工程实验在“高等动力学”课程教学中的应用

陆泽琦 赵龙

[摘 要] 数理基础功底是很多力学专业的重要培养环节，但是大量抽象的数理公式使得培养教学步履维艰。针对这一问题，以“高等动力学”课程为例，提出以工程实验为主的教学模式，加强对数理公式和原理的认识，并对比工业现场实验、实验室实验和课堂演示实验案例。实践表明，实验能够对抽象数理知识有更为形象的具体认识。学生通过实验这一桥梁直观认识到数理知识的工程实践和应用价值，激发兴趣，同时增强学生的动手能力和理论联系实践的能力，最终提出多种实验方式相结合的“高等动力学”实验模式，可为当前高校“高等动力学”和相关课程实验提供借鉴。

[关键词] 实验教学;高等动力学;工程实验;

[基金项目] 2019—2022年国家自然科学基金面上项目“隔振和能量采集一体化非线性设计及动力学研究”（11872037）

[作者简介] 陆泽琦（1985—），男，浙江杭州人，工学博士，上海大学力学与工程科学学院副教授（通信作者），主要从事振动与声非线性控制研究。

[中图分类号] TH212;TH213.3    [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）32-0148-04   [收稿日期] 2021-01-08

高校教学是为国家科学技术发展提供高素质人才的主要途径，通过将理论教学和实验教学相结合的模式，可以让学生在实验中自主学习，深化对理论的理解，并从中积累实操经验，构建科学的思维方式和理论体系。所以，工程实验教学在理工科培养方案中的重要性日益凸显，并已成为教学体系的重要组成部分[1-3]。但是，像“高等动力学”这种数理要求较高的课程实验教学还没涉及，且结合难度较大。相比力学专业的理论力学、材料力学、振动力学、流体力学等，都已形成了相对成熟的实验教学模式。虽然很多高校配套有动力学实验室，也有航天、船舶和轨道交通等工业现场动力学实验需求，但是开设“高等动力学”实验的高校却很少，更没有用于教学的实验设备和场地。目前，高等动力学[4，5]的研究发展已经进入一个新的阶段，具体表现在几个方面：（1）研究问题从建模和分析扩展到优化和控制;（2）研究手段从理论分析数值仿真扩展到实验室实验;（3）研究驱动从面向学科基本科学问题拓展到兼顾国家战略需求。在这个阶段，实验条件已经成为不可或缺的研究支撑。缺失实验条件对培养高质量的研究生、大学生科技创新等本科生课外研究变得愈加困难。

本文分析了“高等动力学”实验难以开展的原因，讨论了工业现场实验、实验室实验和课堂实验的优势与不足，阐述了几种实验实施应用案例，提出了将多种实验教学模式相结合的“高等动力学”教学模式[6-8]，用于更好地培养高素质、高质量的本科生。该研究可为力学本科与研究生教学及实验开展提供借鉴，亦可为推广到理工科课程的实验教学提供思路。

一、典型实验模式对比分析

（一）工业现场实验

工业现场实验是将课堂理论知识联系实际生产工程的最佳教学形式之一，具有直观性、参与性、互动性、多元性等特点。工业现场实验是直接在工业现场进行的，其课程内容与学生在工业现场直接看到的设备和实验方法紧密地结合起来，从而打破课堂教学中动力学方面实验的一些局限，丰富学生的认知结构。因此，这种实验模式不仅有助于提升学生对数理知识学习的主动性和积极性，而且更加深化学生对所学数理知识的理解等。

工业现场实验具有许多优点，但也具有较多不足。首先是对于学生的安全问题，工业现场与学校内的实验室有着很大的不同，安全隐患众多。对于很少涉足工业现场的学生来说，到处都存在不安全的因素。因此，在工业现场进行实验时，首先，做好安全教育工作，以确保学生的人身安全。其次，进入工业现场对学生进行实验教学时，工业现场的选择将会直接关系到实验教学的效果，应根据课程中的理论教学内容为依据，选择与之吻合的工业场地进行实验教学。

（二）实验室实验

实验室实验通常指在实验室内，借助各种实验仪器设备，对一个确定的研究系统给予确定的输入，从而得到研究系统的输出并对其特点和规律进行研究的实验方法。在实验室实验过程中，具有培养学生学习的积极性、锻炼学生实际动手能力和提高其科研素质与实验结果处理和分析能力等优点。同时，相比工业现场的实验模式，实验室实验模式在学生进行实验的过程中更具有安全性，容易让学生进行与课程中理论知识相吻合的实验，节省寻找特定工业实验现场的时间。

对于数理要求较高的课程，在实验室中进行的实验具有实验内容操作难度大小的问题，学生只能做一些操作难度较小、实验结果较为粗糙的实验，像一些高等动力学中具有一定难度的动力学实验，则很难让每位学生正确操作，获得较为精确的结果。同时，对于需要工业现场中一些大型机械设备才可以完成的实验，在高校中无法完全发挥其经济价值，购买金额昂贵且占地空間大，实验室往往不会引进此类型的机械设备。所以，实验室实验教学模式将难以满足实验教学过程中对这类实验教学的需求，这对培养高质量的研究生、本科生有着阻碍的作用。

（三）课堂演示实验

课堂演示实验是通过多媒体PPT动画或授课教师操作演示和学生观摩的形式开展，以便于学生理解。这种方式归属观察性实验模式。它的优势表现在多个方面：（1）结构形式多样，可以用动画演示任何结构的受力和运动情况;（2）灵活性好，动画演示实验时间易于控制，与课堂授课内容实时结合效果较好;（3）便于实施，无经费、场地等客观条件限制。基于上述优势，这种实验方式在很多力学课堂中都受到关注和应用。

对于实验的特点，课堂演示实验存在明显的不足之处。例如，在实际的动手操作过程中，实验参数的变化对结果产生的影响等，由于学生只是进行观摩，并不能实际操作、进行独立的实验研究。除此之外，对于一些复杂性较高的动力学实验，课堂上难以满足实验条件，只能通过PPT动画对学生进行演示，并不能综合性、全方位地使学生理解实验原理，所以在一定程度上限制了学生研究能力和综合科研素质的提升。