新工科背景下工程力學實驗課程虛擬仿真實驗平臺建設(shè)

楊昌玉，王雪，房學謙

（1.石家莊鐵道大學工程力學系，河北石家莊 050043；2.河北工程技術(shù)學院土木工程學院，河北石家莊 050091）

為能更好地應對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，2017年，教育部推動新工科建設(shè)，形成了“復旦共識”“天大行動”以及“北京指南”三部曲，為下一步高校新工科建設(shè)指明了方向[1-3]。在國家政策的引導下，各高校結(jié)合本校學科特點進行行之有效的新工科建設(shè)，為學科建設(shè)和人才培養(yǎng)夯實了基礎(chǔ)[4-6]。在這些教育教學模式的研究與變革中，實驗教學方面表現(xiàn)得尤為突出[7-9]。

作為一門有較強應用性并與工程實踐緊密結(jié)合的課程，工程力學實驗課程重點培養(yǎng)學生的動手能力、創(chuàng)新能力以及綜合分析實際問題的能力[10-11]。該課程是工科類土木、機械、交通、材料等工科專業(yè)重要的實踐類必修課程之一，為培養(yǎng)學生解決實際工程問題能力提供了一條實踐探索的新思路，是新工科人才培養(yǎng)的重要手段?！督逃扛叩冉逃娟P(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》將新工科研究與實踐分為工程教育的新理念、學科專業(yè)的新結(jié)構(gòu)、人才培養(yǎng)的新模式、教育教學的新質(zhì)量、分類發(fā)展的新體系五部分內(nèi)容。本文基于新工科理念在實踐類課程中的指導思想，將工程力學實驗課程通過虛擬仿真實驗平臺進行講授，為工程力學實驗課程提供明確的概念架構(gòu)，并培養(yǎng)學生采用力學知識解決復雜工程實際問題的創(chuàng)新性能力。

在考查工程力學實驗課程整個教學過程后，結(jié)合新工科的要求，促進工程力學實驗課程圍繞培養(yǎng)學生解決實際工程問題能力的要求，發(fā)揮學生主動性、創(chuàng)造性的學習精神，我們將工程力學實驗課程的所有內(nèi)容，包括基礎(chǔ)實驗、演示實驗和創(chuàng)新實驗，整理至虛擬仿真實驗平臺。針對新工科對實驗課程的要求，設(shè)計不同的教學方案，在以學生為中心教育理念的支持下，改革課程考核機制，提出新工科背景下工程力學實驗課程教學模式改革的新方向。

1 工程力學實驗教學存在的問題

參照新工科對高等教育實踐類課程的要求，結(jié)合工程力學實驗教學的具體情況，發(fā)現(xiàn)目前的實驗課程教學存在以下問題：

1.1 教學內(nèi)容有待更新

工程力學實驗課程是一門注重將工科力學基礎(chǔ)知識運用到實際問題解決中的課程，目前工程力學實驗課程教學內(nèi)容一直以基礎(chǔ)性實驗為主，實驗內(nèi)容過于簡單，在《中國制造2025》、智能制造等大背景下，其教學內(nèi)容無法滿足社會發(fā)展的需求[12]。同時，在教學中學生被動接受知識，教師單向傳授知識，學生創(chuàng)造性精神的培育不足，因此難以達到新工科背景對新時代工程師的要求，教學內(nèi)容亟須進一步更新。

1.2 教學模式單一

在教學模式方面，工程力學實驗課程多采用傳統(tǒng)的教學方式。在這種教學模式下，教師會首先向?qū)W生介紹實驗的基本原理并演示具體的操作步驟，學生則依據(jù)教師指導完成實驗。實驗課結(jié)束后，學生按照要求處理數(shù)據(jù)、誤差分析并完成實驗報告，通過整個實驗過程，實現(xiàn)對操作技能、實驗原理的深入理解[13]。在這種教學范式中學生缺乏預習課程環(huán)節(jié)，實驗課程注重實驗步驟和流程的講解，課程以教師講授為主，是一種典型的灌輸式教學方法[14]。從整體來看，這種單一的教學模式導致學生被動接收新知識，限制了學生主觀能動性的發(fā)揮。此外，學生在課堂上學習任務多、時間緊，學生實驗參與度不高，難以為將來工程實踐操作打下良好基礎(chǔ)。

1.3 課程考核機制單一

在課程考核方面，以期末考試成績?yōu)橹?，考核方式為閉卷考試，考試內(nèi)容注重理論知識。這就導致學生更注重理論知識的學習，最終成績不能全面評價學生實驗操作能力、實驗報告撰寫能力和開拓創(chuàng)新精神，因此與新工科背景下的人才培養(yǎng)目標不契合。此外，傳統(tǒng)考核方式過于重視學生對理論知識的掌握。

基于以上問題，為優(yōu)化工程力學實驗教學，滿足學生需求，我們采用建設(shè)虛擬仿真平臺的形式來完成工程力學實驗課的更新，以適應新工科背景下實踐類課程的要求。

2 虛擬仿真實驗平臺的建設(shè)

2.1 虛擬仿真實驗平臺的建設(shè)思路

隨著信息技術(shù)的進步和高等學校實驗教學要求的提升，在新工科背景下將虛擬仿真實驗平臺運用于工程力學實驗課程建設(shè)中，可以將傳統(tǒng)實驗教學模式下在課堂中進行的知識傳授轉(zhuǎn)移到虛擬平臺上進行，同時在課堂上實現(xiàn)知識內(nèi)化。通過實驗平臺的構(gòu)建，試圖實現(xiàn)新工科要求的理念的轉(zhuǎn)變，從以“學科為本，教師為主”轉(zhuǎn)為以“學生為本”，從以“傳授知識”轉(zhuǎn)向“提升素質(zhì)”，從“以教為主”轉(zhuǎn)向“以學為主、教學相長”[15]。虛擬仿真實驗平臺，可彌補傳統(tǒng)實驗的不足，有效提升學生的創(chuàng)新精神與動手操作能力[16]。

2.2 虛擬仿真實驗平臺的組成與功能

虛擬仿真實驗平臺由三部分組成，一是實驗準備與檢查系統(tǒng)，二是實驗教育系統(tǒng)，三是綜合考核系統(tǒng)。實驗準備與檢查系統(tǒng)是為了將教學內(nèi)容以圖片、視頻、文件的形式上傳到虛擬仿真平臺中，并在平臺上完成課程設(shè)置、課堂檢測、實驗模擬等項目。同時實時檢查學生在系統(tǒng)中的實驗完成情況并給出相應建議。實驗教育系統(tǒng)是虛擬平臺的核心結(jié)構(gòu)，采用模塊化形式，將實驗項目分類后展示在仿真平臺上，根據(jù)不同專業(yè)、學科的教學大綱要求完成實驗內(nèi)容，學生在該模塊下完成虛擬仿真實驗教學內(nèi)容。綜合考核系統(tǒng)主要包括上課前的預習考查、上課時的實驗操作考查和課堂測試部分，這是為了全面考查學生對實驗內(nèi)容的掌握程度而設(shè)置的。

2.3 虛擬仿真實驗平臺的優(yōu)勢

2.3.1 以學生為中心的授課體系

基于虛擬仿真實驗平臺，我們將工程力學實驗課程體系分為三種實驗：演示實驗、基礎(chǔ)實驗和創(chuàng)新實驗。教師會提前將本次實驗的重難點內(nèi)容視頻上傳到虛擬仿真平臺，學生可根據(jù)實驗相關(guān)知識點提前開展預習，完成平臺設(shè)置的題目，以檢驗預習成效。實驗開始時，學生先觀看實驗過程的講解并可以隨時提問，然后自主完成實驗，實現(xiàn)對知識和實踐環(huán)節(jié)的理解，在完成實驗報告并由教師簽字確認后結(jié)束本次實驗課程。

2.3.1.1 演示實驗設(shè)計

演示實驗包括動態(tài)實驗、沖擊實驗、疲勞實驗。動態(tài)實驗主要演示常見的工程結(jié)構(gòu)在動態(tài)載荷作用下的特性、研究方法和運用，動態(tài)演示實驗注重工程實例，從而對學生進行啟發(fā)式教學。沖擊實驗主要介紹常見沖擊實驗的研究方法、實驗過程和應用領(lǐng)域。疲勞實驗主要介紹不同疲勞實驗機的設(shè)備組成、加載原理、試件和疲勞實驗許用應力的測定方法等。演示實驗可以激發(fā)學生對實際實驗方法的興趣，調(diào)動學生的積極性，拓展學生在工程力學實驗方向的知識面，探討如何將工程力學實驗知識應用于現(xiàn)實工程中。

2.3.1.2 基礎(chǔ)實驗設(shè)計

基礎(chǔ)實驗部分是工程力學實驗課程重要的模塊之一，此模塊實驗設(shè)計充分考慮學生的主體作用，以學生為中心，激發(fā)學生的求知欲和探求欲[17]。在該部分學習中，學生通過虛擬仿真實驗平臺，按照預習→測試→實驗的步驟完成實驗過程。整個教學過程分為四個環(huán)節(jié)，第一環(huán)節(jié)設(shè)置時長5 分鐘，在此環(huán)節(jié)學生需要預習好當日要學習的課程，并在虛擬仿真平臺上根據(jù)所預習內(nèi)容和視頻教學完成課前測試，測試結(jié)果只有達到70%以上的正確率才能進入下一環(huán)節(jié)。通過課程測試，能夠幫助學生及時檢驗學習效果，了解預習環(huán)節(jié)出現(xiàn)的問題，進行查漏補缺。第二環(huán)節(jié)設(shè)置時長為15 分鐘，在此環(huán)節(jié)學生需要參考預習效果進行要點回顧，在虛擬仿真實驗平臺上以視頻的形式演示實驗具體操作流程和注意事項，實驗操作部分內(nèi)容可反復觀看。通過對演示實驗的操作和注意事項的學習，幫助學生主動學習和探索新知識。根據(jù)不同學生的個性和特點，學生可用回放幫助理解記憶或者尋求教師進行針對性指導，避免理解得不透徹。第三環(huán)節(jié)時長為50 分鐘，在此環(huán)節(jié)教師需要引導學生完成實驗操作部分、原始數(shù)據(jù)處理、實驗報告相關(guān)題目的解決等實驗具體內(nèi)容。第四環(huán)節(jié)時長為20 分鐘，在此環(huán)節(jié)教師會針對在巡視學生實驗操作過程中發(fā)現(xiàn)的問題進行指導解決，并對學生實驗的完成情況進行統(tǒng)計和總結(jié)。學生通過第三、四環(huán)節(jié)可以在課堂完成實驗報告，教師可以進行針對性指導，有效避免了報告同質(zhì)化。

通過這些環(huán)節(jié)，學生可全面了解基礎(chǔ)力學實驗的設(shè)計原理、實驗平臺的使用方法。教師及時了解學生情況，為學生創(chuàng)造自主學習場景，提供個性化學習方案。

2.3.1.3 創(chuàng)新實驗設(shè)計

為了進一步激發(fā)學生的創(chuàng)新能力，整個創(chuàng)新實驗部分設(shè)立為兩個不同類型的實驗方案，即偏心拉伸實驗和互動創(chuàng)新實驗。這兩個實驗設(shè)計的側(cè)重點不同。在偏心拉伸實驗中，學生需要基于試件情況和實際工況要求，基于應變電測的要求設(shè)計實驗方案，并以小組為基礎(chǔ)完成應變計粘貼、方案設(shè)計、橋路選擇、實驗報告等內(nèi)容，本項實驗主要考查學生應變測量過程及撰寫實驗報告的能力?；觿?chuàng)新實驗則注重培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，學生通過自行設(shè)計實驗、計算和撰寫實驗報告，以觀察和解決實際工程問題，并且通過數(shù)值分析軟件對實驗結(jié)果進行模擬，分析實驗結(jié)果與理論結(jié)果產(chǎn)生誤差的原因。在創(chuàng)新實驗中，教學課程以學生為主，教師不再是課堂的中心。課程設(shè)置為4 學時，第一階段時長30 分鐘，在此階段教師采用啟發(fā)式教學，不進行具體的實驗指導，僅對學生要做設(shè)計的實驗說明注意事項。第二階段時長50 分鐘，在此階段要求學生以小組為單位進行模塊化討論并設(shè)計實驗方案，學生需要在創(chuàng)新實驗的要求下，結(jié)合工程設(shè)計一個創(chuàng)新性的實驗方案。第三階段時長10 分鐘，學生提交設(shè)計好的實驗方案，通過指導教師審核后即進入下一階段。第四階段90 分鐘，教師全程輔助學生完成實驗過程，學生完成數(shù)據(jù)和實驗報告撰寫后即可完成全部教學過程。創(chuàng)新實驗培養(yǎng)了學生獨立自主解決問題、分析問題的能力，激發(fā)了學生的學習興趣和積極性。

2.3.2 多元化實驗教學體系

我們在虛擬仿真實驗平臺設(shè)置了線上預習—>課堂檢測—>平臺觀摩講解實驗—>學生依據(jù)講解完成實驗和實驗報告的教學順序體系，這種教學體系的設(shè)置考慮了學生能隨時在虛擬仿真平臺觀看實驗要點的要求，并針對具體問題與教師進行無障礙交流。整個過程采用標準的模塊化教學，保證了每名學生的學習效果，教師可以進行針對性的指導。

在虛擬仿真實驗平臺上進行的工程力學實驗課程教學是一種全新的教學模式，這種教學體系通過模塊化處理，整個教學過程以平臺講解實驗、學生完成實驗為目的，實現(xiàn)了學生自主完成實驗的目的。這種全新的方式培養(yǎng)了學生自主解決問題的能力，同時避免了傳統(tǒng)線下實驗課程分組完成實驗導致的部分學生過于依賴動手能力強的學生，無法保證每名學生將實驗內(nèi)化等現(xiàn)象的發(fā)生。教師通過虛擬仿真實驗平臺的設(shè)置可以全方位了解學生的知識掌握及動手操作情況，進而有針對性地進行個性化教學指導。

2.3.3 虛擬仿真平臺考核方式的改進

在虛擬仿真平臺上，教師可針對不同的教學內(nèi)容設(shè)置不同的考核內(nèi)容。考核內(nèi)容包括實驗預習、實驗報告、創(chuàng)新實驗完成情況和期末考試，實現(xiàn)了考核方式的多樣化。基礎(chǔ)實驗的預習環(huán)節(jié)結(jié)束后，學生需要完成課堂測試并達到70%以上正確率，方可進行實驗。在工程力學實驗教學試題庫中，每名學生的題目和選項都為亂序排列，測試的題目兼顧知識的廣度和難易度。測試的成績將作為學生最終成績的一部分，提高了學生的學習積極性和學習效率，為后面的實驗課具體操作打下了良好的基礎(chǔ)。

在虛擬仿真實驗平臺完成實驗后，教師會依據(jù)實驗課程教學、實驗操作等項目，考查學生操作的規(guī)范性以及課堂參與討論和現(xiàn)場提問等的情況，進行綜合考查并打分。

創(chuàng)新實驗環(huán)節(jié)主要通過小組討論、試件加載、方案修改、報告撰寫等內(nèi)容對學生進行考查，同時基于學科發(fā)展趨勢，教師提倡學生采用商業(yè)數(shù)值分析軟件對設(shè)計實驗進行有限元分析，該項目提升了學生的寫作能力、實踐能力以及創(chuàng)新能力，為學生將來工作打好基礎(chǔ)。整個考核過程深入實驗的每一環(huán)節(jié)，彌補了傳統(tǒng)單一化考核方式的不足，使學生主動性明顯提高，并注重每一環(huán)節(jié)的學習，有效提高了學生的動手能力、自主學習能力和創(chuàng)新能力。

3 結(jié)語

在新工科背景下，傳統(tǒng)的工程力學實驗課在教學內(nèi)容、教學方式和考核形式等方面存在諸多問題。通過構(gòu)建虛擬仿真實驗平臺，教學理念從傳統(tǒng)的“以學科為本，以教師為主”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙詫W生為中心”，教學內(nèi)容從“傳授知識”轉(zhuǎn)變?yōu)椤疤嵘C合素質(zhì)”，教學模式從“以教為主”轉(zhuǎn)變?yōu)椤俺珜W生以問題為導向、積極思考、學會解決實際工程問題”[15]。基于虛擬仿真實驗平臺，實現(xiàn)了平臺共享，通過發(fā)揮學生主觀能動性，完成對整個實驗的學習，培養(yǎng)學生利用工程力學實驗思維解決問題的能力，實現(xiàn)了課程考核的多樣化。