新工科建设中力学实验教学内容体系的优化设计

新工科建设中力学实验教学内容体系的优化设计

胡亚东1 ,赵晓军

兰州理工大学技术工程学院，甘肃省，兰州市， 730300

摘要：为解决新工科建设过程中不同工科专业学生对力学实验教学内容的差异化和层次化需求问题，针对不同专业课程体系需求、学生层次化需求、应用创新型人才培养需求，结合力学数值和虚拟实验教学方法，开展了力学实验教学内容的优化设计。 经过对力学实验课程教学内容体系的优化设计与教学实践，对新工科建设中力学实验教学效果的提高起到了积极作用，并通过国家级力学实验教学示范中心将该体系向国内高校进行了推广与辐射。

关键词：新工科；力学实验；教学内容；优化

前言：材料力学是工程力学、应用力学的学科基础课，包括实验和理论两个方面，理论是在实验观察的基础上去伪存真的结果，材料力学实验是材料力学课程教学的重要组成部分，实验和理论相辅相成。材料力学实验课程不仅训练学生的实验技能，使学生掌握材料力学实验的基本知识、实验方法和技术，而且培养学生科学严谨的创新思维能力，培养学生理论联系实际、分析和解决实际工程问题的能力，它对于培养学生的动手能力和创新精神起着非常重要的作用。

1依据学科课程体系优化实验教学内容

力学实验课程教学面向的学科主要包括：力学、机械、材料、土建、岩土工程、化工和能源等高等学校的工科专业，主要涉及理论力学、材料力学、工程力学、流体力学、振动力学和岩土力学等课程中的实验教学内容。当前力学实验课程的教学内容是建立在力学理论课的教学基础上的，主要是为了复现力学理论课程教学中的力学现象、力学过程或验证相关力学理论，基本不会考虑力学实验课程的教学内容同不同专业后续专业课间的关联性，忽视了新工科建设和发展过程中不同工科专业的学生在后续新兴专业课学习中对力学实验教学内容的真实需求。现以材料力学中关于测试材料应力-应变关系的实验内容为例，目前的实验教学内容体系中将低碳钢拉伸试验作为教学实验的标准内容，实验中包含杨氏模量的测定、观测弹性和塑性变形规律以及材料应力- 应变全程曲线的特征分析，通过该实验学生能直观地接触并掌握低碳钢类金属材料的变形特征。因此，低碳钢拉伸实验教学内容对机械类学科的学生非常适用，也能为后续机械设计类专业课程的学习打下扎实的力学基础。然而，对于土木、采矿、地质等学科的学生而言，学生在后续的专业课程学习以及今后的科学研究和工程实践中接触到的材料主要是煤、混凝土和岩石类材料，该类型材料的应力- 应变曲线及变形特征同低碳钢材料的应力- 应变曲线及变形特征存在巨大的差异性，尤其是煤、混凝土和岩石类材料抗压不抗拉的特性使得这种差异性更为突出；同时针对以上学科的材料力学教材中通常将压应力设为正值，这同低碳钢拉伸试验中规定的正应力方向刚好相反。因此，将低碳钢拉伸试验作为土木、采矿、地质等学科专业的力学实验教学内容，非常容易误导学生对岩石类材料变形特性的认识，并直接影响到学生对后续相关专业课内容的准确学习。力学实验教学示范中心在力学实验课程的教学内容体系优化设计过程中，针对土建、岩土工程、安全和采矿学科培养岩土及能源相关领域的人才需求，将应力- 应变关系测试实验内容中的低碳钢试件替换为煤和岩石试件，分别设计了岩石材料的拉伸和压缩实验内容。力学实验教学示范中心在充分研究了力学专业、机械类专业和岩土类专业对该类实验教学内容的差异化需求后，同相关学科的专业课教师进行了座谈与论证，依据不同学科课程体系对力学实验教学内容的差异化需求对该类实验内容进行了优化设计，并建设了相应的力学实验课程教材。优化后的实验教学内容满足了新工科不同专业对力学实验教学内容的需求，更满足了不同学科学生对实验教学内容的差异化需求，实现了力学实验教学内容同相关工科课程体系的紧密融合。

2加大实验经费投入

要取得材料力学实验教学改革的理想效果，必须加大实验经费的投入。材料力学实验教学需要购买更多、更先进的实验教学设备，包括实验测试设备和教学所用的多媒体设备等。除了国家教育部本身对实验设备有生均要求外，材料力学实验新的测试标准、测试方法、试件结构都要求有新的具备先进测试技术的实验设备才能完成。我院引进了多台微机控制电子万能试验机、微机控制扭转试验机、静态电阻应变仪等先进设备，新设备实验结果准确、误差少，实验效果较好。但伴随而来的问题是先进设备的价格相对昂贵，对于经费紧张的地方院校而言，如果投入经费有限，购买设备的数量有限，就会多人一组进行实验，就会减少学生真正动手的机会，从而出现“一人做、多人看”的现象。没有动手机会自然谈不上如何提升学生的各种能力、如何提高实验教学质量，那么也就失去了实验教学本身的意义。材料力学实验本身的损耗大，若要做好实验，需要大成本投入。一些验证性实验多为破坏性实验，试件都是一次性的，就算是最基本的拉伸、压缩、剪切和扭转这几个实验的力学性能指标测试的必做验证性实验的耗材每组都要七八十元，如果2人一组的话，全部学生做下来，成本是很大的，而且这还不包括其他的实验。当然，在耗损方面可以采取一些办法节约成本，如充分利用现代教育技术，放映多媒体课件、实验录像资料，或者通过模拟仿真完成演示实验，然后再多人一组做实质耗材性实验，这样可以较大幅度降低部分实验的成本，

而且先预演后实践的实验效果甚至更好。

3加强师资队伍建设

师资队伍建设也是改革的重要一环。事实上，要想在有限的实验课时内把材料力学实验课的作用发挥出来，真正让学生在实验中得到较好的锻炼，那么三种类型实验的整合就有赖于指导老师的精心编排，特别是综合设计型实验和创新提高型实验更是需要老师有更好的实验指导能力，需要老师花更多的时间和精力。虽然实验由学生来做，但实验内容的提炼与整合、教学手段和教学方法的不断改进、实验中工程实际的信息资料的引进及实验过程中需查阅的资料都需要指导老师来做实质性工作，而且在实验项目和实验方案都不确定时，老师要做的准备工作会更多，实验中的引导作用尤为重要。

4基于创新能力培养的实验教学方法

以研究型实验为载体，为学生搭建创新平台。在此过程中学生要对研究内容有深入了解，总结搜集信息，规划研究计划，执行实验流程，记录实验结果，剖析处理实验数据，最后以论文的形式呈现，也可以自主创新，通过不同的形式给出实验结果。这种实验研究既可以培养学生主动探索的精神，又能培养学生遇到难题时的处理能力。为了配合这种实验教学方法的实施，力学实验室研制和开发多种小型设备，包括“小型疲劳试验机”“一点应变花测量仪”和“积木式组合实验台”等。这些仪器的研制给学生创造了极大的遐想空间，使其充分发挥创造力，同时还能提高学生的实际操作能力。通过亲身对实验仪器的操作，学生的动手能力得到锻炼和提高，学生通过科学的分析和严密的逻辑推理来得到最终的实验结果，提升对实验研究的总结概括能力，其意义是培养学生的科研能力和对知识的综合利用能力。

结语：综上所述，力学实验教学内容体系优化设计，为切实提高我校新工科建设水平提供了改革与教学实践的新思路，同时该成果基于我校国家级力学实验教学示范中心平台向国内的部分高校进行了成功的推广与辐射。

参考文献：

[1]王建祥,牧振伟,苏枋. 工程力学实验教学设计与实践[J]. 实验技术与管理,2012,29(03):160-162.

[2]欧阳思洁,钱灿荣. 材料力学实验教学改革实践与思考[J]. 实验科学与技术,2012,10(04):79-81.

基金项目：2019年甘肃省高等学校创新能力提升项目（2019A-187）；2019年甘肃省高等教育教学成果培育项目（205）

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