李 勇 羅亞軍 許 丁

（西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院 陜西·西安 710049）

“結(jié)構(gòu)設(shè)計與測試實踐”是我校工程力學(xué)專業(yè)本科大三、大四學(xué)生必修的集中實踐課程之一。該課程結(jié)合工程力學(xué)學(xué)科特點，通過系列實驗和實踐，使學(xué)生有效掌握無損檢測系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化及工程實際服役結(jié)構(gòu)缺陷的檢測和評估方法，了解動力學(xué)響應(yīng)測試實驗的基本原理，熟悉相關(guān)的實驗系統(tǒng)的操作方法以及實驗數(shù)據(jù)的簡單分析方法和相關(guān)參數(shù)的識別分析，同時培養(yǎng)學(xué)生將流體力學(xué)理論知識應(yīng)用到分析實際建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)載荷、風(fēng)噪聲等的能力。與偏重理論授課的專業(yè)課程不同，“結(jié)構(gòu)設(shè)計與測試實踐”是一門“實驗教學(xué)為主、理論教學(xué)為輔”的實踐課程，有顯著實踐性，可為培養(yǎng)掌握工程結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計、測試和科學(xué)研究等方面專業(yè)知識與技能，能在工程結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計技術(shù)應(yīng)用等領(lǐng)域工作，具有國際視野和競爭力的復(fù)合型高級專門人才提供有力支撐。

傳統(tǒng)實驗教學(xué)諸如“實驗教學(xué)是理論教學(xué)的輔助”的思想，大大弱化實驗教學(xué)的重要性，不利于在“大工科”背景下對工程力學(xué)專業(yè)學(xué)生的實踐能力培養(yǎng)。傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式較為單一、教條，教學(xué)目標薄弱、過于形式化，教學(xué)效果僅能在學(xué)生對實驗儀器操作以及實驗步驟感性認識方面得到反映，對學(xué)生實踐動手能力培養(yǎng)嚴重匱乏。基于傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式的“結(jié)構(gòu)設(shè)計與測試實踐”實驗教學(xué)勢必造成所培養(yǎng)學(xué)生無法有效滿足當今社會對工程力學(xué)專業(yè)人才的要求。因此，本文將在分析傳統(tǒng)實驗教學(xué)在“結(jié)構(gòu)設(shè)計與測試實踐”實驗教學(xué)中所存在問題的基礎(chǔ)上，結(jié)合混合式教學(xué)模式，探索該課程的實驗教學(xué)新模式，可為高等院校實踐課程教學(xué)提供一定借鑒。

1 傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式存在的問題

“結(jié)構(gòu)設(shè)計與測試實踐”的實驗教學(xué)初期采用傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式。在具體實施過程中，教師首先對測試對象、實驗儀器進行一般性介紹，繼而演示具體實驗步驟，學(xué)生在觀摩演示實驗后按課程實驗手冊所述步驟采用已制備好的實驗工具/探頭等進行實驗，在獲取實驗結(jié)果/數(shù)據(jù)后，采用實驗手冊中的分析方法，分析數(shù)據(jù)并對照手冊中典型分析結(jié)果，完成實驗報告主要內(nèi)容涉及的結(jié)果分析和討論。通過后期對學(xué)生實驗報告和期末理論測驗情況的綜合研判發(fā)現(xiàn)，在這種教學(xué)模式下，學(xué)生傾向于對所觀摩的演示實驗進行單純的“重復(fù)”，缺乏對實驗方法物理原理、實驗數(shù)據(jù)處理相關(guān)理論及方法等方面的深層思考。同時，由于實驗工具/探頭已先期制備好，無需學(xué)生進行結(jié)構(gòu)設(shè)計、優(yōu)化及制作，教學(xué)過于突出“測試實踐”而弱化了“結(jié)構(gòu)設(shè)計”，因此尚未有效達成培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力的教學(xué)預(yù)期效果。

圖1 “服役金屬構(gòu)件的渦流檢測”實驗教學(xué)線上資源“渦流檢測理論講解及實驗演示視頻”

圖2 渦流探頭設(shè)計軟件及結(jié)果、學(xué)生制備的渦流檢測探頭

初期基于傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式的“結(jié)構(gòu)設(shè)計與測試實踐”實驗教學(xué)無法圓滿完成設(shè)定的實驗教學(xué)目標。同時，“教師與學(xué)生面對面授課”的課堂式教學(xué)模式過于單一，易造成學(xué)生喪失必要的學(xué)習(xí)興趣及應(yīng)有的重視而僅“為取得實踐課程學(xué)分而進行實驗”，未能有效掌握本課程涉及的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法、測試手段、數(shù)據(jù)分析算法等核心知識點。初期的課程實驗教學(xué)環(huán)節(jié)及教學(xué)效果未能有效支撐相關(guān)理論教學(xué)內(nèi)容。

2 “結(jié)構(gòu)設(shè)計與測試實踐”混合式實驗教學(xué)的探索

鑒于前期發(fā)現(xiàn)的問題，為有效提升“結(jié)構(gòu)設(shè)計與測試實踐”實驗教學(xué)效果，本文以服役結(jié)構(gòu)無損檢測實驗項目“服役金屬構(gòu)件的渦流檢測”為例，結(jié)合混合教學(xué)模式，開展了新實驗教學(xué)方法的探索。

混合式教學(xué)是在線教學(xué)和傳統(tǒng)課堂教學(xué)相結(jié)合的先進教學(xué)模式，線上教學(xué)資源的建立和完善是達成混合式教學(xué)目的的前提。針對“服役金屬構(gòu)件的渦流檢測”實驗項目，本課程教師著力面向?qū)W生建設(shè)了相關(guān)線上資源，包括渦流探頭設(shè)計軟件（TEDDY）使用講解和應(yīng)用實例、渦流檢測理論講解及實驗演示視頻、測驗題及解答等模塊，學(xué)生可在實驗前后對實驗相關(guān)理論和方法進行預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)，在制作渦流檢測探頭前利用探頭設(shè)計軟件對其進行結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化，了解實驗步驟及理論要點。學(xué)生亦可在實驗完成后利用線上資源，結(jié)合實測信號，深入分析金屬構(gòu)件裂紋等典型損傷對檢測探頭阻抗信號的影響規(guī)律，夯實服役金屬構(gòu)件渦流檢測的核心知識要點。值得一提的是，“渦流檢測理論講解及實驗演示視頻”是“服役金屬構(gòu)件的渦流檢測”實驗項目線上資源的核心，在制作過程中，綜合考慮了工程力學(xué)專業(yè)學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)和水平，在參考理論教學(xué)用PPT 及知識要點基礎(chǔ)上，對在線授課腳本進行了重新編制，刪除了無損檢測介紹等一般性知識內(nèi)容，聚焦于金屬構(gòu)件的渦流檢測，將其作為在線授課腳本的核心內(nèi)容，突出在線授課所涉及的知識點及動畫演示等。對在線授課的文本和動畫、音頻、視頻三部分素材進行了編輯/錄制，參照授課腳本，錄制授課音頻和視頻。為加強授課內(nèi)容呈現(xiàn)效果，采用Windows VideoEditor 對所采集音頻和視頻進行高效融合，配合授課文本和動畫演示，利用Camtasia Studio 的組合和美化編輯，最終完成并導(dǎo)出授課素材，如圖1 所示。本課程線上教學(xué)資源的建立，有效提升了學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性，打破了傳統(tǒng)實驗教學(xué)易造成的“被動學(xué)習(xí)”問題，可實現(xiàn)對學(xué)生協(xié)作能力和實踐能力的同時高效培養(yǎng)。

在線下教學(xué)環(huán)節(jié)中，配合線上教學(xué)，結(jié)合工程實際中檢測問題，設(shè)定了三個實驗子任務(wù)：（1）渦流檢測探頭的設(shè)計及制備；（2）服役金屬構(gòu)件裂紋的渦流檢測；（3）服役金屬構(gòu)件厚度減薄損傷的渦流檢測。在線下教學(xué)前將上述子任務(wù)通過線上平臺發(fā)布給各實驗小組。在獲得任務(wù)后，小組成員利用理論教學(xué)環(huán)節(jié)掌握的專業(yè)知識、渦流檢測相關(guān)國家/國際標準、探頭設(shè)計軟件等，以“自主學(xué)習(xí)-討論-完善-確定”的模式最終完成各任務(wù)的解決途徑和詳細方案。在線下實驗中，學(xué)生首先參考通過探頭設(shè)計軟件確定的渦流探頭最優(yōu)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，制備實驗用渦流檢測探頭（如圖2 所示），配合LCR 表，對預(yù)制試塊的裂紋和厚度減薄損傷進行渦流探傷，獲取對應(yīng)阻抗信號，結(jié)合已知的損傷參數(shù)，建立阻抗信號與試塊損傷參數(shù)的映射關(guān)系曲線（如圖3 所示），基于所獲映射關(guān)系曲線分析得到阻抗信號特征對金屬構(gòu)件損傷參數(shù)的響應(yīng)規(guī)律。這種“自發(fā)學(xué)習(xí)、集中討論、實際制備和操作、綜合分析及討論”的“線上”和“線下”相結(jié)合的混合式教學(xué)模式有效培養(yǎng)了學(xué)生在工程結(jié)構(gòu)分析、優(yōu)化設(shè)計、檢測/測試等方面專業(yè)知識與技能。

圖3 實驗獲取檢測信號及其與樣件損傷參數(shù)間的映射關(guān)系曲線

3 結(jié)語

鑒于傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式在我校工程力學(xué)專業(yè)集中實踐課程“結(jié)構(gòu)設(shè)計與測試實踐”實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中存在的問題，本文以服役結(jié)構(gòu)無損檢測實驗項目為例，將混合式教學(xué)模式引入實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中，對這種新模式進行了探索。教學(xué)成效表明這種實驗教學(xué)新模式可有效激發(fā)學(xué)生的自發(fā)學(xué)習(xí)，有效培養(yǎng)學(xué)生實踐、團隊協(xié)作以及解決實際工程問題的能力，對“大工科”背景下工程力學(xué)專業(yè)學(xué)生的轉(zhuǎn)型培養(yǎng)起到了支撐作用。