面向“新工科”的工程力学实验教学改革与实践

邵俊华 刘翔 王蕾 张泽琳 曹建华 

（武汉科技大学 理学院 湖北省工程力学实验教学示范中心 湖北 武汉430056；

武汉科技大学 工程训练中心 湖北 武汉 430056；

武汉科技大学 机械自动化学院 湖北 武汉 430081）

[摘  要]工程力学是一门理论与实践结合性较强，与工程技术联系极其紧密的基础学科。实验教学是其中一项不可或缺的内容，然而目前的工程力学实验教学体系和内容无法满足“新工科”背景下培养多样化、创新型卓越工程科技人才的需求。在深入分析现有工程力学实验教学体系和内容所存在问题的基础上，提出了“三三二一”的工程力学实验教学新体系，并在此基础上探讨教学内容建设方案与实施途径，最后对教学改革实践进行了总结，以期改革的成果能够对工程力学实验教学质量水平的提高产生积极影响。

[关键词]新工科；工程力学；实验教学；教学改革

[基金项目] 2019年度教育部产学合作协同育人项目（201902025029），2019年度武汉科技大学校级教学研究项目（2019Z005,2019X085），2020年度武汉科技大学校级研究项目（2020X077，Yjg202015）。

[作者简介]邵俊华（1968- ），女，河南巩义人，博士，高级实验师，主要从事工程力学相关理论研究与实验教学工作；刘翔（1983—），男，湖北武汉人，博士，实验师(通信作者)，主要从事实验实训相关方法与理论教学研究工作。

[中图分类号] G642   [文献标识码]A         [文章编号]    

应对新时代科技革命，培养卓越工程技术创新型人才，是新时代高等院校本科教育改革的新要求。2017年，教育部在天津大学召开新工科建设研讨会，与会专家一致认为，培养造就一大批多样化、创新型卓越工程科技人才，为我国产业发展和国际竞争提供智力和人才支撑，既是当务之急，也是长远之策^[1,2]。工程力学是一门与工程实践紧密结合的基础学科，工程力学实验在学生的动手能力和综合分析能力培养中有着非常重要的地位，是培养学生创新能力、激发学生学习兴趣的重要平台^[3,4]。因此，工程力学实验是落实“新工科”人才培养目标的重要抓手。然而，现有的工程力学实验教学体系单一、教学手段落后、教学内容陈旧，难以激发学生深入学习的兴趣^[5]。必须基于科技的发展，结合新工科背景，促使高等学校工程力学实验课程的改革与建设，才能提高专业基础力学实验教学水平与质量。

一、工程力学实验教学现存问题

（一）教学思想认识不足

传统的教学理念都是重视理论教学轻视实验环节，固定化的认为工程力学试验只是一门实验课，只是为工程力学理论课程服务的。并且在课程的设置上也呈现出明显的偏向理论教学的趋势，这种定位和思维习惯，不仅使学生养成了轻视实验课的习惯，也在一定程度上阻碍了工程力学实验课程的发展。

（二） 教学内容陈旧

国内大部分高校的工程力学实验内容包括：金属材料的拉伸、扭转；矩形截面梁弯曲正应力测定；主应力主方向测定；应变片粘贴；等强度梁的测试以及梁的冲击载荷系数测定等。涉及的实验对象、实验方案等工况过于简单，基本停留在验证性实验的范畴，只是机械地完成一些规定动作、记录一些数据、套用现成的实验报告，设计性、综合性、创新性的实验内容较少涉及，难以起到“新工科”背景下对卓越创新人才的训练要求。

（三）教学手段单一

在教学手段上，以教师集中讲解实验过程和注意事项，演示实验操作要点，学生分组实验操作并记录实验数据完成实验报告的教学方法为主。这样的教学手段虽然可以保证在规定的学时内完成实验教学任务，但是在整个实验过程中，学生都是出于一种盲目的被动接受学习的状态，既不对实验方案进行思考 ，也不能对实验过程中出现的问题加以合理的解释，更不能将实验现象与实际工程问题相结合，提出解决方案。这种程序化答题式的实验内容必将导致学生产生学习的惰性和依赖心理，逐渐失去学习的兴趣和动力。

（四） 教学对象的积极性调动不足

“以学生为本”的思想在工程力学实验教学过程中没有得到体现。学生只要按照教师设计的实验方案与实验过程按部就班的完成实验就能够获得学分，教师成为了教学活动中的权威，当实验中出现了与预期不同的结果时，作为教学对象的学生不敢去质疑，缺乏学习的积极性与主动性。

二、“三三二一”工程力学实验教学体系构建

（一）改革的思路

近年来，随着“新工科”建设的不断深入，工程力学实验教学体系的改革也越来越受到国内高校的重视。工程力学教学体系改革的核心思想是通过新理念、新模式、新内容、新手段建立工程力学实验教学体系，从教学任务、教学过程、教学结果全方位体现“新工科”背景下工程力学实验课程特征。即在教学内容设置方面夯实验证性实验项目在人才培养中的基础作用，培养学生的实践动手能力。同时，以工程力学学科竞赛、大学生课外科技创新等活动为切入点，激发学生的学习兴趣与创新潜能，培养学生的创新实践能力。最后，以科研项目为载体设计一些探索性、实践性和创新性的实验项目，注重实验方法的掌握运用以及科研方法、科学态度的培养。

（二）体系的建立

“三三二一”的工程力学实验教学体系如图1所示。该体系包括“三”个层次，即“基础验证实验”层次、“综合设计实验”层次和“科学研究实验”层次。这三个层次的教学目标是使学生获得“三”种能力，即“实践动手”能力、“创新设计”能力和“解决复杂工程实际问题”的能力。为了达到以上的教学目的，必须在实验教学的内容设计上做到具有创新性和探索性“二”种特征，并且具有“一”定的难度。

图1 “三三二一”工程力学实验教学体系结构图

三、教学内容改革

（一）立体化工程力学基础验证型实验内容改革

在“三三二一”体系下，基础验证性实验是开展综合设计实验以及科学研究实验的基础，通过该实验要让学生认识工程力学实验常用的仪器设备及其使用方法、工程力学实验的基本操作技能和调试方法、实验数据的记录与处理方法等。同时，为了让学生能顺利向综合设计实验过渡，在这一层次的教学中还包括创新思维的启发课程。

虚拟仿真技术可使学生在开放、自主、交互的虚拟环境中开展高效、安全的实验^[6,7]。在基础验证性实验内容改革中，将“线上”虚拟仿真实验与“线下”实际实验相结合的立体式教学方法应用到实验教学改革中（如图2所示），“线下”课程包括：材料的力学性能实验、经典公式定理验证实验和力学分析测试实验等内容，旨在帮助学生掌握基本理论和知识，并初步掌握工程力学实验的专业技能。“线上”课程既包括线下课程的虚拟镜像，又包括实验方法概述、实验数据处理方法、创新实验指南等内容。课前学生通过虚拟实验熟悉实验仪器的使用方法和实验的操作流程，课后还可以通过多次重复实验达到深入理解原理、掌握实验操作技能的目的。

图2 立体化工程力学验证性实验课程内容改革

（二）综合设计型工程力学实验内容改革

在现阶段本科教学过程中，科技创新活动是培养和体现大学生创新能力和创新成果的有效途径，各高校对此类活动也比较重视。因此，在对工程力学综合设计实验内容的改革中要以“周培源力学竞赛”、大学生课外科技活动、大学生创新创业计划等活动为抓手，开发具有综合性、创新性和实践性的工程力学实验模块（如图3所示），通过科学规范的培养与训练，提高学生的创新意识和创新能力。通过这一层次实验教学内容的实施，培养学生独立提出问题、分析问题和解决问题的能力，强化他们对基础知识的理解和综合应用能力，充分挖掘学生的创新潜能、调动学习的主动性和积极性。

图3 工程力学综合设计实验内容改革

（三）科学研究型工程力学实验内容改革

研究型工程力学实验课程是体现“新工科”课程建设中探索性、创新性与难度的重要体现。但研究型工程力学实验必须有一定精度仪器设备以及具有较高学术造诣的指导教师作保障，并且有的实验内容需要长时间的测量与记录，因此在旧的实验教学系统中很难保证学时的要求。在新的教学体系中，通过开放实验室和网络预约实验等手段，将工程实际问题如：“螺栓健康监测”、“地下管道冲击检测”、“螺栓松动监测”等设计成实验项目模块，并在课前通过慕课微视频将实验要求与研究任务布置给学生，学生根据实验要求自主设计实验方案，进行研究性实验，并从实验结果中提炼总结科学结论，如图4所示。

图4 研究型工程力学实验内容改革

四、结语

培养具有扎实的工程实践能力、突出的创新能力、宽广的国际视野以及具有发现问题、解决复杂工程问题能力的工程技术人才是本科高等学校“新工科”建设的目标。实验作为培养未来工程师创新实践能力的重要手段，必须适应本科教学改革和产业对人才的需求。本文在分析现有工程力学教学体系中存在问题的基础上，提出“三三二一”的工程力学教学体系，并在此体系下探讨了基础验证、综合设计和科学研究三个层次教学内容的改革实施方式。工程力学实验教学改革不是一蹴而就的，尽管本文在此方面进行了有益的探索，但仍需要在教学实践中不断发现和总结新问题，才能不断提高工程力学实验教学质量，培养出符合新时代需求的卓越创新人才。

[参考文献]

[1] 章小峰, 杨胤. 工程教育专业认证与“新工科”建设背景下的特色专业发展[J].中国冶金教育, 2019(4): 77-82.

[2] 孙如军, 李泽, 孟德华. 新工科背景下应用型人才培养模式研究[J]. 黑龙江教育（高教研究与评估版）, 2021(3): 51-53.

[3] 郭勇. 信息化背景下的工程力学教学改革措施[J]. 高教学刊, 2019(14):124-126.

[4] 闫小青, 张纯, 黄模佳, 等. 卓越工程师培养目标下的“工程力学实验”教学改革与实践[J]. 实验技术与管理, 2013, 30(9): 177-180.

[5] 王建祥,苏枋,葛倚汀. 工程力学实验教学的改革与探索[J]. 实验技术与管理, 2010, 27(1): 130-133.

[6] 曲淑英, 周志新, 吴江龙, 等. 工程力学虚拟仿真实验教学中心资源建设[J]. 实验室研究与探索, 2017, 36(12): 172-175.

[7] 王卫国. 虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J]. 实验室研究与探索, 2013, 32(12): 5-8.

Reform and Practice of Engineering Mechanics Experiment Teaching for New Engineering

Shao Junhua, Liu Xiang, Wang Lei, Zhang Zelin Cao Jianhua

(Wuhan University of Science and Technology, College of Science, Hubei Province Engineering Mechanics Experimental Teaching Demonstration Center 430056;Wuhan University of Science and Technology Engineering Training Center Wuhan 430056;Wuhan University of Science and Technology Institute of Mechanical Automation (Wuhan 430081)

Absrtact: engineering mechanics is a basic subject with strong combination of theory and practice and close relationship with engineering technology. Experimental teaching is one of the indispensable contents. However, the current experimental teaching system and content of engineering mechanics can not meet the needs of cultivating diversified and innovative talents in engineering science and technology under the background of "new engineering subject ". On the basis of deeply analyzing the existing problems of engineering mechanics experiment teaching system and content, this paper puts forward a new system of engineering mechanics experiment teaching of "three three two one ", and discusses the construction scheme and implementation way of teaching content on this basis.

 Keywords: New Engineering; Engineering Mechanics; Experimental Teaching; Teaching Reform