新工科建設中力學實驗教學內容體系的優(yōu)化設計

代樹紅 宋維源

摘要：為解決新工科建設過程中不同工科專業(yè)學生對力學實驗教學內容的差異化和層次化需求問題，針對不同專業(yè)課程體系需求、學生層次化需求、應用創(chuàng)新型人才培養(yǎng)需求，結合力學數(shù)值和虛擬實驗教學方法，開展了力學實驗教學內容的優(yōu)化設計。經(jīng)過對力學實驗課程教學內容體系的優(yōu)化設計與教學實踐，對新工科建設中力學實驗教學效果的提高起到了積極作用，并通過國家級力學實驗教學示范中心將該體系向國內高校進行了推廣與輻射。

關鍵詞：新工科；力學實驗課程；多學科；差異化；層次化；優(yōu)化設計

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）22-0276-03

為適應當前世界范圍內新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，我國已啟動了新工科改革與建設。力學實驗課程教學內容體系的優(yōu)化設計就是為適應新工科改革與建設，而開展的力學實驗課程內容及體系的改革。力學實驗教學內容是力學、機械、材料、土建、巖土工程、安全和采礦等工科專業(yè)實踐教學中的重要組成，是各學科鞏固學生力學理論知識、啟發(fā)學生獨立思考、培養(yǎng)學生解決實際問題能力和創(chuàng)新能力的重要實踐教學內容。從目前許多院校使用的力學實驗教材來看，力學實驗課程的內容多年來變化不大，完全不能滿足當前我國高等教育對新工科建設和新興工程科技人才培養(yǎng)的迫切需求。工科不同專業(yè)的學生對力學實驗教學內容的差異化和層次化需求是新工科改革與建設中的突出問題，針對該問題國內的一些高校、教育教學研究機構和學者開展了探索性研究。清華大學、浙江大學和哈爾濱工業(yè)大學等高校的力學實驗教學團隊，通過力學創(chuàng)新教育、自主研發(fā)實驗設備和鼓勵學生參與科研項目等途徑，開發(fā)了新的力學實驗教學內容；大連理工大學和東北大學的唐春安、朱萬成、王述紅、張娟霞等學者，基于RFPA軟件分別在巖石力學、材料力學、巖土力學等課程的實驗教學中開展了數(shù)值實驗教學方法的研究，并設計了相關的數(shù)值實驗教學內容；遼寧工程技術大學代樹紅、任偉杰等學者在力學實驗教學過程中開展了虛擬實驗教學內容的研究與實踐，中國科技大學、北京理工大學和同濟大學等國內多所高校，都根據(jù)自身教學需求建立了相關的虛擬力學實驗教學內容資源體系。為切實推動新工科建設與發(fā)展，提高我國高等學校力學實驗課程的教學效果，我校國家級力學實驗教學示范中心針對不同工科專業(yè)的課程內容體系和學生對力學實驗教學內容需求的差異化和層次化問題，以及我校應用創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標的需求，結合力學數(shù)值和虛擬實驗教學方法，開展力學實驗課程教學內容體系的優(yōu)化設計與教學實踐。

一、依據(jù)學科課程體系優(yōu)化實驗教學內容

力學實驗課程教學面向的學科主要包括：力學、機械、材料、土建、巖土工程、安全和采礦等高等學校的工科專業(yè)，主要涉及理論力學、材料力學、工程力學、流體力學、振動力學和巖土力學等課程中的實驗教學內容。當前力學實驗課程的教學內容是建立在力學理論課的教學基礎上的，主要是為了復現(xiàn)力學理論課程教學中的力學現(xiàn)象、力學過程或驗證相關力學理論，基本不會考慮力學實驗課程的教學內容同不同專業(yè)后續(xù)專業(yè)課間的關聯(lián)性，忽視了新工科建設和發(fā)展過程中不同工科專業(yè)的學生在后續(xù)新興專業(yè)課學習中對力學實驗教學內容的真實需求?，F(xiàn)以材料力學中關于測試材料應力-應變關系的實驗內容為例，目前的實驗教學內容體系中將低碳鋼拉伸試驗作為教學實驗的標準內容，實驗中包含楊氏模量的測定、觀測彈性和塑性變形規(guī)律以及材料應力-應變全程曲線的特征分析，通過該實驗學生能直觀地接觸并掌握低碳鋼類金屬材料的變形特征。因此，低碳鋼拉伸實驗教學內容對機械類學科的學生非常適用，也能為后續(xù)機械設計類專業(yè)課程的學習打下扎實的力學基礎。然而，對于土木、采礦、地質等學科的學生而言，學生在后續(xù)的專業(yè)課程學習以及今后的科學研究和工程實踐中接觸到的材料主要是煤、混凝土和巖石類材料，該類型材料的應力-應變曲線及變形特征同低碳鋼材料的應力-應變曲線及變形特征存在巨大的差異性，尤其是煤、混凝土和巖石類材料抗壓不抗拉的特性使得這種差異性更為突出；同時針對以上學科的材料力學教材中通常將壓應力設為正值，這同低碳鋼拉伸試驗中規(guī)定的正應力方向剛好相反。因此，將低碳鋼拉伸試驗作為土木、采礦、地質等學科專業(yè)的力學實驗教學內容，非常容易誤導學生對巖石類材料變形特性的認識，并直接影響到學生對后續(xù)相關專業(yè)課內容的準確學習。力學實驗教學示范中心在力學實驗課程的教學內容體系優(yōu)化設計過程中，針對土建、巖土工程、安全和采礦學科培養(yǎng)巖土及能源相關領域的人才需求，將應力-應變關系測試實驗內容中的低碳鋼試件替換為煤和巖石試件，分別設計了巖石材料的拉伸和壓縮實驗內容。力學實驗教學示范中心在充分研究了力學專業(yè)、機械類專業(yè)和巖土類專業(yè)對該類實驗教學內容的差異化需求后，同相關學科的專業(yè)課教師進行了座談與論證，依據(jù)不同學科課程體系對力學實驗教學內容的差異化需求對該類實驗內容進行了優(yōu)化設計，并建設了相應的力學實驗課程教材。優(yōu)化后的實驗教學內容滿足了新工科不同專業(yè)對力學實驗教學內容的需求，更滿足了不同學科學生對實驗教學內容的差異化需求，實現(xiàn)了力學實驗教學內容同相關工科課程體系的緊密融合。

二、依據(jù)學生層次化需求優(yōu)化實驗教學內容

傳統(tǒng)的力學實驗內容在教學過程中都是以教師為主導的課堂教學模式，力學實驗教學內容是面向全體學生設計的且實驗方法單一，學生在教學過程中處于被動的學習狀態(tài)，在新工科建設過程中不能滿足部分學生希望自主開發(fā)和設計創(chuàng)新型實驗內容的高層次實踐需求。力學實驗教學示范中心為了解決部分學生對實驗力學教學內容的層次化需求問題，在力學實驗課程教學內容的優(yōu)化過程中，增加了關于力學實驗方法的教學內容，如：聲發(fā)射技術、數(shù)字圖像相關技術和電荷檢測技術等，將相關工科產(chǎn)業(yè)中最新的實驗技術引入了力學實驗課程的教學，為不同學科的學生實現(xiàn)對力學實驗內容的層次化需求提供了支持。國家級力學實驗教學示范中心在力學實驗教學過程中不再為學生指定一致的設備、材料和方法，而是鼓勵和引導學生根據(jù)不同的層次化需求和實驗方法，開發(fā)和設計新型實驗，完成力學實驗課程中的教學內容與教學目標?，F(xiàn)以巖石材料的壓縮實驗為例，學生提出了采用電測方法和聲發(fā)射技術協(xié)同觀測的實驗方法，學生在實驗過程中觀測到了巖石發(fā)生塑性變形階段聲發(fā)射事件密集出現(xiàn)的現(xiàn)象，并結合電測方法得到的應力應變曲線，對巖石的宏觀塑性變形和微觀損傷的相關性進行了力學分析。這種注重講授力學實驗方法，鼓勵學生自主開發(fā)和設計的創(chuàng)新型實驗的教學內容，把學生從被動的學習狀態(tài)引導到了主動學習狀態(tài)，使學生從學的角色轉換到了學與用并舉的角色，滿足了學生對力學實驗教學內容的層次化需求。學生在完成創(chuàng)新型實驗內容的基礎上，結合相應的力學實驗方法和實際問題，在全國大學生結構設計競賽、全國大學生力學實驗競賽和全國周培源大學生力學競賽中取得了優(yōu)異的成績。

三、依據(jù)數(shù)值和虛擬實驗教學方法優(yōu)化力學實驗教學內容

在新工科建設過程中，計算機和人工智能技術已經(jīng)融合到了工科專業(yè)的教學與實踐環(huán)節(jié)。力學數(shù)值實驗是計算力學理論與計算機技術相結合的產(chǎn)物。國家級力學實驗教學示范中心基于唐春安教授開發(fā)的RFPA（Realistic Failure Process Analysis）數(shù)值實驗軟件開發(fā)了多類型的力學實驗教學內容，模擬再現(xiàn)了一些工程背景復雜、危險性高、不能重復的環(huán)境和災害力學問題，如：巖土工程、安全和采礦學科中的地震、瓦斯突出和滑坡等力學實驗項目，并建立了力學數(shù)值實驗室。

力學虛擬實驗，即借助于多媒體和虛擬現(xiàn)實技術在計算機上構造出力學虛擬實驗內容，使學生在實驗前得到可視化實驗操作指導，部分替代甚至全部替代實體實驗的相關軟件和網(wǎng)絡平臺。隨著虛擬現(xiàn)實和多媒體技術的快速發(fā)展，虛擬仿真技術廣泛應用于力學虛擬實驗，并發(fā)揮著實體實驗所不能替代的作用，它的經(jīng)濟性和自由操作的獨立性彌補了傳統(tǒng)力學實驗教學的不足之處。力學虛擬實驗教學內容可使學生在實驗前通過個人電腦進行多次相關的虛擬力學實驗操作練習，掌握相關力學實驗原理、操作過程和方法確保在實際實驗中更正確、準確地完成實驗。國家級力學實驗教學示范中心研發(fā)了力學虛擬實驗教學系統(tǒng)，虛擬實驗教學系統(tǒng)中開發(fā)了同《理論力學》、《材料力學》、《流體力學》、《結構力學》和《巖體力學》相關的虛擬力學實驗教學內容共包括41個具體的實驗項目，其中包括一些同工程實際問題復雜相關的高危險性、高費用和大尺度力學實驗教學內容，并通過教材建設編寫了《力學虛擬實驗仿真實驗開發(fā)方法》。

力學數(shù)值實驗和虛擬實驗教學內容在新工科建設過程中，彌補了傳統(tǒng)力學實驗教學方法在時間、空間和實驗設備等方面對實驗教學的限制，有效地實現(xiàn)了以上實體實驗所不能完成的實驗內容，使學生在實驗前進行可視化實驗操作。學生在實驗后仍可再進行相關的虛擬實驗找到失敗原因，提高實驗技能，培養(yǎng)學生學習興趣與創(chuàng)造力，釋放實驗教學的空間，使實驗教學在實驗室的建設、管理、教學質量和良好的開放性方面都得到了補充和完善。國家級力學實驗教學示范中心在力學實驗教學內容的優(yōu)化設計過程中，結合新工科建設需求，將力學數(shù)值和力學虛擬實驗教學內容融入到了傳統(tǒng)的力學實驗教學內容體系。例如：在力學實體實驗教學內容開展前，首先開展相同內容的虛擬實驗，學生用最短的時間了解了將要開展的力學實體實驗教學內容；實體實驗完成后，要求學生結合力學數(shù)值分析軟件，通過力學數(shù)值實驗重現(xiàn)實體實驗教學內容，補充部分實體力學實驗所不能實現(xiàn)的邊界或初始條件，解決實體實驗中存在的尺寸效應問題或邊界效應問題。通過對力學數(shù)值和力學虛擬實驗和力學實體實驗教學內容的優(yōu)化設計及教學實踐，鞏固了學生的力學理論知識和實驗知識，鍛煉了學生通過力學實驗解決實際問題的能力。

四、依據(jù)應用創(chuàng)新型人才培養(yǎng)需求優(yōu)化實驗教學內容

我校是一所理工科專業(yè)為主的地礦類高校，傳統(tǒng)工科專業(yè)在當前高速發(fā)展的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革前，遇到了前所未有的挑戰(zhàn)與機遇。我校為適應培養(yǎng)新興工程科技人才的需求，提出了應用創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標，力學實驗課程在培養(yǎng)工科專業(yè)應用創(chuàng)新型人才過程中具有不可替代的作用。國家級力學實驗教學示范中心在優(yōu)化力學實驗課程教學內容體系的改革與實踐中，刪減了很多驗證型和具有一定重復性的實驗內容，設置了更多的綜合型和設計型力學實驗教學內容。這類綜合型和設計型力學實驗教學內容，強化了對力學理論和實驗知識的傳授，強化了力學實驗教學內容同專業(yè)課教學內容的聯(lián)系，強化了對應用力學實驗方法解決實際問題的應用創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。國家級力學實驗教學示范中心通過對這類教學內容的教學實踐，實現(xiàn)了教師從知識傳授型向能力引導型的轉變，實現(xiàn)了力學實驗課程從課堂教學型向創(chuàng)新實踐型的轉變，實驗現(xiàn)了學生從被動學習到主動實踐的轉變。學生在這類綜合型和創(chuàng)新型力學實驗教學內容的開展過程中，深入地掌握了相關力學實驗設備和方法，設計力學實驗的流程和力學的基本原理，學生應用力學實驗方法和力學理論的能力得到了綜合性的訓練，培養(yǎng)了學生在科學研究和工程實踐中的應用創(chuàng)新能力。國家級力學實驗教學示范中心開展的力學實驗課程教學內容體優(yōu)化工作，在我校大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的實踐中發(fā)揮了重要作用，學生成功申報了國家級、省級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目，相應產(chǎn)出了一批發(fā)明專利的實用專利，其中一些實現(xiàn)了科技成果的轉化，學校也因此被教育部、財政部確定為全國首批大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目實施高校。

五、結語

國家級力學實驗教學示范中心通過對力學實驗教學內容的優(yōu)化設計與教學實踐，滿足了學校在新工科建設過程中不同工科專業(yè)對力學實驗教學內容的差異化需求，滿足了學生對實驗教學內容的層次化需求，滿足了應用創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標對力學實驗教學內容改革的需求；結合力學虛擬實驗和數(shù)值實驗方法優(yōu)化并創(chuàng)建了一套適用于新工科建設的力學實驗教學內容體系。力學實驗教學內容體系優(yōu)化設計的成果，為切實提高我校新工科建設水平提供了改革與教學實踐的新思路，同時該成果基于我校國家級力學實驗教學示范中心平臺向國內的部分高校進行了成功的推廣與輻射。

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