新工科背景下工程力学实验课程虚拟仿真实验平台建设

杨昌玉，王雪，房学谦

（1.石家庄铁道大学工程力学系，河北石家庄 050043；2.河北工程技术学院土木工程学院，河北石家庄 050091）

为能更好地应对新一轮科技革命和产业变革，2017年，教育部推动新工科建设，形成了“复旦共识”“天大行动”以及“北京指南”三部曲，为下一步高校新工科建设指明了方向[1-3]。在国家政策的引导下，各高校结合本校学科特点进行行之有效的新工科建设，为学科建设和人才培养夯实了基础[4-6]。在这些教育教学模式的研究与变革中，实验教学方面表现得尤为突出[7-9]。

作为一门有较强应用性并与工程实践紧密结合的课程，工程力学实验课程重点培养学生的动手能力、创新能力以及综合分析实际问题的能力[10-11]。该课程是工科类土木、机械、交通、材料等工科专业重要的实践类必修课程之一，为培养学生解决实际工程问题能力提供了一条实践探索的新思路，是新工科人才培养的重要手段。《教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知》将新工科研究与实践分为工程教育的新理念、学科专业的新结构、人才培养的新模式、教育教学的新质量、分类发展的新体系五部分内容。本文基于新工科理念在实践类课程中的指导思想，将工程力学实验课程通过虚拟仿真实验平台进行讲授，为工程力学实验课程提供明确的概念架构，并培养学生采用力学知识解决复杂工程实际问题的创新性能力。

在考查工程力学实验课程整个教学过程后，结合新工科的要求，促进工程力学实验课程围绕培养学生解决实际工程问题能力的要求，发挥学生主动性、创造性的学习精神，我们将工程力学实验课程的所有内容，包括基础实验、演示实验和创新实验，整理至虚拟仿真实验平台。针对新工科对实验课程的要求，设计不同的教学方案，在以学生为中心教育理念的支持下，改革课程考核机制，提出新工科背景下工程力学实验课程教学模式改革的新方向。

1 工程力学实验教学存在的问题

参照新工科对高等教育实践类课程的要求，结合工程力学实验教学的具体情况，发现目前的实验课程教学存在以下问题：

1.1 教学内容有待更新

工程力学实验课程是一门注重将工科力学基础知识运用到实际问题解决中的课程，目前工程力学实验课程教学内容一直以基础性实验为主，实验内容过于简单，在《中国制造2025》、智能制造等大背景下，其教学内容无法满足社会发展的需求[12]。同时，在教学中学生被动接受知识，教师单向传授知识，学生创造性精神的培育不足，因此难以达到新工科背景对新时代工程师的要求，教学内容亟须进一步更新。

1.2 教学模式单一

在教学模式方面，工程力学实验课程多采用传统的教学方式。在这种教学模式下，教师会首先向学生介绍实验的基本原理并演示具体的操作步骤，学生则依据教师指导完成实验。实验课结束后，学生按照要求处理数据、误差分析并完成实验报告，通过整个实验过程，实现对操作技能、实验原理的深入理解[13]。在这种教学范式中学生缺乏预习课程环节，实验课程注重实验步骤和流程的讲解，课程以教师讲授为主，是一种典型的灌输式教学方法[14]。从整体来看，这种单一的教学模式导致学生被动接收新知识，限制了学生主观能动性的发挥。此外，学生在课堂上学习任务多、时间紧，学生实验参与度不高，难以为将来工程实践操作打下良好基础。

1.3 课程考核机制单一

在课程考核方面，以期末考试成绩为主，考核方式为闭卷考试，考试内容注重理论知识。这就导致学生更注重理论知识的学习，最终成绩不能全面评价学生实验操作能力、实验报告撰写能力和开拓创新精神，因此与新工科背景下的人才培养目标不契合。此外，传统考核方式过于重视学生对理论知识的掌握。

基于以上问题，为优化工程力学实验教学，满足学生需求，我们采用建设虚拟仿真平台的形式来完成工程力学实验课的更新，以适应新工科背景下实践类课程的要求。

2 虚拟仿真实验平台的建设

2.1 虚拟仿真实验平台的建设思路

随着信息技术的进步和高等学校实验教学要求的提升，在新工科背景下将虚拟仿真实验平台运用于工程力学实验课程建设中，可以将传统实验教学模式下在课堂中进行的知识传授转移到虚拟平台上进行，同时在课堂上实现知识内化。通过实验平台的构建，试图实现新工科要求的理念的转变，从以“学科为本，教师为主”转为以“学生为本”，从以“传授知识”转向“提升素质”，从“以教为主”转向“以学为主、教学相长”[15]。虚拟仿真实验平台，可弥补传统实验的不足，有效提升学生的创新精神与动手操作能力[16]。

2.2 虚拟仿真实验平台的组成与功能

虚拟仿真实验平台由三部分组成，一是实验准备与检查系统，二是实验教育系统，三是综合考核系统。实验准备与检查系统是为了将教学内容以图片、视频、文件的形式上传到虚拟仿真平台中，并在平台上完成课程设置、课堂检测、实验模拟等项目。同时实时检查学生在系统中的实验完成情况并给出相应建议。实验教育系统是虚拟平台的核心结构，采用模块化形式，将实验项目分类后展示在仿真平台上，根据不同专业、学科的教学大纲要求完成实验内容，学生在该模块下完成虚拟仿真实验教学内容。综合考核系统主要包括上课前的预习考查、上课时的实验操作考查和课堂测试部分，这是为了全面考查学生对实验内容的掌握程度而设置的。

2.3 虚拟仿真实验平台的优势

2.3.1 以学生为中心的授课体系

基于虚拟仿真实验平台，我们将工程力学实验课程体系分为三种实验：演示实验、基础实验和创新实验。教师会提前将本次实验的重难点内容视频上传到虚拟仿真平台，学生可根据实验相关知识点提前开展预习，完成平台设置的题目，以检验预习成效。实验开始时，学生先观看实验过程的讲解并可以随时提问，然后自主完成实验，实现对知识和实践环节的理解，在完成实验报告并由教师签字确认后结束本次实验课程。

2.3.1.1 演示实验设计

演示实验包括动态实验、冲击实验、疲劳实验。动态实验主要演示常见的工程结构在动态载荷作用下的特性、研究方法和运用，动态演示实验注重工程实例，从而对学生进行启发式教学。冲击实验主要介绍常见冲击实验的研究方法、实验过程和应用领域。疲劳实验主要介绍不同疲劳实验机的设备组成、加载原理、试件和疲劳实验许用应力的测定方法等。演示实验可以激发学生对实际实验方法的兴趣，调动学生的积极性，拓展学生在工程力学实验方向的知识面，探讨如何将工程力学实验知识应用于现实工程中。

2.3.1.2 基础实验设计

基础实验部分是工程力学实验课程重要的模块之一，此模块实验设计充分考虑学生的主体作用，以学生为中心，激发学生的求知欲和探求欲[17]。在该部分学习中，学生通过虚拟仿真实验平台，按照预习→测试→实验的步骤完成实验过程。整个教学过程分为四个环节，第一环节设置时长5 分钟，在此环节学生需要预习好当日要学习的课程，并在虚拟仿真平台上根据所预习内容和视频教学完成课前测试，测试结果只有达到70%以上的正确率才能进入下一环节。通过课程测试，能够帮助学生及时检验学习效果，了解预习环节出现的问题，进行查漏补缺。第二环节设置时长为15 分钟，在此环节学生需要参考预习效果进行要点回顾，在虚拟仿真实验平台上以视频的形式演示实验具体操作流程和注意事项，实验操作部分内容可反复观看。通过对演示实验的操作和注意事项的学习，帮助学生主动学习和探索新知识。根据不同学生的个性和特点，学生可用回放帮助理解记忆或者寻求教师进行针对性指导，避免理解得不透彻。第三环节时长为50 分钟，在此环节教师需要引导学生完成实验操作部分、原始数据处理、实验报告相关题目的解决等实验具体内容。第四环节时长为20 分钟，在此环节教师会针对在巡视学生实验操作过程中发现的问题进行指导解决，并对学生实验的完成情况进行统计和总结。学生通过第三、四环节可以在课堂完成实验报告，教师可以进行针对性指导，有效避免了报告同质化。

通过这些环节，学生可全面了解基础力学实验的设计原理、实验平台的使用方法。教师及时了解学生情况，为学生创造自主学习场景，提供个性化学习方案。

2.3.1.3 创新实验设计

为了进一步激发学生的创新能力，整个创新实验部分设立为两个不同类型的实验方案，即偏心拉伸实验和互动创新实验。这两个实验设计的侧重点不同。在偏心拉伸实验中，学生需要基于试件情况和实际工况要求，基于应变电测的要求设计实验方案，并以小组为基础完成应变计粘贴、方案设计、桥路选择、实验报告等内容，本项实验主要考查学生应变测量过程及撰写实验报告的能力。互动创新实验则注重培养学生的创新能力，学生通过自行设计实验、计算和撰写实验报告，以观察和解决实际工程问题，并且通过数值分析软件对实验结果进行模拟，分析实验结果与理论结果产生误差的原因。在创新实验中，教学课程以学生为主，教师不再是课堂的中心。课程设置为4 学时，第一阶段时长30 分钟，在此阶段教师采用启发式教学，不进行具体的实验指导，仅对学生要做设计的实验说明注意事项。第二阶段时长50 分钟，在此阶段要求学生以小组为单位进行模块化讨论并设计实验方案，学生需要在创新实验的要求下，结合工程设计一个创新性的实验方案。第三阶段时长10 分钟，学生提交设计好的实验方案，通过指导教师审核后即进入下一阶段。第四阶段90 分钟，教师全程辅助学生完成实验过程，学生完成数据和实验报告撰写后即可完成全部教学过程。创新实验培养了学生独立自主解决问题、分析问题的能力，激发了学生的学习兴趣和积极性。

2.3.2 多元化实验教学体系

我们在虚拟仿真实验平台设置了线上预习—>课堂检测—>平台观摩讲解实验—>学生依据讲解完成实验和实验报告的教学顺序体系，这种教学体系的设置考虑了学生能随时在虚拟仿真平台观看实验要点的要求，并针对具体问题与教师进行无障碍交流。整个过程采用标准的模块化教学，保证了每名学生的学习效果，教师可以进行针对性的指导。

在虚拟仿真实验平台上进行的工程力学实验课程教学是一种全新的教学模式，这种教学体系通过模块化处理，整个教学过程以平台讲解实验、学生完成实验为目的，实现了学生自主完成实验的目的。这种全新的方式培养了学生自主解决问题的能力，同时避免了传统线下实验课程分组完成实验导致的部分学生过于依赖动手能力强的学生，无法保证每名学生将实验内化等现象的发生。教师通过虚拟仿真实验平台的设置可以全方位了解学生的知识掌握及动手操作情况，进而有针对性地进行个性化教学指导。

2.3.3 虚拟仿真平台考核方式的改进

在虚拟仿真平台上，教师可针对不同的教学内容设置不同的考核内容。考核内容包括实验预习、实验报告、创新实验完成情况和期末考试，实现了考核方式的多样化。基础实验的预习环节结束后，学生需要完成课堂测试并达到70%以上正确率，方可进行实验。在工程力学实验教学试题库中，每名学生的题目和选项都为乱序排列，测试的题目兼顾知识的广度和难易度。测试的成绩将作为学生最终成绩的一部分，提高了学生的学习积极性和学习效率，为后面的实验课具体操作打下了良好的基础。

在虚拟仿真实验平台完成实验后，教师会依据实验课程教学、实验操作等项目，考查学生操作的规范性以及课堂参与讨论和现场提问等的情况，进行综合考查并打分。

创新实验环节主要通过小组讨论、试件加载、方案修改、报告撰写等内容对学生进行考查，同时基于学科发展趋势，教师提倡学生采用商业数值分析软件对设计实验进行有限元分析，该项目提升了学生的写作能力、实践能力以及创新能力，为学生将来工作打好基础。整个考核过程深入实验的每一环节，弥补了传统单一化考核方式的不足，使学生主动性明显提高，并注重每一环节的学习，有效提高了学生的动手能力、自主学习能力和创新能力。

3 结语

在新工科背景下，传统的工程力学实验课在教学内容、教学方式和考核形式等方面存在诸多问题。通过构建虚拟仿真实验平台，教学理念从传统的“以学科为本，以教师为主”转变为“以学生为中心”，教学内容从“传授知识”转变为“提升综合素质”，教学模式从“以教为主”转变为“倡导学生以问题为导向、积极思考、学会解决实际工程问题”[15]。基于虚拟仿真实验平台，实现了平台共享，通过发挥学生主观能动性，完成对整个实验的学习，培养学生利用工程力学实验思维解决问题的能力，实现了课程考核的多样化。