10余年的“工程力学实验”教学实践

　　实践教学是巩固理论知识和加深对理论认识的有效途径，是培养具有创新意识的高素质工程技术人员的重要环节，是理论联系实际、培养学生掌握科学方法和提高动手能力的重要平台。而实验教学就是高等教育中最常见的实践教学的形式之一，它也是高等教育中全面实现人才培养目标的一个重要环节，具有直观性、实践性和探索性的特点。同时具有传授知识、开发智力、训练技能、培养组织能力、创新能力以及团队合作能力等作用。是提高学生实践能力、科学素质的重要手段。是培养合格工程技术人才的重要环节，并且无法用其他教学环节取而代之并达到相同的教学效果。“面向 21 世纪教育振兴行动计划”强调指出，要加强对学生的素质教育、创新精神和实践能力的培养。对于理工科学生而言，实践能力尤为重要，而“工程力学实验”课程是在专业基础课程阶段就开始的一门实践课程，如果在大学生进入专业知识储备初期没有形成良好的上好实验课的习惯，那么势必严重影响他们后续实验课的学习效果。本文根据笔者 10 余年的“工程力学实验”教学实践，总结了教学过程中出现的问题并分析了深层次的原因，进而提出了实验改进措施和未来改革方向。

　　1 工程力学实验教学中曾经出现的问题及其原因分析

　　“据报道，我国工科毕业生数量大约是美国的 4倍、德国的 10 倍，但我国工程师人均参与创造的产值仅仅是美国、德国工程师的 5% ~10%”[1].这说明我国高等工程教育存在非常严重的问题： 学生不能将所学有效地转化为先进生产力，为国家建设和社会发展创造应有的价值，这是一种严重的资源浪费。笔者也发现，只有极少数同学能在实验数据或者实验现象出现异常时，及时发现并解决问题。例如，在做“纯弯曲梁的正应力测定实验”时，当同学增加载荷后测得中性层的应变值仍为 0 时，大部分同学的第一反应是“老师，是不是应变仪坏了？ 为什么 1 号应变片的读数始终为 0?”笔者还没来得及解答就有别的同学说“1 号片是贴在中性层上”.自 2003 年从事力学实验教学以来，我校的“材料力学实验”一直是独立设课，共16 学时，占0. 5 学分，由 3 名专职实验教师（ 以后简称教师） 授课，理论课教师基本不参与实验室管理和实践教学工作。

　　1. 1 “工程力学实验”教学中经常出现的问题

　　该实验课程面向全校的机械工程、动力工程、土木工程等工科专业，每年都有逾千人选修。长期以来，存在以下几个方面的问题。

　　1. 1. 1 实验教学和理论教学进度不协调

　　造成这种现象的主要原因是学生在同一个学期选修了工程力学的理论课和实验课。另一个主要原因是设备台套数太少和选课学生太多，现有设备最多只能供 2 组学生（ 30 ~36 名分成 2 组） 同时实验。

　　1000 多名学生要在一个学期内做完 8 个实验，并且仅由 3 名教师授课，是对排课极大的挑战。有两种排课方式： 第一种，3 名教师同时开设 3 个不同实验，各带 1 个小组，这样的排课只有 1 个小组是按照教材上的顺序进行实验； 第二种，每 2 周开设 1 个实验，2 名教师同时指导 2 组学生，虽然基本按理论课教学顺序，但是前几个实验也会出现“实验课超前理论课”的现象，尤其是单周上课的同学。

　　1. 1. 2 实验项目设置欠合理

　　实验力学共有三种测试方法： 机测法、电测法和光测法。每种实验方法在各大高校基本都有开设实验项目，我校也不例外。目前我校的机测实验项目有 2 个，合计 4h; 电测实验有 6 个，合计 12h,其中一个是考查实验； 并未设置光测实验项目（ 仅在机械专业高年级的综合实验中设置） .电测实验项目偏多且部分内容重复。例如“金属材料的弹性模量和泊松比的测定”就可以结合机测实验中“金属材料的拉伸和压缩实验”,将其设计为 4h 的设计型实验或者综合型实验。“桥路连接变换”可以在等强度梁上练习，也可以在“纯弯曲梁的正应力测定”实验中练习，只要在梁的纯弯曲段的横截面上均布地贴上足够多的应变片。调整后即可增加新的光测实验项目。

　　已开实验项目基本属于基础性实验，提高性和综合性实验项目较少，且无模拟实验和仿真分析实验。所有选修学生做一样的实验项目，没有结合学生专业开发多个实验项目供学生选择，这是将来应该改革的一个重要方向。例如，2011 年以后，学校的许多院系都开设了“卓越工程班”,从平时的实验课上观察到： 卓越班的同学思维活跃、理论知识扎实、动手能力相对较强、实验速度相对较快。该实验课程理应根据卓越班的上述特点，为他们量身定制一些结合科研项目、贯穿卓越工程教育理念的实验项目。

　　此外，随着国际办学的蓬勃发展，每年都会有中德班和中英班的学生选修该实验课程。中德班的实验项目由德方教授制定。实验前，德方教授会提前参观实验室，根据我们现有的实验器材和实验项目，经过中德双方教师协商，确定实验项目、实验学时以及学生分组，通常 3 ~ 5 人一组，遵从合作办学方-汉堡应用技术大学的实验课模式，实验教师仅仅介绍仪器使用注意事项实验由学生独立完成，非常重视实验前后的讨论环节。实验结束后，学生提交德文版实验报告。中英班则不同，仍使用中文指导书，撰写中文实验报告。

　　1. 1. 3 实验教学方法相对单一

　　“差的教师讲授真理，好的教师教学生发现真理”说的就是教学方法的问题[2].不管是理论教学还是实验教学，教学方法都很重要，好的教学方法能引人入胜、教学效果事半功倍，激发学生对实验课的极大兴趣，而不再是“上课签到、下课交报告”地走形式。学生会在实验过程中提出很多问题： 有对理论的思考、有对实验手段的改进、有对实验误差的分析、有对实验结果的反思等等。

　　高等教育方法比较成熟的有案例教学、任务驱动教学、项目驱动教学和双语教学四种[3],在具体的教学实践中可以综合使用。教学是教与学的综合过程，学生应是主体，根据不同专业、不同学习程度的学生选择合适的教学方法。目前开设实验项目都是 2h 的小实验，基本上都采用任务驱动教学法。

　　学生最终都要走向工作岗位，服务于工程、服务于社会，尽管口口声声谈项目、谈工程、谈研究，但是学生在平时的实验课程中并没有涉及到这方面的内容。所以，应在大学阶段尽可能地使学生参与或者部分参与到教师的课题当中，对项目、对工程及对科研建立初步认识，不仅会做别人设计好的实验，而且会根据待测内容自己设计实验。

　　1. 1. 4 为适应国际办学的进一步发展，工程力学实验课应增加双语教学法
　　
　　这对实验教师的教学方法和综合素质要求更高，也是未来改革的一个必不可少的环节。

　　1. 2 工程力学实验教学中曾出现的问题

　　造成 1. 1 中所述问题的原因归纳起来主要有以下几点。

　　1. 2. 1 实验场地和实验设备台套数不足

　　2006 年机械学院的一次搬迁，使基础实验室面积减少了约 1/3.近年来虽然国家和地方政府对高校实验室的硬件投入很大，但是新购的设备并未得到充分应用，很大一个原因也是因为实验场地不足。

　　18 套多功能材料力学实验装置和 18 套理论力学多功能实验装置共用 120 平米的实验室，当开设材料力学实验时，先将带脚轮的理论力学实验装置整理到实验室的一侧，再将 18 套多功能材料力学实验装置均布在剩余空间内，反之亦然。看上去有效利用了实验室空间，但是降低了设备利用率。因为这两种设备无法在同一个场地同时使用。

　　1. 2. 2 实验教师队伍

　　长期以来，受学校考核制度和教师工作量的约束，力学实验教师队伍由 3 名专职教师组成，学历结构、职称、年龄和学缘结构尚可，2011 年以后随着几位老教师的相继退休而有所改善，最高学历为硕士，此外还引进 1 名高级工程师。断层现象比较严重，没有形成“老中青”梯队。本实验室没有设置“研究生助管、助教”岗位，这是和其他高校的差距。实验教师队伍的建设没有计划性、与其他高校同类实验教师的交流较少、几乎不参加全国或者地区性教学研讨会，总体上较封闭。教师的主动教改意识不强，没能及时领悟国家教育方针政策，并作出相应调整。

　　21 世纪以来，科技发展突飞猛进，实验人员的知识结构和文化素养也必须及时提高，理应将新管理技术、新实验技术、新教育理念等新事物带到课堂上。

　　1. 2. 3 基础实验教学得不到重视

　　基础实验教学虽然“功在当代，利在千秋”,但是这需要一个过程，教学效果一般不会立即呈现出来。不同于专业实验教学，通常有诸如“机电一体化”技能大赛、“机器人”大赛、“电子竞技”等全国性质的比赛项目，学生获奖、教师光荣、学校扬名。从学生到学校大家共赢，学校更愿意增加人力、物力和资金投入，希望更多学生获奖，增加电视竞赛的曝光率和学校的知名度。这样做无可厚非，但是资源是有限的，学校应该全面权衡，不能厚专业而轻基础。

　　2 工程力学实验教学改革方向

　　笔者通过与同行交流、并借鉴其他高校力学实验实践教学改革经验，提出我校未来的改革方向。

　　2. 1 教学内容和教学方法改革

　　工程力学实验教学改革，主要集中在教学内容和教学方法两个方面，教学内容在此表现为实验项目。教学方法是形式，是由内容决定的，并与内容配合才能产生好的效果。因此，理论力学的改革，主要还是教学内容的改革。

　　针对问题 1. 2. 1 和 1. 2. 2,我校新增了 18 套理论力学多功能实验装置[4],在学期前4 周开设4h 的理论力学实验，一改以往理论力学实验 0 学时的窘况。为保证总学时不变，调整并压缩了材料力学电测实验项目[5].这不但解决了实验课程与理论课程进度不协调的问题，还优化了实验教学项目。

　　教学内容应适当增加测试标准、仪器标准等标准内容，并建议学生在预习实验的时候自学标准。

　　标准里通常有术语介绍、测试试样制备要求、测试设备精度和标定要求、测试速度、测试结果修约等。如果学生自学了标准内容，就不会在金属材料拉伸、压缩、扭转实验中进行数据处理时问老师保留几位小数的问题。增加“标准”可以让学生了解到： 有些实验是有测试标准可循，并且必须按照标准进行测试；有些测试虽然没有既定标准可循，但是也应该双方协议并商定测试方案和手段，否则测试结果的有效性将受到质疑。

　　理应针对不同专业设置不同的实验项目，有条件的话针对特定专业采用项目教学法[6],案例教学法[7]等能培养学生结合实际案例创造性解决现实问题的实验能力。

　　2. 2 改革考核方式，充分发挥学生的主观能动性

　　对学生的考核，不应仅仅体现在上课签到、不迟到早退、按时交实验报告这些形式上，更应该重视发现和发挥学生的潜能，通过实验使其了解自身的实验实践能力、工程素质和科研素质，并在实验中进一步提高这些能力。

　　实验课程的书面考核以实验报告为主，目前实验报告存在千篇一律的现象，不仅没能充分发挥学生的主观能动性，还发现部分学生有应付教师的现象。针对这个现象，在机测实验时，笔者鼓励学生自由组合，以 4 ~5 人 1 组完成 1 个实验项目。学生根据实验目的和实验要求自己制定实验步骤、并记录数据，实验结束后，小组讨论，然后共同完成一份实验报告。笔者在实验结束时，根据其实验过程中用到的实验仪器、实验手段、出现的实验现象对其进行提问。提问回答情况、上课动手情况和实验报告以（ 2∶ 3∶ 5） 的占比共同组成该实验的总评成绩。电测实验虽然是 2 位同学一组，但是他们的测点不同，所以每位同学单独撰写一份实验报告。

　　因上课提问和动手环节占总成绩的比重较大，学生的上课积极性和主动性明显提高，也能针对实验中出现的异常现象进行解释； 当实验仪器出现故障时，能及时发现问题。

　　2. 3 建立工程力学实践课程平台

　　文献[8]介绍了北京工业大学与长春仟邦公司联合开发的适合工程性开放实验的综合力学实验平台，以 6 台电子万能试验机为基础，增加了二维移动机构及三维加载系统，建立了集机测法与应变电测法于一体的智能化测试过程，形成了工程性、研究创新性、安全灵活性、大型化、开放性等特点，其“用不坏”的强大保护功能及自编的“导学”系统，成功解决了大型设备开放的难题，在系统搭建并逐渐完善的 10 年中，增加固有实验教学项目 6 ~8 个，学生自选的创新实验取得累累硕果。

　　文献[9]介绍了搭建书本理论与工程实际应用相结合的力学实验平台方法，让学生设计制作力学模型，直观地展示构件在载荷作用下的受力、变形和内部应力分布，通过方案设计、确定材料、购买材料、制作模型、优化模型等。

　　上述 2 篇文献，从不同角度建立了不同应用层次的工程力学实验课程平台，前者非常注重工程性、研究创新性，更多地为本科生和研究生培养提供实践平台； 而后者偏向材料力学基本实验现象的解释，为高职生的培养提供实践平台。现在也有许多高等院校的实验室不仅面向本校师生开放，而且面向社会开放，例如面向中小学生的创新实践活动，面向企业或者与企业合作研究项目。这些都会丰富工程力学实践平台的内涵，更好地为本校的大学生力学实践等各项能力的培养服务。因此，建立工程力学实践平台将是本实验室未来 5 年的主要任务。

　　3 结语

　　工程力学实验教学改革的目的是为了提高实验教学的质量、培养学生的科学思维和科学态度、锻炼学生的工程实践能力、培养全面发展的高素质创新型人才。任何形式的教改都不能偏离这个主题。上海理工大学是教育部“卓越工程师教育培养计划高校”,是上海市首批卓越工程师教育的试点学校，正在进行“十二五”建设中“先进制造科技创新与人才培养”内涵建设。工程力学实验教改项目也是这些建设中的一部分，抓住发展机遇，更好地为卓越工程师培养和先进制造科技创新与人才培养服务。

　　参考文献（ References） :

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　　[2] 张小娜，刘秦。 基于研讨课的形式谈“材料力学”实践教学模式改革[J]. 中国电力教育，2013（ 25） : 171 -172.
　　[3] 孙绍荣。 高等教育方法概论[M]. 上海： 华东师范大学出版社，2010.
　　[4] 庄表中。 应用理论力学实验[M]. 北京： 高等教育出版社，2009.
　　[5] 徐名聪。 机械基础实验教程[M]. 北京： 中国计量出版社，2010.
　　[6] 马剑，卞梁。 项目教学法在力学课程教学中的应用研究[J]. 江苏教育学院学报（ 自然科学版） ,2011,27（ 2） : 74 -75.
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　　[8] 张亦良，张伟，王晶。 适合工程性开放实验的综合力学实验平台[J]. 实验技术与管理，2012,29（ 3） : 59 -62.
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