曹小建 金 江 丁華建

(南通大學(xué)交通與土木工程學(xué)院，江蘇 南通 226019)

對土木工程專業(yè)來說，基礎(chǔ)力學(xué)實(shí)驗是相關(guān)課程中的重要一環(huán)。實(shí)驗課程可以演示及論證力學(xué)理論，建立直觀的理論與實(shí)際結(jié)合的范例，有助于學(xué)生對力學(xué)知識點(diǎn)的深入理解，這對學(xué)習(xí)基于力學(xué)知識體系的后續(xù)課程非常重要。

國家在2010年推出的2010年—2020年中長期教育改革發(fā)展規(guī)劃與人才發(fā)展規(guī)劃兩大綱要的基礎(chǔ)上，提出了“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，意在為建設(shè)創(chuàng)新型國家及工業(yè)現(xiàn)代化積累專業(yè)基礎(chǔ)人才。2015年國家提出第一個制造強(qiáng)國十年(2015年—2025年)戰(zhàn)略“中國制造2025”。2016年我國加入“華盛頓協(xié)議”，本科工程學(xué)位實(shí)現(xiàn)國際互認(rèn)；同一年“新工科”正式被提出，并迅速產(chǎn)生“復(fù)旦共識”“天大行動”“北京指南”，拉開了新工科建設(shè)的帷幕[1]。2017年，教育部提出開展示范性虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)(2017年—2020年)。面對這些隨時代不斷重疊變化的指導(dǎo)意見，基礎(chǔ)力學(xué)實(shí)驗教學(xué)在教學(xué)科研型高校土木工程專業(yè)中應(yīng)該如何實(shí)施，如何緊跟時代步伐通過實(shí)驗教學(xué)將理論聯(lián)系實(shí)際，都是需要思考的問題。

1 基礎(chǔ)力學(xué)實(shí)驗教學(xué)中的現(xiàn)狀

以作者工作所在南通大學(xué)(通大)為例，開設(shè)基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)的專業(yè)除了土木、機(jī)械、環(huán)工、交通等，隨著辦學(xué)的多樣化還包括附屬三本院校及聯(lián)合辦學(xué)等部門的相關(guān)專業(yè)。各專業(yè)有自己的學(xué)科特點(diǎn)和教學(xué)要求，因此在教學(xué)環(huán)節(jié)分別構(gòu)建了不同的基礎(chǔ)力學(xué)課程體系；力學(xué)實(shí)驗室建設(shè)涵蓋了理論力學(xué)、材料力學(xué)和流體力學(xué)的相關(guān)內(nèi)容，包含了動手實(shí)驗和觀摩實(shí)驗。每學(xué)年在力學(xué)實(shí)驗室的上課人次有數(shù)千人，配備的力學(xué)實(shí)驗室管理教師僅1名，大部分力學(xué)任課教師在實(shí)驗環(huán)節(jié)需要兼實(shí)驗指導(dǎo)老師。講授加實(shí)驗這樣的實(shí)驗教學(xué)模式效率不高，需要分析和調(diào)整。

1)實(shí)驗進(jìn)行時理論基礎(chǔ)普遍不扎實(shí)。近幾年大學(xué)加強(qiáng)了人文學(xué)科培養(yǎng)及思想政治課程，另外根據(jù)前述文件大學(xué)課程中的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，實(shí)驗、測量、認(rèn)知實(shí)習(xí)及工程訓(xùn)練等課時數(shù)基本保持，理論課程學(xué)時大都被壓縮。比如原先58學(xué)時理論課+6學(xué)時實(shí)驗課的材料力學(xué)課程現(xiàn)在降到42學(xué)時理論課+6學(xué)時實(shí)驗課。本應(yīng)該每次實(shí)驗之前先對學(xué)生講授實(shí)驗理論知識，像材料力學(xué)實(shí)驗相關(guān)的應(yīng)變片橋路、平面應(yīng)力分析、三種基本變形的應(yīng)力、設(shè)備構(gòu)造等都需要時間介紹。但因為實(shí)驗設(shè)備日程安排緊湊，常存在理論知識的滯后，若學(xué)生未提前預(yù)習(xí)加之實(shí)驗后不及時深入鞏固，更是達(dá)不到實(shí)驗課的教學(xué)目的。

2)實(shí)驗少降低了力學(xué)學(xué)習(xí)及思考的積極性。黃再興等[2]通過對比國內(nèi)外工科專業(yè)的力學(xué)課程設(shè)置，發(fā)現(xiàn)15年前國內(nèi)力學(xué)課程學(xué)分占比約為6.4%，國外土木專業(yè)力學(xué)學(xué)分占比基本在12%左右。而且從力學(xué)課程開設(shè)上，國外高校機(jī)械和土木專業(yè)除了理論力學(xué)、材料力學(xué)和流體力學(xué)的必修課外，還突出了彈性力學(xué)。國內(nèi)現(xiàn)在大部分工科專業(yè)僅開設(shè)理論力學(xué)和材料力學(xué)，有些干脆合為一門工程力學(xué)課程。學(xué)分比例上力學(xué)的學(xué)分比例偏低，理論力學(xué)和材料力學(xué)總比例低于5%，不到國外的一半；算上結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)也不超過9%[3]。南通大學(xué)土木專業(yè)還要學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)兩門基礎(chǔ)力學(xué)課，彈性力學(xué)在幾年前的課程調(diào)整中已經(jīng)刪減了。涉及到實(shí)驗教學(xué)需要動手的主要是材料力學(xué)和流體力學(xué)，分別占大約6學(xué)時～8學(xué)時；理論力學(xué)有部分觀摩實(shí)驗，通常機(jī)動進(jìn)行；土力學(xué)是土木工程專業(yè)教師指導(dǎo)實(shí)驗，其實(shí)驗課現(xiàn)狀跟其他力學(xué)實(shí)驗課類似，故合并討論。力學(xué)本身為公認(rèn)的難學(xué)課程，動手機(jī)會的削減更會降低學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。整體來說，南通大學(xué)基礎(chǔ)力學(xué)實(shí)驗室硬件建設(shè)上已取得較大成績，如何充分利用是當(dāng)前要思考的問題。

3)實(shí)驗內(nèi)容主要是傳統(tǒng)實(shí)驗，需要融入創(chuàng)新點(diǎn)。已開設(shè)的力學(xué)實(shí)驗大都是驗證實(shí)驗，像材料力學(xué)的彎曲正應(yīng)力、彎扭組合、彈性模量的測定、低碳鋼的拉壓等實(shí)驗，流體力學(xué)的孔板流速測定、沿程水頭損失、雷諾實(shí)驗等。學(xué)生按照實(shí)驗指導(dǎo)書的步驟進(jìn)行操作就可以得到預(yù)定的結(jié)果，對培養(yǎng)學(xué)生的自主思考和創(chuàng)新能力不利。這些實(shí)驗是必要的，但是全中國幾乎所有開設(shè)了材料力學(xué)課程和流體力學(xué)課程的學(xué)校都可以進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗。反而隨著人工智能、3D打印、納米科技、新材料等的進(jìn)步，似乎在實(shí)驗內(nèi)容和形式上也需要跟緊技術(shù)前進(jìn)的步伐，讓土木專業(yè)畢業(yè)生能盡快適應(yīng)社會需求。大連理工大學(xué)通過開設(shè)一些研究創(chuàng)新型實(shí)驗，取得了較好的教學(xué)效果。其中包括了焊接缺陷損傷、殘余應(yīng)力和結(jié)構(gòu)損傷等的檢測[4]，另外還面向?qū)W生創(chuàng)新實(shí)踐開放實(shí)驗室，值得借鑒。通大歷年為參加實(shí)驗力學(xué)競賽和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新大賽而購置的實(shí)驗裝置大多閑置，也造成了資源浪費(fèi)。

2 基礎(chǔ)力學(xué)實(shí)驗教學(xué)改革探討

以就業(yè)率為導(dǎo)向的培養(yǎng)目標(biāo)指引下，高校引入專業(yè)淘汰機(jī)制后，提升畢業(yè)生專業(yè)素養(yǎng)需要讓學(xué)生能思考實(shí)際問題、提出解決方案并動手實(shí)施?；A(chǔ)力學(xué)實(shí)驗活學(xué)活用，結(jié)合理論基礎(chǔ)，能夠幫助解決生產(chǎn)過程中的很多問題，這也是2010年后全國基礎(chǔ)力學(xué)實(shí)驗競賽開展的初衷。基礎(chǔ)力學(xué)實(shí)驗在高校教學(xué)過程中還是要堅持開展、保證學(xué)時、強(qiáng)調(diào)效果、努力創(chuàng)新。擬采取的改革方案見圖1。

1)實(shí)驗室日程安排緊湊的情況下，可在教學(xué)內(nèi)容的次序上稍作調(diào)整。比如說材料力學(xué)課本通常會按拉壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲內(nèi)力、彎曲應(yīng)力、彎曲變形、應(yīng)力狀態(tài)和強(qiáng)度理論、組合變形等順序來安排章節(jié)。若所有班級都按部就班地照順序講，就會存在所有班級短期內(nèi)均需要使用實(shí)驗室而造成時間沖突。而拉壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲三種狀態(tài)本身理論體系較獨(dú)立，在講完截面法后，講授順序是可以調(diào)整的。教研室內(nèi)部實(shí)施時，可按教師人數(shù)1/3來分，錯峰教學(xué)。彎扭組合實(shí)驗涉及到的知識點(diǎn)較多，課本組合變形章節(jié)又存在拉彎扭、偏心受壓等涉及拉壓的內(nèi)容，就需要在小章節(jié)順序上再適當(dāng)調(diào)整了。在課堂上先普及實(shí)驗理論知識再讓學(xué)生動手操作，普遍反響良好。流體力學(xué)本身開班數(shù)較少，教學(xué)過程中不需要大調(diào)整。一些觀摩實(shí)驗通常是在實(shí)驗室結(jié)合模型即時講授，再結(jié)合實(shí)例加深理解。

2)當(dāng)下微課、互聯(lián)網(wǎng)+教學(xué)等層出不窮，力學(xué)實(shí)驗課也可以結(jié)合這些手段積累微視頻來實(shí)施課下學(xué)習(xí)。21世紀(jì)不光是信息技術(shù)的時代，當(dāng)下更是要進(jìn)一步發(fā)展人工智能。學(xué)生們?nèi)粘Ｉ钪幸央x不開智能手機(jī)或平板電腦，獲取信息的渠道遠(yuǎn)非20年前可比。微課立足于微視頻，近幾年如火如荼地開展起來了?；A(chǔ)力學(xué)實(shí)驗主要內(nèi)容重復(fù)率較高，完全可以考慮采用10 min以內(nèi)的微視頻來實(shí)踐課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)。錄制專任老師講解各實(shí)驗操作的視頻，通過網(wǎng)絡(luò)分發(fā)時只配送任課老師自己的視頻給學(xué)生即可，保證該課程的連續(xù)性和完整性。微視頻輔助教學(xué)因為涉及的內(nèi)容對學(xué)生來說較有趣，學(xué)起來輕松。這可以解決課程課時減少的問題，同時也不會給學(xué)生太多負(fù)擔(dān)。嘉興學(xué)院嘗試進(jìn)行的力學(xué)實(shí)驗微視頻教學(xué)實(shí)踐取得了較好效果，說明其具有可行性[5]。

3)授課中可補(bǔ)充力學(xué)實(shí)驗競賽和老師的科研課題中涉及的力學(xué)內(nèi)容。全國基礎(chǔ)力學(xué)實(shí)驗競賽從2010年至今已舉辦過幾屆了。作者也擔(dān)任過兩次江蘇省基礎(chǔ)力學(xué)實(shí)驗競賽指導(dǎo)老師。競賽內(nèi)容分為筆試部分和動手實(shí)驗部分。普通高校教學(xué)中，常略過彎曲中心、形心主軸、對形心主軸的慣性矩這些概念，而這些內(nèi)容又會出現(xiàn)在實(shí)驗力學(xué)競賽中。所以參加實(shí)驗力學(xué)競賽的學(xué)生需要先補(bǔ)充這些知識點(diǎn)。另外，競賽的題目常涉及異形截面、非常規(guī)加載、多樣的材料，對學(xué)生來說是很好的鍛煉與提高的機(jī)會，能借此深入體會理論和實(shí)踐如何聯(lián)系。力學(xué)實(shí)驗教學(xué)中也可以適當(dāng)將這部分內(nèi)容分段做成微視頻，起到啟發(fā)學(xué)生思考的作用，讓他們明白怎么樣學(xué)以致用；同時能豐富力學(xué)實(shí)驗的內(nèi)容，提升學(xué)習(xí)興趣。任課教師還可以結(jié)合自己的科研課題，講授中普及新材料力學(xué)性能、多樣的加/承載方式、構(gòu)件設(shè)計、流固耦合、結(jié)構(gòu)振動、結(jié)構(gòu)選材等，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入老師所進(jìn)行的實(shí)驗相關(guān)力學(xué)環(huán)節(jié)，既活躍課堂又鞏固力學(xué)知識。有些能力強(qiáng)的學(xué)生還可以提前融入老師的科研團(tuán)隊，盡早開發(fā)科研潛力。另外大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練每年都會開展，適當(dāng)開放實(shí)驗室為學(xué)生提供實(shí)驗條件也能一舉多得。

4)合理利用結(jié)構(gòu)創(chuàng)新大賽的裝置開展結(jié)構(gòu)力學(xué)拓展實(shí)驗。南通大學(xué)先后參加過多屆江蘇省結(jié)構(gòu)創(chuàng)新大賽，積攢下不少賽題、配套裝置及耗材。配套裝置體型不小、設(shè)計靈活，有較大的發(fā)揮空間，若僅是當(dāng)屆學(xué)生校內(nèi)選拔或練習(xí)使用后就閑置，實(shí)屬浪費(fèi)。隨著專業(yè)基礎(chǔ)課程學(xué)時的減少，結(jié)構(gòu)力學(xué)上機(jī)課已取消，學(xué)生對該課程的普遍反映是印象不深。大部分同學(xué)在進(jìn)入鋼結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)抗震、橋梁設(shè)計等課程學(xué)習(xí)時，需要回顧結(jié)構(gòu)力學(xué)。課堂上可以利用這些競賽裝置和模型，展現(xiàn)荷載的合理分配、結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計等，寓教于樂，一舉多得。

3 總結(jié)與討論

力學(xué)課程相對枯燥，但是力學(xué)實(shí)驗課是一味很好的調(diào)劑方子，學(xué)生普遍對基礎(chǔ)力學(xué)實(shí)驗課程充滿好奇和興趣。通過力學(xué)實(shí)驗課程積極引導(dǎo)土木專業(yè)學(xué)生思考并利用力學(xué)知識解決實(shí)際問題，讓他們畢業(yè)后能盡快適應(yīng)工作需求，是值得實(shí)踐并改革的課題。這需要教學(xué)中不拘泥于課本知識、保證動手之前已有理論基礎(chǔ)、提供充分的課后力學(xué)實(shí)驗相關(guān)資料。學(xué)生也應(yīng)該積極動手、主動學(xué)習(xí)。教與學(xué)兩方面加強(qiáng)互動，才能提高基礎(chǔ)力學(xué)實(shí)驗課程的效率。在重視實(shí)踐教學(xué)的大環(huán)境下，更應(yīng)牢牢把握基礎(chǔ)力學(xué)實(shí)驗課程，在形式和內(nèi)容上不斷改革創(chuàng)新，培養(yǎng)高素質(zhì)人才來服務(wù)社會。當(dāng)下新冠疫情橫行，南通大學(xué)基礎(chǔ)力學(xué)試驗教學(xué)是通過微視頻加理論的方式來完成。這也算是做到了改革方案中的一條，今后教學(xué)中應(yīng)增加競賽或老師科研試驗相關(guān)微視頻，為疫情期間的基礎(chǔ)力學(xué)試驗教學(xué)加點(diǎn)味。