力培養的效果，課題的實施為課內安排三次課，即6個學時，如在這時間內沒有完成，可在課外再增加2～4學時。課題執行期間，教師和學生零距離接觸，共同討論課題相關的問題和難點，重點是啟發和引導學生解決問題的思路和方法，而不是簡單地告知答案。指導教師還要對學生的各種實驗儀器設備的操作進行悉心培訓，努力培養學生的工程能力，學生在不斷解決問題的過程中，很好地鍛煉和培養了解決工程實際問題的能力。為了訓練學生的表達能力，保證實驗教學質量和效果，課程在最后設置了答辯環節；同時為了讓學生盡早掌握科技論文的寫作要點和規范，還要求學生提交3 000字以上的研究小論文一篇。

二" 有機融入實驗課程思政

2020年，教育部在印發的《高等學校課程思政建設指導綱要》中提出了要解決培養什么人、怎樣培養人、為誰培養人這一根本問題。圍繞全面提高人才培養能力這個核心點，要求全國所有高校、所有學科專業全面開展以圍繞政治認同、家國情懷、文化素養、憲法法治意識和道德修養等為課程思政內容，系統進行中國特色社會主義和中國夢教育、社會主義核心價值觀教育、法治教育、勞動教育、心理健康教育和中華優秀傳統文化教育，堅定學生理想信念，切實提升立德樹人的成效。

高校人才培養是育人和育才相統一的過程。在工程力學“強基班”的實驗教學中，把專業教育與思想政治教育有機結合，形成育人合力，充分發揮課程育人的功能。根據課程的特點和育人要求，科學設計課程思政教學內容和教學方法，努力提升專業教師的課程思政建設能力，把思政內容和專業課程內容融合在一起，避免枯燥地對思政內容進行講解。在構建課程思政內容時，注重堅定“四個自信”和培育、踐行社會主義核心價值觀，教育學生深刻理解社會主義核心價值觀的豐富內涵；加強中華優秀傳統文化教育，大力弘揚以愛國主義為核心的民族精神；強化職業理想和職業道德教育，幫助學生了解力學及相關專業和行業領域的發展態勢，了解國家發展戰略和行業需求等。材料力學實驗課程是技術基礎必修課程，通過本課程的實踐和訓練，可以幫助學生掌握測定工程材料力學性能的技能、驗證材料力學理論，學習實驗應力分析方法和技術，還可以訓練動手和創新能力。在材料力學實驗的實際教學中，把思政內容和諧、有機地融入課程中。如學生在課題研究中遇到困難時，結合航天精神進行激勵和鼓勵；在傳感器試樣制備和應變片粘貼技術中，結合工匠精神，引導學生養成精益求精、精雕細琢的做事態度。

本科生學成之后將會從事科研、技術和設計等工作，要求要具有扎實的理論知識和嫻熟的專業技能，同時也需要有較高的綜合素質和高尚的思想品格。在授課過程中，通過專業理論和實驗技能的講授，把工程規范要求和產品或工程構件的安全問題傳達給學生，樹立學生正確的人生觀和價值觀，培養學生勇于探索、勇于承擔社會責任的意識。在講解應力測定時，實驗結果存在系統誤差、隨機誤差等，為了提高實驗測試精度，在實驗過程中我們要求學生要養成嚴謹的科研態度，如實記錄實驗數據，堅信實踐是檢驗真理的唯一標準，理性地用辯證唯物主義思想去分析問題，根據記錄的數據和理論值進行比較，分析誤差產生的原因，加深對理論知識的理解，強化動手能力的培養，形成科學的思維方式，杜絕數據造假，樹立嚴謹的科學態度和培養良好的職業操守。工程材料力學性能測定和實驗應力分析方法是材料力學實驗的主要內容。材料的力學性能測定能否達到要求，實驗應力分析方法及技術能否正確掌握，關系到科研和技術工作的質量和工程質量。實驗課程的學習要有刻苦鉆研、實事求是的學習態度，要能掌握扎實過硬的實驗技能。在測定工程材料力學性能時要執行國家相關標準和規范，能夠正確運用理論知識解決實際問題，熟練掌握相關的實驗技能。

在對“強基班”的基礎力學實驗教學中，銘記習近平總書記在全國教育大會上提出的“要在增強綜合素質上下功夫，教育引導學生培養綜合能力”[8]的指示和全方位育人大格局[9]。實施有助于學生能力培養的探究性實驗教學方法，研發并在實驗教學中投入了一批具有高階性的、有助于學生能力培養的實驗教學項目及實驗裝置，并形成模塊化的項目群，注重理論和工程應用的結合。把實驗項目課題化，適當增加實踐環節的課時數以強化在工程技術方面的訓練。上述的實驗教學模式、教學方法及教學內容對于訓練學生駕馭理論知識和解決復雜問題的能力具有積極的作用，使學生在創造力、社會責任感和工程規范意識等方面都得到有效的培養和提升；在面對面指導學生的過程中，有針對性地對學生的家國情懷、創新意識、工匠精神和社會責任等方面進行熏陶和教育，介紹改革開放取得的偉大成就及錢學森等老一輩力學家為國為民作出的豐功偉績，彰顯力學人對國家建設的重要貢獻，激勵學生成為新時代國家經濟建設的重要參與者和貢獻者。

在實際的教學工作中，將社會上的一些事故及熱點話題，運用力學知識進行分析，揭示其中的奧秘和關鍵，讓學生可以零距離感受工程力學專業是大有可為的專業，可以為國家建設作出重要貢獻。在這方面我們總結了幾條：①習近平總書記講：“國家的希望在青年。”對現代的青少年的培養，需要增加新的學習內容和采用新的學習方式。強基實驗室用看得見、摸得著的玩具和魔術向學生傳授其中蘊含的力學知識[10]，提高了學生的學習興趣，也貫徹了中國古話“百聞不如一見”的優秀教育方法。②“強基計劃”在學生培養方面要實現強化使命驅動、厚植家國情懷、培育遠大人生理想的目標。③在教學方面，注重近些年來我國在各個領域取得的巨大成就。例如，高鐵在我國得到了蓬勃發展，截至2022年底，總里程已經達到近4.2萬公里并形成網絡，占世界高鐵營業里程的69%以上，是里程最長的國家。高鐵已經成為國家的名片，為國人出行帶來了極大便利。但高鐵技術非常復雜，需要攻克好多難題，與力學相關的就有熱膨脹系數小的工程材料開發、剪切型橡膠減振器的制備、輸電線恒張力的懸吊機構研制等。向學生傳授這些科普知識，可以激發學生的自豪感和使命感。再有，美國等西方國家對我國在科技、貿易等多方面進行打壓，禁止半導體芯片、光刻機等出口到我國，有些力學的計算軟件也要禁止我國使用，妄圖卡我們的脖子，遏制我國的快速崛起和發展。對此，我們以此為契機，對“強基班”的學生進行愛國主義教育，激勵學生奮發努力，刻苦鉆研，為中華民族的偉大復興作出貢獻。

三" 系列教學資源建設

對于“強基班”學生在本科階段的實驗教學方面的舉措，除了上述的教學模式、教學內容和方法，還根據“強基班”學生要成為復合型人才的培養要求，在自制教學設備研發、教材、科普書籍和實驗講義編寫等方面開展了一系列建設工作，如研發理論力學綜合實驗臺架、材料力學創新實驗臺架（圖2）、應變式扭矩傳感器標定實驗臺架等，編寫了《力學導論》《工程力學的應用、演示和實驗》《探究性實驗講義》及《玩具和魔術中的力學》等，為學生自主探索具有創新性、挑戰性和高階性的實驗課題及項目提供重要的基礎和支撐。

四" 結束語

“強基計劃”是實施人才強國戰略的重要舉措，落實到具體的專業和課程中，需要不斷探索和建立行之有效的培養機制、培養模式和方法。浙江大學工程力學專業在基礎力學實驗教學的具體實踐中，通過不斷地開展實驗室建設和教學改革，建成了“力學強基實驗室”，構建了創新性的實驗教學模式，更新了實驗教學內容并將思政有機融合在實驗課程之中，有針對性地研發了高階性、探究性實驗教學項目和與之匹配的自制教學設備，編寫了與實驗教學內容相配套的教材、課件等，在培養具有綜合素質高、創新能力強、能服務國家重大戰略需求的拔尖人才方面，初步找到了一些較為有效的教學方法和手段。

參考文獻：

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[8] 習近平：堅持中國特色社會主義教育發展道路 培養德智體美勞全面發展的社會主義建設者和接班人[EB/OL].http：//jhsjk.people.cn/article/30284598.

[9] 教育部關于印發《高等學校課程思政建設指導綱要》的通知（教高〔2020〕3號）[EB/OL].（2020-06-01）.http：//www.moe.gov.

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[10] 王永，金肖玲，莊表中.玩具和魔術中的力學[M].北京：高等教育出版社，2021.