新工科背景下力学实验教学体系构建与实践

董继蕾 崔怀海 卢小雨

（安徽理工大学力学与光电物理学院，安徽 淮南 232001）

一、研究背景

2016 年我国正式成为《华盛顿协议》的新成员，《华盛顿协议》的主要内涵表现在三个方面：“以生为本”“成果导向”和“持续改进”。

随着我国加入《华盛顿协议》，这向我国工程教育界发出了一个信号—我国工程教育质量已达到了国际认证的“底线”。于此同时，我国的高等教育事业已进入教育大国行列，但大而不强。《华盛顿协议》的三个内涵，既是我国高等工程教育与国际接轨的路径方向，也是提升我国高等工程教育质量的原动力。

《华盛顿协议》把培养学生的就业能力放在首要位置，强调“以学生为主体”“以学生发展为本位”，通过抓住这一核心要素，高等教育将目光聚焦在毕业生的基本素质上，要求加强毕业生的就业能力，即：①多学科知识应用能力；②复杂工程问题分析能力；③复杂工程系统设计与开发能力；④文献研究与实验分析能力；⑤现代工具使用能力；⑥工程师的社会责任意识；⑦环境与可持续发展意识；⑧沟通交流能力。培养以上“就业能力”都需要在工科人才培养方案之中体现出来。

二、高校力学实验教学现状

高校力学实验教学是力学、土木、机械、安全、地质、车辆、材料和环境等工科专业实践教学中的重要组成。目前，许多院校的力学实验课程内容多年来变化不大，一般开设的内容包括：低碳钢和铸铁的轴向拉伸、压缩和扭转实验；桥路接法；测弹性模量和剪切弹性模量实验；矩形截面梁的纯弯曲实验；弯扭组合实验；压杆稳定性等实验。这些常规性力学实验已完全不能满足高等教育培养新工科建设人才的要求。在高等教育中，工科不同专业的学生对力学实验教学内容存在差异化和层次化需求。不同的专业，应根据其专业特性、学科发展及学生就业能力的要求，对力学实验课程的侧重点应区别对待。

我校力学实验课程经过力学实验教学工作者多年的不懈努力、不断摸索和实践，结合我校授课对象的专业培养方案和目标，已基本形成了符合我校力学课程的教学体系。已初步形成了常规性实验和力学综合实验的教学模式。常规性实验包括低碳钢和铸铁的轴向拉伸、压缩和扭转实验；桥路接法；测弹性模量和剪切弹性模量实验；矩形截面梁的纯弯曲实验；弯扭组合实验和压杆稳定性等实验。创新性综合力学实验包括复合梁的弯曲实验、偏心杆件拉压实验、矩形截面的圆框和方框的拉压实验、异形截面方框的拉压实验等内容。其中，常规性实验又可分为测定性实验和验证性实验，主要起到巩固学生力学理论知识、启发学生独立思考的作用；力学综合实验旨在培养学生解决实际问题能力、提炼科学问题和科技创新的能力。然而，常规性实验往往是在相关力学理论课程讲授学习之后进行，虽可起到验证、巩固及加深理论知识的理解作用，但与设计实验的初衷不符，更不符合认识论的规律，且受学时所限，并不是所有实验均向所有专业开设。

三、力学实验教学内容优化设计

“新工科”强调教育产出和学习成果，主要包括学生的主体学习能力、实践动手能力、合作沟通能力和解决问题的能力等。因此，可根据专业特性提供可选择的常规力学实验模块和创新性综合力学实验模块，严格“以学生为主体”“以学生发展为本位”，对实验教学的内容进行优化设计；根据“就业能力”的要求，需开展创新性综合力学实验，包括力学数值实验、虚拟力学实验等教学内容。建立新的力学实验教学体系，将目光聚焦在学生的基本素质上，以培养学生的力学思维和创新能力为目标，通过梳理课程的组织构架，提炼力学思维特点，以力学思维培养为导向构建“新工科”通识的力学实验课程体系，推动力学实验教学工作的“持续改进”，根据“成果导向”的原则，以提高学生就业能力的培养为目标，积极构建“新工科”力学实验课程的教法和学法。模块的核心是素质与能力，即在力学实验的教与学中提高师生认识问题、分析问题、解决问题的素质与能力。

将力学实验教学的内容分成“常规性力学实验”和“创新性力学综合实验”两个模块，再通过模块→单元→专题的设置与构建，结合各专业的培养对象和培养目标，有侧重地选择力学实验的内容，具有很强的针对性和可行性。

1.“常规性力学实验”模块

“常规性力学实验”可归类为认知性实验和测定性实验，其实验目的在于观察构件在外力作用下对应的力学响应，由变形情况引导学生去发现构件的变形规律，在此基础上充分发挥学生的主体地位，引导学生发现问题，由表及里地认识平面假设、横截面上的应力类型(正应力和切应力)及中性层等关键，为力学理论的建立形成一个顺其自然的良好基础。这一教学实践模式重在学生的亲力亲为，且要求学生要善思，自我去发现问题，区别于老师的告知模式，让学生自己作总结、归纳和演绎，从而获得规律性认识。并且这些实验都要先于相应的力学理论授课前去做，故与传统教学告知后再验证的做法大相径庭，其优点不言而喻，在一定程度上为培养创新性人才的教育之路打下坚实基础。

2.“创新性力学综合实验”模块

“创新性力学综合实验”模块是“常规性力学实验”模块的继续深化。在完成“常规性力学实验”和相关力学课程的基础上，根据专业特性和培养目标，将目光聚焦在学生的基本素质上，面向全校工科设置力学创新实验选修课，以培养学生的力学思维和创新能力为目标，以力学思维培养为导向构建“创新性力学综合实验”模块。应用工程信息技术(工程大型计算软件)，积极开展力学数值实验、虚拟仿真力学实验等内容，提供包括复合梁的弯曲实验、矩形截面的圆框和方框的拉压实验、异形截面的方框拉压实验等单元选择，并通过力学试验创新教育，引导和鼓励学生设计实验方案、自主研发实验设备，设置与专业对口的开发性力学实验专题，达到持续改进和不断发展的目的。

四、构建模块化课程体系

在新工科背景下，需要改变传统教学的授课次序和授课方式来构建模块化课程体系。将力学实验内容融入理论教学环节，即遵循认知规律，按照由现象到本质的路径：实验发现问题→归纳总结→演绎提炼→理论，通过实践教学的优化设计，可提高相关力学课程的教学效果，且在一定程度上培养了学生的科学研究能力；根据“就业能力”的要求，开设面向全校工科专业的创新性力学综合实验选修课，应用工程信息技术（计算软件），积极开展力学数值实验、虚拟力学实验等实验教学内容，将专业特性和力学实验的模块化一一对应，建立“持续改进”的力学实验教学体系；将目光聚焦在学生的基本素质上，以培养学生的力学思维和创新能力为目标，通过梳理力学实验课程的组织构架，提炼力学思维特点，以力学思维培养为导向构建“新工科”通识的力学实验课程体系，以提高学生的创新能力为目标积极构建“新工科”力学实验课程的教法和学法。该体系在教学内容、教学方法和教学手段上，具有很强的针对性和可操作性，不但能大幅提高力学课程的教学水平和教学效果，还大大加强了学生对复杂工程问题的分析能力、设计与开发能力和现代工具的使用能力。

采用拟建的力学实验课程分专业、分模块的教学模式，通过改变传统教法和学法，以实用、够用为原则，减少相关力学课程的理论授课学时数，加大了实践教学，在进行构件基本变形和组合变形及压杆稳定性各章节理论教学之前，先让学生完成力学实验环节。另一方面，在常规性力学实验的基础上提供针对全校工科专业选择的创新性力学综合实验。该教学体系在教学内容上向工程模式转化；在学法上，突显学生的主体性，启发学生主动发现问题、分析问题和解决问题，向学生本位教学转化；在教法上，将实验环节和理论教学合二为一，由现象到本质（理论）的教学过程，提高了学生的认知能力和科研素养，为大面积提高教学质量与培养创新人才奠定了坚实基础。

五、总结

构建完善、健全的符合“新工科”建设要求的力学实验课程体系，我校需要从以下四个方面入手：

第一，按照拟建的力学实验课程教学体系的内在要求，编写符合我校教学的力学实验指导书。

第二，按照拟建的力学实验课程教学体系的内在要求，制作符合教法学法的多媒体课件，并建立力学实验教学内容的资源体系——MOOC 模式，作为相关力学理论课程MOOC的重要补充。

第三，应用工程信息技术(工程大型计算软件)积极开展力学数值实验、虚拟力学实验，开设面向全校工科的力学创新实验选修课，在此基础上鼓励学生积极参加省级基础力学实验竞赛和全国大学生基础力学实验竞赛。

第四，以“新工科”建设对实践教学提出的要求为契机，促进我校力学实验教学水平的提高，并以赛促教，使教师的授课水平持续改进。

综上所述，拟建的工科力学实验课程教学体系，是一种具有“由现象到本质(理论)”、严密逻辑性、针对性和可操作性很强的教学体系，其教法和学法，不但培养了学生的实践经验和操作技能，还培养和提高了学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，极有利于提高学生的创新能力和培养具有科研素养的优秀拔尖创新人才，符合我国“新工科”建设中关于实践教学的教法和学法。