土木專業(yè)基礎(chǔ)力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革及實(shí)施探討★

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(duì)土木工程專業(yè)來(lái)說(shuō)，基礎(chǔ)力學(xué)實(shí)驗(yàn)是相關(guān)課程中的重要一環(huán)。實(shí)驗(yàn)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(duì)力學(xué)知識(shí)點(diǎn)的深入理解，這對(duì)學(xué)習(xí)基于力學(xué)知識(shí)體系的后續(xù)課程非常重要。

國(guó)家在2010年推出的2010年—2020年中長(zhǎng)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(jì)劃”，意在為建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家及工業(yè)現(xiàn)代化積累專業(yè)基礎(chǔ)人才。2015年國(guó)家提出第一個(gè)制造強(qiáng)國(guó)十年(2015年—2025年)戰(zhàn)略“中國(guó)制造2025”。2016年我國(guó)加入“華盛頓協(xié)議”，本科工程學(xué)位實(shí)現(xiàn)國(guó)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(shí)”“天大行動(dòng)”“北京指南”，拉開(kāi)了新工科建設(shè)的帷幕[1]。2017年，教育部提出開(kāi)展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)(2017年—2020年)。面對(duì)這些隨時(shí)代不斷重疊變化的指導(dǎo)意見(jiàn)，基礎(chǔ)力學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)代步伐通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)將理論聯(lián)系實(shí)際，都是需要思考的問(wèn)題。

1 基礎(chǔ)力學(xué)實(shí)驗(yàn)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(kāi)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(mén)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(yàn)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(dòng)手實(shí)驗(yàn)和觀摩實(shí)驗(yàn)。每學(xué)年在力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的上課人次有數(shù)千人，配備的力學(xué)實(shí)驗(yàn)室管理教師僅1名，大部分力學(xué)任課教師在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)需要兼實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師。講授加實(shí)驗(yàn)這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式效率不高，需要分析和調(diào)整。

1)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)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(yàn)、測(cè)量、認(rèn)知實(shí)習(xí)及工程訓(xùn)練等課時(shí)數(shù)基本保持，理論課程學(xué)時(shí)大都被壓縮。比如原先58學(xué)時(shí)理論課+6學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)課的材料力學(xué)課程現(xiàn)在降到42學(xué)時(shí)理論課+6學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)課。本應(yīng)該每次實(shí)驗(yàn)之前先對(duì)學(xué)生講授實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)，像材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)間介紹。但因?yàn)閷?shí)驗(yàn)設(shè)備日程安排緊湊，常存在理論知識(shí)的滯后，若學(xué)生未提前預(yù)習(xí)加之實(shí)驗(yàn)后不及時(shí)深入鞏固，更是達(dá)不到實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)目的。

2)實(shí)驗(yàn)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(guò)對(duì)比國(guó)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(guó)內(nèi)力學(xué)課程學(xué)分占比約為6.4%，國(guó)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(kāi)設(shè)上，國(guó)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(guó)內(nèi)現(xiàn)在大部分工科專業(yè)僅開(kāi)設(shè)理論力學(xué)和材料力學(xué)，有些干脆合為一門(mén)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(guó)外的一半；算上結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)也不超過(guò)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(mén)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(yàn)教學(xué)需要?jiǎng)邮值闹饕遣牧狭W(xué)和流體力學(xué)，分別占大約6學(xué)時(shí)～8學(xué)時(shí)；理論力學(xué)有部分觀摩實(shí)驗(yàn)，通常機(jī)動(dòng)進(jìn)行；土力學(xué)是土木工程專業(yè)教師指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)課現(xiàn)狀跟其他力學(xué)實(shí)驗(yàn)課類(lèi)似，故合并討論。力學(xué)本身為公認(rèn)的難學(xué)課程，動(dòng)手機(jī)會(huì)的削減更會(huì)降低學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。整體來(lái)說(shuō)，南通大學(xué)基礎(chǔ)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室硬件建設(shè)上已取得較大成績(jī)，如何充分利用是當(dāng)前要思考的問(wèn)題。

3)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，需要融入創(chuàng)新點(diǎn)。已開(kāi)設(shè)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)大都是驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，像材料力學(xué)的彎曲正應(yīng)力、彎扭組合、彈性模量的測(cè)定、低碳鋼的拉壓等實(shí)驗(yàn)，流體力學(xué)的孔板流速測(cè)定、沿程水頭損失、雷諾實(shí)驗(yàn)等。學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)的步驟進(jìn)行操作就可以得到預(yù)定的結(jié)果，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的自主思考和創(chuàng)新能力不利。這些實(shí)驗(yàn)是必要的，但是全中國(guó)幾乎所有開(kāi)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(yàn)。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(yàn)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(huì)需求。大連理工大學(xué)通過(guò)開(kāi)設(shè)一些研究創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，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(cè)[4]，另外還面向?qū)W生創(chuàng)新實(shí)踐開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，值得借鑒。通大歷年為參加實(shí)驗(yàn)力學(xué)競(jìng)賽和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新大賽而購(gòu)置的實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(wèn)題、提出解決方案并動(dòng)手實(shí)施?；A(chǔ)力學(xué)實(shí)驗(yàn)活學(xué)活用，結(jié)合理論基礎(chǔ)，能夠幫助解決生產(chǎn)過(guò)程中的很多問(wèn)題，這也是2010年后全國(guó)基礎(chǔ)力學(xué)實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽開(kāi)展的初衷。基礎(chǔ)力學(xué)實(shí)驗(yàn)在高校教學(xué)過(guò)程中還是要堅(jiān)持開(kāi)展、保證學(xué)時(shí)、強(qiáng)調(diào)效果、努力創(chuàng)新。擬采取的改革方案見(jiàn)圖1。

1)實(shí)驗(yàn)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(shuō)材料力學(xué)課本通常會(huì)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(lái)安排章節(jié)。若所有班級(jí)都按部就班地照順序講，就會(huì)存在所有班級(jí)短期內(nèi)均需要使用實(shí)驗(yàn)室而造成時(shí)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(shí)，可按教師人數(shù)1/3來(lái)分，錯(cuò)峰教學(xué)。彎扭組合實(shí)驗(yàn)涉及到的知識(shí)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(yàn)理論知識(shí)再讓學(xué)生動(dòng)手操作，普遍反響良好。流體力學(xué)本身開(kāi)班數(shù)較少，教學(xué)過(guò)程中不需要大調(diào)整。一些觀摩實(shí)驗(yàn)通常是在實(shí)驗(yàn)室結(jié)合模型即時(shí)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(yàn)課也可以結(jié)合這些手段積累微視頻來(lái)實(shí)施課下學(xué)習(xí)。21世紀(jì)不光是信息技術(shù)的時(shí)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(kāi)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(kāi)展起來(lái)了?；A(chǔ)力學(xué)實(shí)驗(yàn)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(lái)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(yàn)操作的視頻，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分發(fā)時(shí)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?yàn)樯婕暗膬?nèi)容對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)較有趣，學(xué)起來(lái)輕松。這可以解決課程課時(shí)減少的問(wèn)題，同時(shí)也不會(huì)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(yàn)微視頻教學(xué)實(shí)踐取得了較好效果，說(shuō)明其具有可行性[5]。

3)授課中可補(bǔ)充力學(xué)實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽和老師的科研課題中涉及的力學(xué)內(nèi)容。全國(guó)基礎(chǔ)力學(xué)實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽從2010年至今已舉辦過(guò)幾屆了。作者也擔(dān)任過(guò)兩次江蘇省基礎(chǔ)力學(xué)實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽指導(dǎo)老師。競(jìng)賽內(nèi)容分為筆試部分和動(dòng)手實(shí)驗(yàn)部分。普通高校教學(xué)中，常略過(guò)彎曲中心、形心主軸、對(duì)形心主軸的慣性矩這些概念，而這些內(nèi)容又會(huì)出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)力學(xué)競(jìng)賽中。所以參加實(shí)驗(yàn)力學(xué)競(jìng)賽的學(xué)生需要先補(bǔ)充這些知識(shí)點(diǎn)。另外，競(jìng)賽的題目常涉及異形截面、非常規(guī)加載、多樣的材料，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)是很好的鍛煉與提高的機(jī)會(huì)，能借此深入體會(huì)理論和實(shí)踐如何聯(lián)系。力學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)能豐富力學(xué)實(shí)驗(yàn)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(jì)、流固耦合、結(jié)構(gòu)振動(dòng)、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(yàn)相關(guān)力學(xué)環(huán)節(jié)，既活躍課堂又鞏固力學(xué)知識(shí)。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(duì)，盡早開(kāi)發(fā)科研潛力。另外大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練每年都會(huì)開(kāi)展，適當(dāng)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)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(kāi)展結(jié)構(gòu)力學(xué)拓展實(shí)驗(yàn)。南通大學(xué)先后參加過(guò)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(jì)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(shí)的減少，結(jié)構(gòu)力學(xué)上機(jī)課已取消，學(xué)生對(duì)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(jì)等課程學(xué)習(xí)時(shí)，需要回顧結(jié)構(gòu)力學(xué)。課堂上可以利用這些競(jìng)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(jì)等，寓教于樂(lè)，一舉多得。

3 總結(jié)與討論

力學(xué)課程相對(duì)枯燥，但是力學(xué)實(shí)驗(yàn)課是一味很好的調(diào)劑方子，學(xué)生普遍對(duì)基礎(chǔ)力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程充滿好奇和興趣。通過(guò)力學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)解決實(shí)際問(wèn)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(shí)、保證動(dòng)手之前已有理論基礎(chǔ)、提供充分的課后力學(xué)實(shí)驗(yàn)相關(guān)資料。學(xué)生也應(yīng)該積極動(dòng)手、主動(dòng)學(xué)習(xí)。教與學(xué)兩方面加強(qiáng)互動(dòng)，才能提高基礎(chǔ)力學(xué)實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(lái)服務(wù)社會(huì)。當(dāng)下新冠疫情橫行，南通大學(xué)基礎(chǔ)力學(xué)試驗(yàn)教學(xué)是通過(guò)微視頻加理論的方式來(lái)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(jìng)賽或老師科研試驗(yàn)相關(guān)微視頻，為疫情期間的基礎(chǔ)力學(xué)試驗(yàn)教學(xué)加點(diǎn)味。