面向新工科的工程力学实验教学改革与实践

邵俊华 刘翔 王蕾 张泽琳 曹建华

[摘 要] 工程力学是一门理论与实践结合性较强，与工程技术联系极为紧密的基础学科，实验教学是不可或缺的内容。然而目前的工程力学实验教学体系和内容无法满足新工科背景下培养多样化、创新型卓越工程技术人才的需要。在深入分析现有工程力学实验教学体系和内容存在问题的基础上，提出了“三三二一”的工程力学实验教学体系，并在此基础上探讨了教学内容建设方案与实施途径，最后对教学改革实践进行了总结，以期对工程力学实验教学质量水平的提高产生积极的影响。

[关键词] 新工科;工程力学;实验教学;教学改革

[基金项目] 2019年度教育部产学合作协同育人项目（201902025029）;2019年度武汉科技大学校级教学研究项目（2019Z005，2019X085）;2020年度武汉科技大学校级研究项目（2020X077，Yjg202015）

[作者简介] 邵俊华（1968—），女，河南巩义人，博士，武汉科技大学理学院高级实验师，主要从事工程力学相关理论研究与实验研究;刘 翔（1983—），男，湖北武汉人，博士，武汉科技大学工程训练中心实验师（通信作者），主要从事实验实训相关方法与理论研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）21-0081-04   [收稿日期] 2021-02-08

应对新时代科技革命，培养卓越工程技术创新型人才，是新时代高等院校本科教育改革的新要求。2017年4月8日，教育部在天津大学召开新工科建设研讨会，与会专家一致认为，培养造就一大批多样化、创新型卓越工程科技人才，为我国产业发展和国际竞争提供智力和人才支撑，既是当务之急，也是长远之策[1，2]。工程力学是一门与工程实践紧密结合的基础学科，工程力学实验在学生的动手能力和综合分析能力培养中有着非常重要的地位，是培养学生创新能力、激发学生学习兴趣的重要平台[3，4];因此，工程力学实验是落实新工科人才培养目标的重要抓手。然而，现有的工程力学实验教学体系单一、教学手段落后、教学内容陈旧，难以激发学生深入学习的兴趣[5]。因此，必须基于科技的发展，结合新工科背景，促进高等学校工程力学实验课程的改革与建设，从而提高专业基础力学实验教学水平与质量。

一、工程力学实验教学现存问题

（一）教学思想认识不足

传统的教学理念是重视理论教学、轻视实验环节，认为工程力学实验只是一门实验课，只是为工程力学理论课程服务的，并且在课程的设置上明显偏向理论教学，这种定位和思维习惯，不仅使学生养成了轻视实验课的习惯，也在一定程度上阻碍了工程力学实验课程的发展。

（二）教学内容陈旧

国内大部分高校的工程力学实验内容包括：金属材料的拉伸、扭转，矩形截面梁弯曲正应力测定，主应力主方向测定，应变片粘贴等强度梁的测试，梁的冲击载荷系数测定，等等。涉及的实验对象、实验方案等工况过于简单，基本停留在验证性实验的范畴，只是机械地完成一些规定动作，记录一些数据，套用现成的实验报告，而设计性、综合性、创新性的实验内容较少涉及，难以达到新工科背景下对卓越创新人才的训练要求。

（三）教学手段单一

在教学手段上，以教师集中讲解实验过程和注意事项、演示实验操作要点、学生分组实验操作并记录实验数据完成实验报告的教学方法为主。这样的教学手段虽然可以保证在规定的学时内完成实验教学任务，但是在整个实验过程中，学生都处于一种盲目的被动接受学习的状态，既不对实验方案进行思考，也不能对实验过程中出现的问题加以合理的解释，更不能将实验现象与实际工程问题相结合，提出解决方案。这种程序化答题式的实验必将导致学生对学习产生惰性和依赖心理，逐渐失去对学习的兴趣和动力。

（四）教学对象的积极性调动不足

“以学生为本”的理念在工程力学实验教学过程中没有得到体现。学生只要按照教师设计的实验方案与实验步骤按部就班地完成實验就能获得学分;教师成为教学活动中的权威，当实验中出现与预期不同的结果时，作为教学对象的学生不敢去质疑，缺乏学习的积极性与主动性。

二、“三三二一”工程力学实验教学体系构建

（一）改革的思路

近年来，随着新工科建设的不断深入，工程力学实验教学体系的改革也越来越受到国内高校的重视。工程力学教学体系改革的核心思想是通过新理念、新模式、新内容、新手段建立工程力学实验教学体系，从教学任务、教学过程、教学结果全方位体现新工科背景下工程力学实验课程的特征，即在教学内容设置方面夯实验证性实验项目在人才培养中的基础作用，培养学生的实践动手能力。同时，以工程力学学科竞赛、大学生课外科技创新等活动为切入点，激发学生的学习兴趣与创新潜能，培养学生的创新实践能力。以科研项目为载体设计一些探索性、实践性和创新性的实验项目，注重实验方法的掌握运用，以及对科学态度的培养。

（二）体系的建立

所谓“三三二一”工程简单说就是建立三个层次，获得三种能力，具备二个特性，具有一定难度。具体说，“三三二一”工程力学实验教学体系包括三个层次，即基础验证实验、综合设计实验和科学研究实验（如图1所示）。这三个层次的教学目标可以使学生获得三种能力，即实践动手能力、创新设计能力和解决复杂工程实际问题的能力。为了达到以上教学目的，必须在实验教学的内容设计上做到具有创新性和探索性，并且具有一定的难度。（如图1所示）

三、教学内容改革

（一）立体化工程力学基础验证型实验内容改革

在“三三二一”体系下，基础验证性实验是开展综合设计实验及科学研究实验的基础，通过该实验要让学生认识工程力学实验常用的仪器设备及其使用方法、工程力学实验的基本操作技能和调试方法、实验数据的记录与处理方法等。同时，为了让学生能顺利向综合设计实验过渡，这一层次的教学中还应包括创新思维的启发课程。