“结构设计与测试实践”的混合式教学模式应用探索——以服役结构无损检测为例

李 勇 罗亚军 许 丁

（西安交通大学航天航空学院 陕西·西安 710049）

“结构设计与测试实践”是我校工程力学专业本科大三、大四学生必修的集中实践课程之一。该课程结合工程力学学科特点，通过系列实验和实践，使学生有效掌握无损检测系统设计和优化及工程实际服役结构缺陷的检测和评估方法，了解动力学响应测试实验的基本原理，熟悉相关的实验系统的操作方法以及实验数据的简单分析方法和相关参数的识别分析，同时培养学生将流体力学理论知识应用到分析实际建筑结构风载荷、风噪声等的能力。与偏重理论授课的专业课程不同，“结构设计与测试实践”是一门“实验教学为主、理论教学为辅”的实践课程，有显著实践性，可为培养掌握工程结构分析、设计、测试和科学研究等方面专业知识与技能，能在工程结构分析、设计技术应用等领域工作，具有国际视野和竞争力的复合型高级专门人才提供有力支撑。

传统实验教学诸如“实验教学是理论教学的辅助”的思想，大大弱化实验教学的重要性，不利于在“大工科”背景下对工程力学专业学生的实践能力培养。传统实验教学模式较为单一、教条，教学目标薄弱、过于形式化，教学效果仅能在学生对实验仪器操作以及实验步骤感性认识方面得到反映，对学生实践动手能力培养严重匮乏。基于传统实验教学模式的“结构设计与测试实践”实验教学势必造成所培养学生无法有效满足当今社会对工程力学专业人才的要求。因此，本文将在分析传统实验教学在“结构设计与测试实践”实验教学中所存在问题的基础上，结合混合式教学模式，探索该课程的实验教学新模式，可为高等院校实践课程教学提供一定借鉴。

1 传统实验教学模式存在的问题

“结构设计与测试实践”的实验教学初期采用传统实验教学模式。在具体实施过程中，教师首先对测试对象、实验仪器进行一般性介绍，继而演示具体实验步骤，学生在观摩演示实验后按课程实验手册所述步骤采用已制备好的实验工具/探头等进行实验，在获取实验结果/数据后，采用实验手册中的分析方法，分析数据并对照手册中典型分析结果，完成实验报告主要内容涉及的结果分析和讨论。通过后期对学生实验报告和期末理论测验情况的综合研判发现，在这种教学模式下，学生倾向于对所观摩的演示实验进行单纯的“重复”，缺乏对实验方法物理原理、实验数据处理相关理论及方法等方面的深层思考。同时，由于实验工具/探头已先期制备好，无需学生进行结构设计、优化及制作，教学过于突出“测试实践”而弱化了“结构设计”，因此尚未有效达成培养学生实践动手能力的教学预期效果。

图1 “服役金属构件的涡流检测”实验教学线上资源“涡流检测理论讲解及实验演示视频”

图2 涡流探头设计软件及结果、学生制备的涡流检测探头

初期基于传统实验教学模式的“结构设计与测试实践”实验教学无法圆满完成设定的实验教学目标。同时，“教师与学生面对面授课”的课堂式教学模式过于单一，易造成学生丧失必要的学习兴趣及应有的重视而仅“为取得实践课程学分而进行实验”，未能有效掌握本课程涉及的结构优化设计方法、测试手段、数据分析算法等核心知识点。初期的课程实验教学环节及教学效果未能有效支撑相关理论教学内容。

2 “结构设计与测试实践”混合式实验教学的探索

鉴于前期发现的问题，为有效提升“结构设计与测试实践”实验教学效果，本文以服役结构无损检测实验项目“服役金属构件的涡流检测”为例，结合混合教学模式，开展了新实验教学方法的探索。

混合式教学是在线教学和传统课堂教学相结合的先进教学模式，线上教学资源的建立和完善是达成混合式教学目的的前提。针对“服役金属构件的涡流检测”实验项目，本课程教师着力面向学生建设了相关线上资源，包括涡流探头设计软件（TEDDY）使用讲解和应用实例、涡流检测理论讲解及实验演示视频、测验题及解答等模块，学生可在实验前后对实验相关理论和方法进行预习和复习，在制作涡流检测探头前利用探头设计软件对其进行结构设计及优化，了解实验步骤及理论要点。学生亦可在实验完成后利用线上资源，结合实测信号，深入分析金属构件裂纹等典型损伤对检测探头阻抗信号的影响规律，夯实服役金属构件涡流检测的核心知识要点。值得一提的是，“涡流检测理论讲解及实验演示视频”是“服役金属构件的涡流检测”实验项目线上资源的核心，在制作过程中，综合考虑了工程力学专业学生的知识结构和水平，在参考理论教学用PPT 及知识要点基础上，对在线授课脚本进行了重新编制，删除了无损检测介绍等一般性知识内容，聚焦于金属构件的涡流检测，将其作为在线授课脚本的核心内容，突出在线授课所涉及的知识点及动画演示等。对在线授课的文本和动画、音频、视频三部分素材进行了编辑/录制，参照授课脚本，录制授课音频和视频。为加强授课内容呈现效果，采用Windows VideoEditor 对所采集音频和视频进行高效融合，配合授课文本和动画演示，利用Camtasia Studio 的组合和美化编辑，最终完成并导出授课素材，如图1 所示。本课程线上教学资源的建立，有效提升了学生自主学习积极性，打破了传统实验教学易造成的“被动学习”问题，可实现对学生协作能力和实践能力的同时高效培养。

在线下教学环节中，配合线上教学，结合工程实际中检测问题，设定了三个实验子任务：（1）涡流检测探头的设计及制备；（2）服役金属构件裂纹的涡流检测；（3）服役金属构件厚度减薄损伤的涡流检测。在线下教学前将上述子任务通过线上平台发布给各实验小组。在获得任务后，小组成员利用理论教学环节掌握的专业知识、涡流检测相关国家/国际标准、探头设计软件等，以“自主学习-讨论-完善-确定”的模式最终完成各任务的解决途径和详细方案。在线下实验中，学生首先参考通过探头设计软件确定的涡流探头最优结构和参数，制备实验用涡流检测探头（如图2 所示），配合LCR 表，对预制试块的裂纹和厚度减薄损伤进行涡流探伤，获取对应阻抗信号，结合已知的损伤参数，建立阻抗信号与试块损伤参数的映射关系曲线（如图3 所示），基于所获映射关系曲线分析得到阻抗信号特征对金属构件损伤参数的响应规律。这种“自发学习、集中讨论、实际制备和操作、综合分析及讨论”的“线上”和“线下”相结合的混合式教学模式有效培养了学生在工程结构分析、优化设计、检测/测试等方面专业知识与技能。

图3 实验获取检测信号及其与样件损伤参数间的映射关系曲线

3 结语

鉴于传统实验教学模式在我校工程力学专业集中实践课程“结构设计与测试实践”实验教学环节中存在的问题，本文以服役结构无损检测实验项目为例，将混合式教学模式引入实验教学环节中，对这种新模式进行了探索。教学成效表明这种实验教学新模式可有效激发学生的自发学习，有效培养学生实践、团队协作以及解决实际工程问题的能力，对“大工科”背景下工程力学专业学生的转型培养起到了支撑作用。