新工科建设中力学实验教学内容体系的优化设计

代树红 宋维源

摘要：为解决新工科建设过程中不同工科专业学生对力学实验教学内容的差异化和层次化需求问题，针对不同专业课程体系需求、学生层次化需求、应用创新型人才培养需求，结合力学数值和虚拟实验教学方法，开展了力学实验教学内容的优化设计。经过对力学实验课程教学内容体系的优化设计与教学实践，对新工科建设中力学实验教学效果的提高起到了积极作用，并通过国家级力学实验教学示范中心将该体系向国内高校进行了推广与辐射。

关键词：新工科；力学实验课程；多学科；差异化；层次化；优化设计

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）22-0276-03

为适应当前世界范围内新一轮科技革命和产业变革，我国已启动了新工科改革与建设。力学实验课程教学内容体系的优化设计就是为适应新工科改革与建设，而开展的力学实验课程内容及体系的改革。力学实验教学内容是力学、机械、材料、土建、岩土工程、安全和采矿等工科专业实践教学中的重要组成，是各学科巩固学生力学理论知识、启发学生独立思考、培养学生解决实际问题能力和创新能力的重要实践教学内容。从目前许多院校使用的力学实验教材来看，力学实验课程的内容多年来变化不大，完全不能满足当前我国高等教育对新工科建设和新兴工程科技人才培养的迫切需求。工科不同专业的学生对力学实验教学内容的差异化和层次化需求是新工科改革与建设中的突出问题，针对该问题国内的一些高校、教育教学研究机构和学者开展了探索性研究。清华大学、浙江大学和哈尔滨工业大学等高校的力学实验教学团队，通过力学创新教育、自主研发实验设备和鼓励学生参与科研项目等途径，开发了新的力学实验教学内容；大连理工大学和东北大学的唐春安、朱万成、王述红、张娟霞等学者，基于RFPA软件分别在岩石力学、材料力学、岩土力学等课程的实验教学中开展了数值实验教学方法的研究，并设计了相关的数值实验教学内容；辽宁工程技术大学代树红、任伟杰等学者在力学实验教学过程中开展了虚拟实验教学内容的研究与实践，中国科技大学、北京理工大学和同济大学等国内多所高校，都根据自身教学需求建立了相关的虚拟力学实验教学内容资源体系。为切实推动新工科建设与发展，提高我国高等学校力学实验课程的教学效果，我校国家级力学实验教学示范中心针对不同工科专业的课程内容体系和学生对力学实验教学内容需求的差异化和层次化问题，以及我校应用创新型人才培养目标的需求，结合力学数值和虚拟实验教学方法，开展力学实验课程教学内容体系的优化设计与教学实践。

一、依据学科课程体系优化实验教学内容

力学实验课程教学面向的学科主要包括：力学、机械、材料、土建、岩土工程、安全和采矿等高等学校的工科专业，主要涉及理论力学、材料力学、工程力学、流体力学、振动力学和岩土力学等课程中的实验教学内容。当前力学实验课程的教学内容是建立在力学理论课的教学基础上的，主要是为了复现力学理论课程教学中的力学现象、力学过程或验证相关力学理论，基本不会考虑力学实验课程的教学内容同不同专业后续专业课间的关联性，忽视了新工科建设和发展过程中不同工科专业的学生在后续新兴专业课学习中对力学实验教学内容的真实需求。现以材料力学中关于测试材料应力-应变关系的实验内容为例，目前的实验教学内容体系中将低碳钢拉伸试验作为教学实验的标准内容，实验中包含杨氏模量的测定、观测弹性和塑性变形规律以及材料应力-应变全程曲线的特征分析，通过该实验学生能直观地接触并掌握低碳钢类金属材料的变形特征。因此，低碳钢拉伸实验教学内容对机械类学科的学生非常适用，也能为后续机械设计类专业课程的学习打下扎实的力学基础。然而，对于土木、采矿、地质等学科的学生而言，学生在后续的专业课程学习以及今后的科学研究和工程实践中接触到的材料主要是煤、混凝土和岩石类材料，该类型材料的应力-应变曲线及变形特征同低碳钢材料的应力-应变曲线及变形特征存在巨大的差异性，尤其是煤、混凝土和岩石类材料抗压不抗拉的特性使得这种差异性更为突出；同时针对以上学科的材料力学教材中通常将压应力设为正值，这同低碳钢拉伸试验中规定的正应力方向刚好相反。因此，将低碳钢拉伸试验作为土木、采矿、地质等学科专业的力学实验教学内容，非常容易误导学生对岩石类材料变形特性的认识，并直接影响到学生对后续相关专业课内容的准确学习。力学实验教学示范中心在力学实验课程的教学内容体系优化设计过程中，针对土建、岩土工程、安全和采矿学科培养岩土及能源相关领域的人才需求，将应力-应变关系测试实验内容中的低碳钢试件替换为煤和岩石试件，分别设计了岩石材料的拉伸和压缩实验内容。力学实验教学示范中心在充分研究了力学专业、机械类专业和岩土类专业对该类实验教学内容的差异化需求后，同相关学科的专业课教师进行了座谈与论证，依据不同学科课程体系对力学实验教学内容的差异化需求对该类实验内容进行了优化设计，并建设了相应的力学实验课程教材。优化后的实验教学内容满足了新工科不同专业对力学实验教学内容的需求，更满足了不同学科学生对实验教学内容的差异化需求，实现了力学实验教学内容同相关工科课程体系的紧密融合。

二、依据学生层次化需求优化实验教学内容

传统的力学实验内容在教学过程中都是以教师为主导的课堂教学模式，力学实验教学内容是面向全体学生设计的且实验方法单一，学生在教学过程中处于被动的学习状态，在新工科建设过程中不能满足部分学生希望自主开发和设计创新型实验内容的高层次实践需求。力学实验教学示范中心为了解决部分学生对实验力学教学内容的層次化需求问题，在力学实验课程教学内容的优化过程中，增加了关于力学实验方法的教学内容，如：声发射技术、数字图像相关技术和电荷检测技术等，将相关工科产业中最新的实验技术引入了力学实验课程的教学，为不同学科的学生实现对力学实验内容的层次化需求提供了支持。国家级力学实验教学示范中心在力学实验教学过程中不再为学生指定一致的设备、材料和方法，而是鼓励和引导学生根据不同的层次化需求和实验方法，开发和设计新型实验，完成力学实验课程中的教学内容与教学目标。现以岩石材料的压缩实验为例，学生提出了采用电测方法和声发射技术协同观测的实验方法，学生在实验过程中观测到了岩石发生塑性变形阶段声发射事件密集出现的现象，并结合电测方法得到的应力应变曲线，对岩石的宏观塑性变形和微观损伤的相关性进行了力学分析。这种注重讲授力学实验方法，鼓励学生自主开发和设计的创新型实验的教学内容，把学生从被动的学习状态引导到了主动学习状态，使学生从学的角色转换到了学与用并举的角色，满足了学生对力学实验教学内容的层次化需求。学生在完成创新型实验内容的基础上，结合相应的力学实验方法和实际问题，在全国大学生结构设计竞赛、全国大学生力学实验竞赛和全国周培源大学生力学竞赛中取得了优异的成绩。

三、依据数值和虚拟实验教学方法优化力学实验教学内容

在新工科建设过程中，计算机和人工智能技术已经融合到了工科专业的教学与实践环节。力学数值实验是计算力学理论与计算机技术相结合的产物。国家级力学实验教学示范中心基于唐春安教授开发的RFPA（Realistic Failure Process Analysis）数值实验软件开发了多类型的力学实验教学内容，模拟再现了一些工程背景复杂、危险性高、不能重复的环境和灾害力学问题，如：岩土工程、安全和采矿学科中的地震、瓦斯突出和滑坡等力学实验项目，并建立了力学数值实验室。

力学虚拟实验，即借助于多媒体和虚拟现实技术在计算机上构造出力学虚拟实验内容，使学生在实验前得到可视化实验操作指导，部分替代甚至全部替代实体实验的相关软件和网络平台。随着虚拟现实和多媒体技术的快速发展，虚拟仿真技术广泛应用于力学虚拟实验，并发挥着实体实验所不能替代的作用，它的经济性和自由操作的独立性弥补了传统力学实验教学的不足之处。力学虚拟实验教学内容可使学生在实验前通过个人电脑进行多次相关的虚拟力学实验操作练习，掌握相关力学实验原理、操作过程和方法确保在实际实验中更正确、准确地完成实验。国家级力学实验教学示范中心研发了力学虚拟实验教学系统，虚拟实验教学系统中开发了同《理论力学》、《材料力学》、《流体力学》、《结构力学》和《岩体力学》相关的虚拟力学实验教学内容共包括41个具体的实验项目，其中包括一些同工程实际问题复杂相关的高危险性、高费用和大尺度力学实验教学内容，并通过教材建设编写了《力学虚拟实验仿真实验开发方法》。

力学数值实验和虚拟实验教学内容在新工科建设过程中，弥补了传统力学实验教学方法在时间、空间和实验设备等方面对实验教学的限制，有效地实现了以上实体实验所不能完成的实验内容，使学生在实验前进行可视化实验操作。学生在实验后仍可再进行相关的虚拟实验找到失败原因，提高实验技能，培养学生学习兴趣与创造力，释放实验教学的空间，使实验教学在实验室的建设、管理、教学质量和良好的开放性方面都得到了补充和完善。国家级力学实验教学示范中心在力学实验教学内容的优化设计过程中，结合新工科建设需求，将力学数值和力学虚拟实验教学内容融入到了传统的力学实验教学内容体系。例如：在力学实体实验教学内容开展前，首先开展相同内容的虚拟实验，学生用最短的时间了解了将要开展的力学实体实验教学内容；实体实验完成后，要求学生结合力学数值分析软件，通过力学数值实验重现实体实验教学内容，补充部分实体力学实验所不能实现的边界或初始条件，解决实体实验中存在的尺寸效应问题或边界效应问题。通过对力学数值和力学虚拟实验和力学实体实验教学内容的优化设计及教学实践，巩固了学生的力学理论知识和实验知识，锻炼了学生通过力学实验解决实际问题的能力。

四、依据应用创新型人才培养需求优化实验教学内容

我校是一所理工科专业为主的地矿类高校，传统工科专业在当前高速发展的科技革命和产业变革前，遇到了前所未有的挑战与机遇。我校为适应培养新兴工程科技人才的需求，提出了应用创新型人才培养目标，力学实验课程在培养工科专业应用创新型人才过程中具有不可替代的作用。国家级力学实验教学示范中心在优化力学实验课程教学内容体系的改革与实践中，删减了很多验证型和具有一定重复性的实验内容，设置了更多的综合型和设计型力学实验教学内容。这类综合型和设计型力学实验教学内容，强化了对力学理论和实验知识的传授，强化了力学实验教学内容同专业课教学内容的联系，强化了对应用力学实验方法解决实际问题的应用创新能力的培养。国家级力学实验教学示范中心通过对这类教学内容的教学实践，实现了教师从知识传授型向能力引导型的转变，实现了力学实验课程从课堂教学型向创新实践型的转变，实验现了学生从被动学习到主动实践的转变。学生在这类综合型和创新型力学实验教学内容的开展过程中，深入地掌握了相關力学实验设备和方法，设计力学实验的流程和力学的基本原理，学生应用力学实验方法和力学理论的能力得到了综合性的训练，培养了学生在科学研究和工程实践中的应用创新能力。国家级力学实验教学示范中心开展的力学实验课程教学内容体优化工作，在我校大学生创新创业的实践中发挥了重要作用，学生成功申报了国家级、省级大学生创新创业训练计划项目，相应产出了一批发明专利的实用专利，其中一些实现了科技成果的转化，学校也因此被教育部、财政部确定为全国首批大学生创新创业训练计划项目实施高校。

五、结语

国家级力学实验教学示范中心通过对力学实验教学内容的优化设计与教学实践，满足了学校在新工科建设过程中不同工科专业对力学实验教学内容的差异化需求，满足了学生对实验教学内容的层次化需求，满足了应用创新型人才培养目标对力学实验教学内容改革的需求；结合力学虚拟实验和数值实验方法优化并创建了一套适用于新工科建设的力学实验教学内容体系。力学实验教学内容体系优化设计的成果，为切实提高我校新工科建设水平提供了改革与教学实践的新思路，同时该成果基于我校国家级力学实验教学示范中心平台向国内的部分高校进行了成功的推广与辐射。

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