土木专业基础力学实验教学改革及实施探讨★

曹小建 金 江 丁华建

(南通大学交通与土木工程学院，江苏 南通 226019)

对土木工程专业来说，基础力学实验是相关课程中的重要一环。实验课程可以演示及论证力学理论，建立直观的理论与实际结合的范例，有助于学生对力学知识点的深入理解，这对学习基于力学知识体系的后续课程非常重要。

国家在2010年推出的2010年—2020年中长期教育改革发展规划与人才发展规划两大纲要的基础上，提出了“卓越工程师教育培养计划”，意在为建设创新型国家及工业现代化积累专业基础人才。2015年国家提出第一个制造强国十年(2015年—2025年)战略“中国制造2025”。2016年我国加入“华盛顿协议”，本科工程学位实现国际互认；同一年“新工科”正式被提出，并迅速产生“复旦共识”“天大行动”“北京指南”，拉开了新工科建设的帷幕[1]。2017年，教育部提出开展示范性虚拟仿真实验教学(2017年—2020年)。面对这些随时代不断重叠变化的指导意见，基础力学实验教学在教学科研型高校土木工程专业中应该如何实施，如何紧跟时代步伐通过实验教学将理论联系实际，都是需要思考的问题。

1 基础力学实验教学中的现状

以作者工作所在南通大学(通大)为例，开设基础力学教学的专业除了土木、机械、环工、交通等，随着办学的多样化还包括附属三本院校及联合办学等部门的相关专业。各专业有自己的学科特点和教学要求，因此在教学环节分别构建了不同的基础力学课程体系；力学实验室建设涵盖了理论力学、材料力学和流体力学的相关内容，包含了动手实验和观摩实验。每学年在力学实验室的上课人次有数千人，配备的力学实验室管理教师仅1名，大部分力学任课教师在实验环节需要兼实验指导老师。讲授加实验这样的实验教学模式效率不高，需要分析和调整。

1)实验进行时理论基础普遍不扎实。近几年大学加强了人文学科培养及思想政治课程，另外根据前述文件大学课程中的实践教学环节，实验、测量、认知实习及工程训练等课时数基本保持，理论课程学时大都被压缩。比如原先58学时理论课+6学时实验课的材料力学课程现在降到42学时理论课+6学时实验课。本应该每次实验之前先对学生讲授实验理论知识，像材料力学实验相关的应变片桥路、平面应力分析、三种基本变形的应力、设备构造等都需要时间介绍。但因为实验设备日程安排紧凑，常存在理论知识的滞后，若学生未提前预习加之实验后不及时深入巩固，更是达不到实验课的教学目的。

2)实验少降低了力学学习及思考的积极性。黄再兴等[2]通过对比国内外工科专业的力学课程设置，发现15年前国内力学课程学分占比约为6.4%，国外土木专业力学学分占比基本在12%左右。而且从力学课程开设上，国外高校机械和土木专业除了理论力学、材料力学和流体力学的必修课外，还突出了弹性力学。国内现在大部分工科专业仅开设理论力学和材料力学，有些干脆合为一门工程力学课程。学分比例上力学的学分比例偏低，理论力学和材料力学总比例低于5%，不到国外的一半；算上结构力学和弹性力学也不超过9%[3]。南通大学土木专业还要学习结构力学、流体力学两门基础力学课，弹性力学在几年前的课程调整中已经删减了。涉及到实验教学需要动手的主要是材料力学和流体力学，分别占大约6学时～8学时；理论力学有部分观摩实验，通常机动进行；土力学是土木工程专业教师指导实验，其实验课现状跟其他力学实验课类似，故合并讨论。力学本身为公认的难学课程，动手机会的削减更会降低学生的学习兴趣。整体来说，南通大学基础力学实验室硬件建设上已取得较大成绩，如何充分利用是当前要思考的问题。

3)实验内容主要是传统实验，需要融入创新点。已开设的力学实验大都是验证实验，像材料力学的弯曲正应力、弯扭组合、弹性模量的测定、低碳钢的拉压等实验，流体力学的孔板流速测定、沿程水头损失、雷诺实验等。学生按照实验指导书的步骤进行操作就可以得到预定的结果，对培养学生的自主思考和创新能力不利。这些实验是必要的，但是全中国几乎所有开设了材料力学课程和流体力学课程的学校都可以进行相关的实验。反而随着人工智能、3D打印、纳米科技、新材料等的进步，似乎在实验内容和形式上也需要跟紧技术前进的步伐，让土木专业毕业生能尽快适应社会需求。大连理工大学通过开设一些研究创新型实验，取得了较好的教学效果。其中包括了焊接缺陷损伤、残余应力和结构损伤等的检测[4]，另外还面向学生创新实践开放实验室，值得借鉴。通大历年为参加实验力学竞赛和结构创新大赛而购置的实验装置大多闲置，也造成了资源浪费。

2 基础力学实验教学改革探讨

以就业率为导向的培养目标指引下，高校引入专业淘汰机制后，提升毕业生专业素养需要让学生能思考实际问题、提出解决方案并动手实施。基础力学实验活学活用，结合理论基础，能够帮助解决生产过程中的很多问题，这也是2010年后全国基础力学实验竞赛开展的初衷。基础力学实验在高校教学过程中还是要坚持开展、保证学时、强调效果、努力创新。拟采取的改革方案见图1。

1)实验室日程安排紧凑的情况下，可在教学内容的次序上稍作调整。比如说材料力学课本通常会按拉压、扭转、弯曲内力、弯曲应力、弯曲变形、应力状态和强度理论、组合变形等顺序来安排章节。若所有班级都按部就班地照顺序讲，就会存在所有班级短期内均需要使用实验室而造成时间冲突。而拉压、扭转、弯曲三种状态本身理论体系较独立，在讲完截面法后，讲授顺序是可以调整的。教研室内部实施时，可按教师人数1/3来分，错峰教学。弯扭组合实验涉及到的知识点较多，课本组合变形章节又存在拉弯扭、偏心受压等涉及拉压的内容，就需要在小章节顺序上再适当调整了。在课堂上先普及实验理论知识再让学生动手操作，普遍反响良好。流体力学本身开班数较少，教学过程中不需要大调整。一些观摩实验通常是在实验室结合模型即时讲授，再结合实例加深理解。

2)当下微课、互联网+教学等层出不穷，力学实验课也可以结合这些手段积累微视频来实施课下学习。21世纪不光是信息技术的时代，当下更是要进一步发展人工智能。学生们日常生活中已离不开智能手机或平板电脑，获取信息的渠道远非20年前可比。微课立足于微视频，近几年如火如荼地开展起来了。基础力学实验主要内容重复率较高，完全可以考虑采用10 min以内的微视频来实践课前预习和课后复习。录制专任老师讲解各实验操作的视频，通过网络分发时只配送任课老师自己的视频给学生即可，保证该课程的连续性和完整性。微视频辅助教学因为涉及的内容对学生来说较有趣，学起来轻松。这可以解决课程课时减少的问题，同时也不会给学生太多负担。嘉兴学院尝试进行的力学实验微视频教学实践取得了较好效果，说明其具有可行性[5]。

3)授课中可补充力学实验竞赛和老师的科研课题中涉及的力学内容。全国基础力学实验竞赛从2010年至今已举办过几届了。作者也担任过两次江苏省基础力学实验竞赛指导老师。竞赛内容分为笔试部分和动手实验部分。普通高校教学中，常略过弯曲中心、形心主轴、对形心主轴的惯性矩这些概念，而这些内容又会出现在实验力学竞赛中。所以参加实验力学竞赛的学生需要先补充这些知识点。另外，竞赛的题目常涉及异形截面、非常规加载、多样的材料，对学生来说是很好的锻炼与提高的机会，能借此深入体会理论和实践如何联系。力学实验教学中也可以适当将这部分内容分段做成微视频，起到启发学生思考的作用，让他们明白怎么样学以致用；同时能丰富力学实验的内容，提升学习兴趣。任课教师还可以结合自己的科研课题，讲授中普及新材料力学性能、多样的加/承载方式、构件设计、流固耦合、结构振动、结构选材等，引导学生进入老师所进行的实验相关力学环节，既活跃课堂又巩固力学知识。有些能力强的学生还可以提前融入老师的科研团队，尽早开发科研潜力。另外大学生创新训练每年都会开展，适当开放实验室为学生提供实验条件也能一举多得。

4)合理利用结构创新大赛的装置开展结构力学拓展实验。南通大学先后参加过多届江苏省结构创新大赛，积攒下不少赛题、配套装置及耗材。配套装置体型不小、设计灵活，有较大的发挥空间，若仅是当届学生校内选拔或练习使用后就闲置，实属浪费。随着专业基础课程学时的减少，结构力学上机课已取消，学生对该课程的普遍反映是印象不深。大部分同学在进入钢结构、结构抗震、桥梁设计等课程学习时，需要回顾结构力学。课堂上可以利用这些竞赛装置和模型，展现荷载的合理分配、结构的优化设计等，寓教于乐，一举多得。

3 总结与讨论

力学课程相对枯燥，但是力学实验课是一味很好的调剂方子，学生普遍对基础力学实验课程充满好奇和兴趣。通过力学实验课程积极引导土木专业学生思考并利用力学知识解决实际问题，让他们毕业后能尽快适应工作需求，是值得实践并改革的课题。这需要教学中不拘泥于课本知识、保证动手之前已有理论基础、提供充分的课后力学实验相关资料。学生也应该积极动手、主动学习。教与学两方面加强互动，才能提高基础力学实验课程的效率。在重视实践教学的大环境下，更应牢牢把握基础力学实验课程，在形式和内容上不断改革创新，培养高素质人才来服务社会。当下新冠疫情横行，南通大学基础力学试验教学是通过微视频加理论的方式来完成。这也算是做到了改革方案中的一条，今后教学中应增加竞赛或老师科研试验相关微视频，为疫情期间的基础力学试验教学加点味。