結(jié)合工程實(shí)踐的力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)探討

段軍++譚金蘭++班宇鑫

摘要：針對(duì)目前應(yīng)用技術(shù)大學(xué)轉(zhuǎn)型發(fā)展過程中，高等工科學(xué)校力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的諸多問題，文章提出了力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的幾點(diǎn)改進(jìn)意見，并結(jié)合工程實(shí)踐對(duì)力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)進(jìn)行了探討。工程實(shí)踐型力學(xué)實(shí)驗(yàn)的開設(shè)，不僅能夠提高學(xué)生對(duì)力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的興趣，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力，也是應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)下，力學(xué)課程新的教改方向。

關(guān)鍵詞：力學(xué)實(shí)驗(yàn)；工程實(shí)踐； 應(yīng)用型；課程教學(xué)

中圖分類號(hào)：G6420；TU4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：10052909（2016）03013604一、力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的重要性及存在問題

根據(jù)國(guó)家改革發(fā)展戰(zhàn)略的需要，部分高校人才培養(yǎng)目標(biāo)向培養(yǎng)應(yīng)用技術(shù)技能型人才轉(zhuǎn)型，以滿足社會(huì)和市場(chǎng)對(duì)人才的需求。對(duì)于正處于轉(zhuǎn)型與發(fā)展關(guān)鍵時(shí)期的高校來說，轉(zhuǎn)變教育思路、明確應(yīng)用型和技能型人才培養(yǎng)目標(biāo)定位、推進(jìn)培養(yǎng)方式的轉(zhuǎn)變等方面的教育教學(xué)改革勢(shì)在必行，而教學(xué)改革的重點(diǎn)之一就是課程改革。因此，課程改革是上述高校轉(zhuǎn)型發(fā)展中必須完成的基礎(chǔ)性工作。

對(duì)于土木工程這種與實(shí)際工程緊密相關(guān)的專業(yè)來說，力學(xué)課程是極其重要的專業(yè)基礎(chǔ)課[1]。力學(xué)課程的學(xué)習(xí)對(duì)后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)起著舉足輕重的作用， 也是培養(yǎng)學(xué)生研究和創(chuàng)新能力的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。力學(xué)課程的特點(diǎn)在于它所研究的問題都是與工程實(shí)際相結(jié)合的，是在生產(chǎn)生活中實(shí)實(shí)在在遇到的問題[2]。實(shí)際工程中遇到的力學(xué)問題一般可以采用經(jīng)典力學(xué)理論加以解決，而對(duì)現(xiàn)代科技發(fā)展中許多不能采用經(jīng)典力學(xué)理論解決的問題，最有效的方法就是實(shí)驗(yàn)，因此力學(xué)實(shí)驗(yàn)是力學(xué)課程教學(xué)過程中極其重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。

對(duì)于以應(yīng)用技能型工科人才培養(yǎng)為主體的院校，力學(xué)課程不僅要求學(xué)生掌握基本力學(xué)理論及其在工程中的應(yīng)用，具有比較熟練的力學(xué)計(jì)算能力、一定的分析問題和解決問題的能力，而且更重要的是掌握工程實(shí)際中力學(xué)問題的試驗(yàn)方法和手段，提高在實(shí)際工程中的動(dòng)手能力。力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為力學(xué)課程體系的重要組成部分，在增強(qiáng)學(xué)生對(duì)基本概念、基本理論的理解，培養(yǎng)學(xué)生力學(xué)素養(yǎng)、實(shí)際操作能力和創(chuàng)新能力等方面都起著重要作用，在培養(yǎng)應(yīng)用型人才方面有著不可替代的作用[3]。

然而，由于諸多方面的原因，導(dǎo)致目前處于轉(zhuǎn)型階段的大多數(shù)工科高等院校中的力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在諸多問題：（1）根據(jù)應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)的需求，力學(xué)課程的理論教學(xué)課時(shí)有所減少，但是力學(xué)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)卻沒有相應(yīng)增加，多數(shù)院校目前仍然僅開設(shè)了常規(guī)實(shí)驗(yàn)，達(dá)不到培養(yǎng)應(yīng)用型人才動(dòng)手能力的要求；（2）力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)比較單一，主要是驗(yàn)證、演示性的實(shí)驗(yàn)，且與現(xiàn)代工程技術(shù)的現(xiàn)狀和實(shí)際情況有一定的差距；（3）實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，大部分時(shí)間都由教師講解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的取得與計(jì)算，學(xué)生動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)較少，以至于部分學(xué)生認(rèn)為做實(shí)驗(yàn)只是抄抄數(shù)據(jù)、寫寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，對(duì)動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)缺少興趣，這樣不利于發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性和提高學(xué)生的實(shí)踐能力；（4）結(jié)合工程實(shí)際的設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)幾乎沒有，無法滿足培養(yǎng)應(yīng)用型人才的要求。顯然，這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀已經(jīng)不能滿足應(yīng)用型、復(fù)合型、技能型人才培養(yǎng)的需要，因此，結(jié)合工程實(shí)踐進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程改革，探索適合應(yīng)用技術(shù)技能型人才培養(yǎng)的工科院校力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新出路，具有重要的實(shí)踐意義。

二、力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

（一） 合理設(shè)定實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)數(shù)和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)是力學(xué)理論與工程實(shí)際相結(jié)合的重要紐帶[4]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容應(yīng)隨著實(shí)際工程技術(shù)的發(fā)展需求而相應(yīng)改變[5]。原有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括：低碳鋼的拉伸實(shí)驗(yàn)、低碳鋼和鑄鐵的壓縮實(shí)驗(yàn)、彈性模量E的測(cè)定（金屬材料的彈模）、純彎曲梁正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)等。每個(gè)實(shí)驗(yàn)只有2個(gè)學(xué)時(shí)，學(xué)時(shí)偏少，而且驗(yàn)證性、演示性實(shí)驗(yàn)占主導(dǎo)地位。因此，合理設(shè)定實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)數(shù)和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容是首先需要解決的關(guān)鍵問題。

在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，各種新型材料被廣泛運(yùn)用于實(shí)際工程中，往往需要對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)。因此，力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程不能僅僅局限于驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，而應(yīng)該側(cè)重于教會(huì)學(xué)生掌握力學(xué)性能的測(cè)試方法。除了原有的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以外，還應(yīng)增加一些關(guān)于常用工程材料的力學(xué)性能參數(shù)檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以及設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

基于教學(xué)計(jì)劃對(duì)力學(xué)課程整體學(xué)時(shí)的限制，以及對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)也應(yīng)作相應(yīng)調(diào)整：拉伸壓縮實(shí)驗(yàn)2學(xué)時(shí)，彈性模量E的測(cè)定實(shí)驗(yàn)2學(xué)時(shí)（包含金屬和非金屬材料彈模的測(cè)定），純彎曲梁正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)2學(xué)時(shí)，自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)2學(xué)時(shí)。在完成上述實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生已初步熟悉實(shí)驗(yàn)原理，了解儀器操作，此時(shí)可提供自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，讓他們選擇感興趣的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如加強(qiáng)梁實(shí)驗(yàn)、偏拉實(shí)驗(yàn)等，也可以利用實(shí)際工程中的力學(xué)問題自行設(shè)計(jì)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，根據(jù)構(gòu)件的受力狀態(tài)，設(shè)計(jì)橋路連接方式，選定布片方案，粘貼應(yīng)變片，測(cè)試、記錄數(shù)據(jù)，比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析誤差原因，寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)際上，這樣的調(diào)整不但保留了經(jīng)典實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)方法，還增加了新型材料的性能測(cè)試。這樣的實(shí)驗(yàn)可充分鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，提高其實(shí)驗(yàn)操作技能。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)?zāi)軡M足學(xué)生對(duì)更深層次知識(shí)的需求，開闊學(xué)生的工程實(shí)踐思路，符合當(dāng)今社會(huì)發(fā)展對(duì)應(yīng)用型人才的要求。

（二）引入多媒體實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段

多媒體技術(shù)是現(xiàn)代教學(xué)中廣泛采用的一種教學(xué)手段，力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用多媒體教學(xué)手段包括兩個(gè)方面：一是利用文字、圖像、動(dòng)畫和聲音等多種媒介，將實(shí)驗(yàn)設(shè)備、操作方法以及實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)等信息傳遞給學(xué)生 [6]，讓學(xué)生課前預(yù)習(xí)，使其在實(shí)驗(yàn)前對(duì)所需要操作的儀器設(shè)備和注意事項(xiàng)有大致的了解，這樣在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中，可以節(jié)省課時(shí)。二是模擬實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過程，即虛擬實(shí)驗(yàn)。經(jīng)典力學(xué)實(shí)驗(yàn)如低碳鋼的拉伸試驗(yàn)等虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源很多，如教師可以利用現(xiàn)有的或自主開發(fā)慕課資源，做成微視頻傳給學(xué)生，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前后都可以自主學(xué)習(xí)，對(duì)不明白的知識(shí)點(diǎn)也可以反復(fù)學(xué)習(xí)，如果還有不明白、沒有聽懂的內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)課上指導(dǎo)教師可以有針對(duì)性地輔導(dǎo)、答疑或拓展深化，這樣就可以使學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)更好更快地掌握經(jīng)典實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和儀器設(shè)備的操作方法。實(shí)驗(yàn)后也還可以通過反復(fù)觀看微視頻，鞏固相關(guān)知識(shí)。

在掌握基本實(shí)驗(yàn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)學(xué)有余力的學(xué)生，可以布置一些拓展實(shí)驗(yàn)。例如一些新材料的力學(xué)性能的測(cè)試等，讓學(xué)生對(duì)照經(jīng)典實(shí)驗(yàn)?zāi)秸n課件，自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，自己完成實(shí)驗(yàn)，即形成“翻轉(zhuǎn)課堂”，讓學(xué)生在做中學(xué)、學(xué)中做，教師給予適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)。這樣不僅能使實(shí)驗(yàn)教學(xué)鮮活起來，還能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，讓他們更有興趣、更能融入實(shí)際動(dòng)手的實(shí)驗(yàn)中，更快地掌握實(shí)驗(yàn)原理，準(zhǔn)確判斷應(yīng)有的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)的整體理解，掌握實(shí)驗(yàn)方法和手段。

三、工程實(shí)踐型力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程探討

結(jié)合工程實(shí)踐開設(shè)力學(xué)課程不僅能培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)際工程中發(fā)現(xiàn)、解決力學(xué)問題的能力，做到知行統(tǒng)一，也能有效補(bǔ)充力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的不足。目前，結(jié)合工程實(shí)踐類的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革較少，有的課程改革也沒有真正實(shí)現(xiàn)工程實(shí)踐與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的結(jié)合。為此，筆者對(duì)工程實(shí)踐型力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程主要包含的內(nèi)容作了一些思考和探索。

（一） 利用實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源為工程實(shí)際服務(wù)，提升教師能力

要開設(shè)與工程實(shí)際密切結(jié)合的力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，首先必須培養(yǎng)和造就一支適應(yīng)應(yīng)用型人才培養(yǎng)需要的、具有一定工程經(jīng)驗(yàn)的“雙師型”教師隊(duì)伍。為此，學(xué)校成功舉辦了三期社會(huì)工程實(shí)踐，其形式主要有教師頂崗實(shí)習(xí)和暑假工程實(shí)踐。教師深入企業(yè)和施工單位， 了解并掌握工程設(shè)計(jì)和施工過程，從實(shí)際工程中發(fā)現(xiàn)工程問題，把他們的理論知識(shí)帶到實(shí)際工程中，解決設(shè)計(jì)及施工中遇到的問題，為實(shí)際工程服務(wù)，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的結(jié)合，使教師真正明白在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中如何教會(huì)學(xué)生在工程中發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，做到既利用教學(xué)資源為工程服務(wù)，又能在服務(wù)的過程中提升教師自身的實(shí)踐能力。

（二） 利用實(shí)際工程中的力學(xué)問題進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

教師將在實(shí)際工程中發(fā)現(xiàn)的很多力學(xué)問題，作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的素材，帶領(lǐng)學(xué)生直接到施工現(xiàn)場(chǎng)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行實(shí)際工程的力學(xué)測(cè)試教學(xué)。筆者就曾了解到工程實(shí)際中有許多需要進(jìn)行測(cè)試的力學(xué)問題，并成功開展了一次工程實(shí)踐型力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，具有很大的啟發(fā)意義。

這次實(shí)踐型力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)背景是重慶某醫(yī)院需要澆筑3米厚的樓板，其重量達(dá)到每平方米約75 KN，其支撐模板采用的是重慶某公司引進(jìn)歐洲技術(shù)生產(chǎn)的一種新型盤扣式腳手架（如圖1）。由于該公司以前沒做過類似的項(xiàng)目，需要對(duì)該滿堂腳手架高支模體系進(jìn)行相關(guān)承載力試驗(yàn)，為此，該公司委托學(xué)校做了相關(guān)的承載力分析試驗(yàn)。在教師的帶領(lǐng)下，兩個(gè)班幾十名學(xué)生開展新型盤扣式腳手架的力學(xué)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了在實(shí)際工程中進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)。

圖1新型盤扣式腳手架滿堂搭接

圖2測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變片

圖3學(xué)生記錄數(shù)據(jù)腳手架的搭設(shè)由該公司工人按實(shí)際工程1∶1的比例搭設(shè)，有經(jīng)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)教師給學(xué)生詳細(xì)講解如何布置測(cè)試點(diǎn)和貼應(yīng)變片，以及如何放置加載的千斤頂。在這個(gè)過程中，學(xué)生學(xué)到了如何在實(shí)際工程中搭設(shè)腳手架，如何控制實(shí)驗(yàn)的精度及變量，如何放置液壓千斤頂，如何合理選擇貼應(yīng)變片的測(cè)試點(diǎn)。學(xué)生還親自動(dòng)手貼應(yīng)變片（如圖2），學(xué)到了如何選擇和連接測(cè)試橋路，如何選點(diǎn)安裝千分表測(cè)試腳手架側(cè)向位移等。試驗(yàn)中，學(xué)生動(dòng)手記錄數(shù)據(jù)，學(xué)會(huì)了如何實(shí)現(xiàn)分級(jí)加載，如何測(cè)試數(shù)據(jù)和觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（如圖3）。最后學(xué)生和教師共同完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析處理，寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

工程實(shí)地實(shí)驗(yàn)不同于實(shí)驗(yàn)室的演示性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，需要學(xué)生親自參與編寫實(shí)驗(yàn)方案、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程。整個(gè)教學(xué)過程中，學(xué)生積極性很高，對(duì)于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和儀器設(shè)備操作的掌握都比在校內(nèi)實(shí)驗(yàn)要好。這種實(shí)驗(yàn)方式不僅能增強(qiáng)學(xué)生對(duì)力學(xué)理論的理解和運(yùn)用，還能極大地提高學(xué)生的動(dòng)手能力，培養(yǎng)其實(shí)驗(yàn)興趣、工程實(shí)踐素質(zhì)和創(chuàng)新意識(shí)。顯然，利用工程實(shí)際問題中的力學(xué)問題進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)更適合應(yīng)用型人才培養(yǎng)的要求。

四、利用專業(yè)實(shí)訓(xùn)基地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)

在工程實(shí)踐型力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程中發(fā)現(xiàn)，工程實(shí)地實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)工程的選擇要求極高，與施工單位的協(xié)調(diào)配合也比較困難，而且需要保證學(xué)生在施工現(xiàn)場(chǎng)的絕對(duì)安全，要真正實(shí)現(xiàn)量大面廣的全部學(xué)生都到工程實(shí)地去開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)有一定的難度。為避免工程實(shí)地實(shí)驗(yàn)教學(xué)的諸多困難，可以考慮在校內(nèi)實(shí)訓(xùn)基地中完成某些力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。例如可以讓學(xué)生自己動(dòng)手制作一些鋼筋混凝土梁、板、柱等不同結(jié)構(gòu)類型的實(shí)體模型，指導(dǎo)學(xué)生在其受力狀態(tài)下做非破壞性實(shí)驗(yàn)，測(cè)試其力學(xué)性能。試驗(yàn)后的試件還可以繼續(xù)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，完成專業(yè)課的破壞實(shí)驗(yàn)。實(shí)訓(xùn)基地應(yīng)是開放式的，有興趣的學(xué)生可以利用課余時(shí)間自主設(shè)計(jì)和參與實(shí)驗(yàn)。

在校內(nèi)實(shí)訓(xùn)基地完成力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，彌補(bǔ)了工程實(shí)踐型力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，還為學(xué)生提供了自己動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，學(xué)生也非常樂于參與其中，有利于發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性和提高學(xué)生工程實(shí)踐能力。

五、結(jié)語

在力學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐中，應(yīng)結(jié)合實(shí)驗(yàn)課程的特點(diǎn)，按照應(yīng)用型科技大學(xué)轉(zhuǎn)型的需求，采用多種教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生的整體力學(xué)水平，提高學(xué)生的綜合能力。學(xué)校在將工程實(shí)踐與力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的嘗試中，形成了既可進(jìn)行工程實(shí)踐型力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，又可在專業(yè)實(shí)訓(xùn)基地完成自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的模式，學(xué)生表現(xiàn)出了極大的興趣，他們對(duì)力學(xué)知識(shí)在土木工程中的應(yīng)用有了更深的了解。在實(shí)踐教學(xué)中，如何將各種教學(xué)方法有機(jī)結(jié)合，完善工程實(shí)踐型力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)體系，更好地服務(wù)于應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)等是值得進(jìn)一步思考和研究的問題。

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Abstract： In the transformation process of applied technical university a present， aiming at the variety of problems in the experimental course of mechanics in higher engineer course school， the article proposed several improvement suggestions on the mechanics experimental teaching， and the discussion is combined with engineering practices. The establishment of engineering practiced mechanics experiments can not only improve the interest of students in mechanics experiment and their ability to solve the practical engineering problems， but also indicated the new direction for teaching reform of mechanics experiment course in the target of application oriented talents cultivated.

Keywords： mechanics experiment； engineering practice； application type course teaching

（編輯王宣）