“双一流”背景下工科基础力学实验教学改革与探讨

侯建华 王 志

（[1]郑州大学力学与安全工程学院 河南·郑州 450001；[2]郑州大学实验室管理中心 河南·郑州 450001）

0 前言

基础力学的学习效果对学生后面的专业课学习影响深远，因此工科各专业如力学类、土木工程类、机械类、水利类等都非常重视基础力学的教学效果。基础力学课程具有理论性强、概念多而且抽象等特点，导致许多学生兴趣较低，为了能更加形象地表达力学概念、培养学生的科学习惯，力学实验教学应运而生，从实验中观察现象，发现问题，总结规律，进而指导理论的学习，逐步培养学生观察、分析和解决问题的能力，养成独立思考、科学严谨的作风。

1 基础力学实验课程的特点与现状

基础力学实验是“理论力学”、“材料力学”、“工程力学”的主要实验实践内容，是工科专业基础课的重要组成部分，也是学生进一步学习涉及力学知识相关课程的前提和基础。近年来，教育理念不断创新，经济、社会、就业等各方面都对教育教学提出了更高要求，基础力学实验教学作为高等学校教学活动的重要组成部分，在培养学生实践能力、分析和解决实际问题能力及严谨的科学态度方面，具有其他教学环节无法替代的作用。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，较少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，忽视了基础实验力学在不同工科专业的学生后续学习中的真实需求、工程需要和综合运用能力。

基础力学实验是工科专业学生进入大学后最早接触的工程实践类课程，对他们掌握力学概念、材料性质、工程应用等方面起到至关重要的作用。然而，当前课程体系普遍存在重理论、轻实验，重分数、轻实践的现象。力学实验仅被视为理论教学的附属部分，未得到足够的重视与投入，这不利于新时代高层次综合性工科人才的培养。现有的力学实验内容简单，过程固化，结果已经预知，仅仅是验证性的实验，缺乏综合性与创新型的实验设计，难以激发学生探索和创新的好奇心与求知欲。从实际教学效果看，目前的基础实验设计以及实施效果已不能满足社会和科研的需要，无法满足更高层面的技能需求。基础力学实验应更加紧密的结合工程应用，不断更新学习内容，引导学生向更高层次的综合性实验和创新性实验探索，从实验中锻炼学生的自主性、研究性和创新性。传统的力学教学手段及教学内容已不能满足日益发展的时代要求，原有的力学实验教学内容、教学方法、人才培养模式已经不再适用，因此，在“双一流”背景下，开展工科基础力学实践教学改革显得十分必要。

2 基础力学实验教学现存问题分析

2.1 对实验教学不够重视，教学课时欠缺

长期以来，基础力学课程的教学仍采用传统的教学模式，关注理论知识的讲授，理论课时占总课时90%以上。以我校为例，80学时的材料力学课程课内实验安排仅有8个课时，甚至未到实验室可开实验学时的半数。实验理论相关知识未在课堂上深入讲解，造成实验课时内需再次讲解实验所涉及理论知识，由此更加压缩学生可进行实验的有效时间。现有课内学时对于基础性实验尚不能得到保障，对于开放性实验及综合性实验更无足够学时支撑，因此学生所受实验启迪非常有限。

2.2 高校学生扩容，实践环节的硬件资源紧张

随着高校扩招，相应的实验条件并无太大改善，甚至设在备使用过程中随着年限增加，丧失服务功能的机器越来越多，整体而言生均实验可用硬件设备占比越来越低，因此，实践环节学生能够使用的实验资源是逐渐减少的。目前实验教学实施形式是学生分小组进行材料拉伸、压缩、弯曲、扭转的实验过程，根据过程操作、实验现象及数据进行整理、分析，撰写实验报告。由于实验设备场地、台套数和授课时间的限制，不能保证每个同学都能够亲手实践完成实验全过程，课程目标与所需硬件资源存在了不能匹配的客观现状。

2.3 实验教学内容固化，学生缺乏创新型思维引导

目前实验授课多以教师进行理论讲解和操作演示为主，教学方法单一，教学内容固定，缺乏引导学生思考以及互动的环节，这一方面由于课时限制，一方面是因为开放性实验、创新性实验开展的不足。工科知识目的都是面向工程应用，经典的验证实验虽然可以帮助理解定义原理，但面对复杂多变的工程结构，验证性实验对于解决工程问题实用性有限。长期固化的实验模式，会使学生变得懒惰，失去进一步探索的兴趣和欲望，不利于学生创新能力的培养，更无法促进学生的探索精神。

3 基础力学实验教学改革的思路与措施

3.1 调整实验内容，提高实验层次

基础力学实验项目局限于基本型实验，主要为材料力学性能测试的验证性实验。比如低碳钢和铸铁的拉伸、压缩、扭转、冲击等。此类实验过程简单，原理清晰。课内理论课程已将完整过程理论讲解过，对于学生来说理解和和操作并无太大难度。为更好培养学生的综合素质，实验项目的设置应更多的设置一些综合性和创新型实验。综合性实验和创新性实验应立足于解决实际工程问题，对于工程结构采用探索性和创造性解构，以此激发学生的学习兴趣和对未知知识的探索，同时也培养了学生独立设计实验、操作实验、分析结果的能力。

3.2 改革教学手段，提高实验技能

力学是工科基础，需要融入到各个专业学科，同样，各个专业学科的知识，也可以融入到力学课程体系。为实现基础力学教学效果的提升，可将其他学科知识体系迁移进力学实验的设计与实施。比如实验力学中采用环氧树脂进行光弹性模型的制作，研究力学应力分析的内容。可以将材料学科中环氧树脂材料的基本特性与成型过程知识进行讲授，通过材料模型的制备，进行力学知识的讲解。本校学生采用梁的环氧树脂模型进行四点弯曲光弹性实验，由光弹图像可以清晰看出梁在受力过程中的应力分布规律，可直观定性验证弯曲应力计算公式。如图1所示。此种教学手段不仅可以应用与传统基础力学实验，也可根据需要进行不同模型的应力分析。因此，改革教学手段、提高实验技能，使学生可以根据需要自由进行探索，是引导学生创新型思维的有效途径。

图1：四点弯曲梁的光弹图像

3.3 利用线上、线下精品课程学习，拓宽知识面

随着教学的改革，基础力学实验的课程学时不断减少，而教学要求不断提高。教师应充分利用网络技术的发展，通过线上、线下精品课程建设，虚拟仿真实验的开发，合理安排学生进行线上学，使学生可以充分利用课外时间进行知识的拓展。在此基础上，鼓励学生积极探索，尝试将工程问题分解，将疑惑在课堂上与教师讨论，提高对实验知识和技能的掌握。

3.4 将工程课题转化为设计实验，开设研究性创新实验

图2：环氧树脂桥梁模型的光弹性应力云图

工科主要跟工程打交道，大量的工程问题可以简化、提炼，以实验的形式展现在学生面前。让学生运用所学知识，又能够依据现有的实验设备和实验技术，独立进行创新性研究，是每年大学生创新实验都会考虑的内容。学生通过对工程问题的分析、思考，能够亲身感受解决工程问题的全过程，这种科研训练和科研素养培训，对于学生受益终生。本校土木工程专业创新实验小组对于桥梁模型进行设计，自主搭建实验系统，通过光弹性应力分析，将桥梁在集中荷载作用下的应力分布以光弹性图形显示，如图2所示，并运用所学理论知识和数值模拟方法互相验证，将多种方法结合进行工程问题的探索，使学生提升到更高层次的“学习”，可以从实验中看到更多的研究性和创新性。

4 结语

双一流背景下，素质教育要求教师不断研究教学内容、改进教学方法、提升教学效果、培养高质量人才。工科基础力学实验既服务于科学知识，又服务于工程实际。做好基础力学实验课程的研究型教学，有助于学生理解、消化所学理论知识，更有利于学生综合素质和能力的培养。基础力学实验课程改革是一项长期的系统工程，需要精益求精，不断适应时代发展，不断创新突破，在高等教育改革和人才综合素质培养的指导下不断进行探索和实践。