基于开放性实验的应用型大学力学课程改革研究<br/>——以河南城建学院工程力学课程为例

基于开放性实验的应用型大学力学课程改革研究
——以河南城建学院工程力学课程为例

2022-04-13郑超张硕郭平功郭璐璐白哲罗从双

创新创业理论研究与实践 2022年4期

郑超，张硕，郭平功，郭璐璐，白哲，罗从双

（1.河南城建学院土木与交通工程学院，河南平顶山 467000； 2.河南城建学院外国语学院，河南平顶山 467000）

《国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》明确提出推动具备条件的普通本科高校向应用型转变。随后，国家发展改革委、教育部在“十三五”期间实施应用型本科产教融合工程，该工程明确提出高校应加强实习实验实训环境、平台和基地建设，培养能够将理论联系实际并将科学知识转化为生产力的直接为产业发展服务的应用型人才，最终推动技术技能人才培养和应用技术创新。这为普通本科院校应对我国高等教育面临的“就业难”“同质化”和“与经济社会发展脱节”等挑战提供了有效途径。而力学作为一门最为古老的经典学科，是社会发展和进步不可或缺的知识基础[1]，是认识自然的一个极其重要的手段，甚至可以说，任何一个重要的宏观自然现象的解释与定量预报，都离不开力学。因此，钱学森提出力学是工程科学的基础[2]。

由于力学的重要性，几乎在所有工科专业中，力学课程都是专业基础课程[3]，其对于学生了解工程实际问题，培养学生的工程思维意识，掌握解决工程问题的基本方法以及培养工程创新意识具有关键作用[4]。因此，工科专业实施“实践教学一条线，实践能力培养不断线”的首要环节是力学课程。

实验教学和理论教学是高校教学工作的两条主线，理论课程的教学改革趋于成熟，实验教学改革由于各种限制条件的存在，改革进程较为缓慢，实验教学改革才是提高力学课程质量的有效途径。然而，在过往的教学中实验教学一直从属于理论教学，没有得到充分的重视和发展，传统的实验教学模式已严重阻碍了学生主动思维和综合解决实际问题能力的培养，已经不能适应现代社会对大学生的要求。基于此，本文提出以开放式实验为手段，开展力学课程教学改革研究。让学生在宽松的实验环境中，通过自主选实验、做实验、探讨实验、独立完成实验报告等实验教学过程，既进一步巩固和理解了基本理论知识，又可以打破传统实验教学的课堂概念，激发学生学习兴趣，促进学生掌握基本知识、基本技能，培养学生良好的思维品质、创新意识和创新能力，从而提高力学课程教学质量。

1 力学课程存在的问题分析

目前，国内高校力学课程教学存在诸多问题[5]。第一，学生对力学课程重视程度不够，认为自己所学专业根本用不到力学知识，力学课程学不好不会影响后续专业知识的学习，更不会影响就业。第二，力学课程本身内容复杂抽象难以理解，并且很多知识在高中阶段已经学习，学生认为力学课程是中学物理课程的延续，无新鲜内容，从而放松了对课程的学习，导致力学课程挂科较多，无法很好地掌握相关力学知识。第三，教学方式和教学方法落后。目前，大多数高校力学课程的教授依然采用传统的教学方式，教学内容没有及时更新，缺乏新意，学生处于被动学习状态，师生间互动较少，并且作业多，学生学业负担重，不能有效地调动学生学习积极性，授课效果较差。第四，教学学时减少与教学内容多相矛盾，学生掌握难度大。近年来，随着高等院校教学计划的调整，力学课程有效的教学学时减少，但教学内容基本不变，导致课程教授速度进一步加快，这就要求学生在学习新知识的同时需要及时复习前面的知识点，否则，很难跟上上课的节奏，如果一次缺席，将导致后面知识的学习更加困难，久而久之，就更难掌握这门课程。第五，个别学生基础差，有抵触心理。很多学生的物理和数学基础较差，在学习力学课程时需结合相关物理和数学知识，因此，学生学习力学课程难度较大，考试通过率低，无形中给学生造成一定的心理压力，学生存在抵触心理。第六，考核方式单一，考试是教学的一个重要环节，目前课程采用单一的闭卷考试方式，考试内容局限于教材中的基础理论知识，不能灵活地将课程知识点和工程实际结合起来，这种方式严重脱离了培养解决复杂工程问题能力的目标。以上在力学课程教学方面存在的诸多弊端，最终削弱和影响力学课程在培养学生素质和能力过程中的作用。因此，如何进行力学课程改革，在有效的教学学时内，培养学生基本的力学能力，进而提高学生创新能力，为后续学生进入社会完成相应的工程应用打下良好的基础，是高校领导和任课教师孜孜以求的目标。

在力学课程教学改革方面，国内外高校做了很多积极的探索。美国、澳大利亚、德国、英国、新加坡等国家的高校逐步提高力学课程学分占毕业总学分的比例，平均达到了11.8%。在课程设置上也进行了改革，逐步将力学课程整合，进行“大力学”课程教学。在教学内容方面也做了相应了改革，增加实践课程和问题讨论课程的学时，在针对专业有选择性教授力学课程的同时适当减少理论授课学时。例如，卡尔顿大学土木工程系一年级学生的力学课程理论讲授39 学时，实验课、问题讨论课39 学时，在提高教师主观能动性的同时也提高了教学效果。在国内，东莞理工学院马宏伟建立力学课程体系的组织结构，建议拓展通识力学课程教学，以调整教学内容的方式进行力学课程改革。西北工业大学在课程重组的基础上，引入多种教学方式，将投影、录像及仿真教学等现代教育技术应用到力学课程教学中，以提高教学质量，获得了良好的效果[6]。河南城建学院等高校将网络课程教育和学习通平台应用到教学中，多管齐下，在增加学生接受知识量的同时提高教学质量。然而，经过近些年力学课程教学改革，力学课程质量虽有所改观，但问题依然存在。

2 河南城建学院力学课程开放性实验设置

2.1 传统工程力学实验的课程开放

工程力学课程课内实验主要包括：金属材料拉伸压缩实验、等增量法测定材料弹性模量、低碳钢、铸铁的材料扭转实验、纯弯曲电测、弯扭组合主应力和内力素测定等，这些传统的力学实验以工程力学中的拉压、剪、扭、弯等四种变形为主线，通过实验学生可以更好地了解力学原理及提高动手能力，但在当前教学改革的背景下，力学课程学时不断压缩，学生仅仅通过课堂实验进行实践教学内容的学习，达不到预期的效果。为此，我校将学校实验室设置为完全开放实验室，设置了网上预约平台，预约入口见图1。学生可在课余时间申请预约进行自主实验，但前提是需要在实验室管理教师的设备培训和安全培训通过后进行。学生增加实践课程学习的次数，对于力学课程教学质量的提高起到了极大的促进作用。

图1 学生网上实验预约平台入口

2.2 虚拟实验平台的开放

传统的实验课由于仪器设备、学习时间、场地等方面的限制，即便完全对学生预约开放也无法满足所有学生随时进行实验的需求，这导致的结果是在短时间内学生根本无法很好掌握实验设备的使用和原理，从而对于通过实验提高力学教学效果作用有限。通过建立虚拟实验平台（如图2 所示），将传统的实验课同虚拟实验平台结合起来，教师将所有相关实验信息，包括实验指导书、教学视频、实验室虚拟操作flash 等放在平台上面。学生可随时随地通过互联网接入来访问该平台，进行有效的自主学习。一方面增加了学生实验课程的丰富程度；另一方面通过自主实验可以锻炼学生独立思考的能力，为进一步弄懂力学原理提供帮助。最后，教师可通过平台记录的学生实验信息有针对性地调整授课计划，为进一步提高授课质量提供帮助。

图2 网上虚拟实验平台

2.3 学生创新性自主实验

传统的实验过程较为简单，学生很快就能完成整个实验过程，重复性地进行一种实验的操作也不利于学生动手能力、创新能力的培养，最主要也不利于学生对力学知识的理解和运用。通过学生自主设计一些创新性实验，将所学的力学知识运用到实验中去，通过自主设计实验方案、自主完成实验操作及数据分析，提高了学生创新能力和动手能力，同时也激发了学生的学习兴趣，促进了教学质量的进一步提高。