新工科建设中力学实验教学内容体系的优化设计.docx

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1、新工科建设中力学实验教学内容体系的优化设计 摘要：为解决新工科建设过程中不同工科专业学生对力学试验教学内容的差异化和层次化需求问题，针对不同专业课程体系需求、学生层次化需求、应用创新型人才培育需求，结合力学数值和虚拟试验教学方法，开展了力学试验教学内容的优化设计。经过对力学试验课程教学内容体系的优化设计与教学实践，对新工科建设中力学试验教学效果的提高起到了主动作用，并通过国家级力学试验教学示范中心将该体系向国内高校进行了推广与辐射。 关键词：新工科；力学试验课程；多学科；差异化；层次化；优化设计 中图分类号：G642.0 文献标记码：A 文章编号：1674-932422-0276-03 为适应

2、当前世界范围内新一轮科技革命和产业变革，我国已启动了新工科改革与建设。力学试验课程教学内容体系的优化设计就是为适应新工科改革与建设，而开展的力学试验课程内容及体系的改革。力学试验教学内容是力学、机械、材料、土建、岩土工程、平安和采矿等工科专业实践教学中的重要组成，是各学科巩固学生力学理论学问、启发学生独立思索、培育学生解决实际问题实力和创新实力的重要实践教学内容。从目前很多院校运用的力学试验教材来看，力学试验课程的内容多年来改变不大，完全不能满意当前我国高等教化对新工科建设和新兴工程科技人才培育的迫切需求。工科不同专业的学生对力学试验教学内容的差异化和层次化需求是新工科改革与建设中的突出问题，

3、针对该问题国内的一些高校、教化教学探讨机构和学者开展了探究性探讨。清华高校、浙江高校和哈尔滨工业高校等高校的力学试验教学团队，通过力学创新教化、自主研发试验设备和激励学生参加科研项目等途径，开发了新的力学试验教学内容；大连理工高校和东北高校的唐春安、朱万成、王述红、张娟霞等学者，基于RFPA软件分别在岩石力学、材料力学、岩土力学等课程的试验教学中开展了数值试验教学方法的探讨，并设计了相关的数值试验教学内容；辽宁工程技术高校代树红、任伟杰等学者在力学试验教学过程中开展了虚拟试验教学内容的探讨与实践，中国科技高校、北京理工高校和同济高校等国内多所高校，都依据自身教学需求建立了相关的虚拟力学试验教学

4、内容资源体系。为切实推动新工科建设与发展，提高我国高等学校力学试验课程的教学效果，我校国家级力学试验教学示范中心针对不同工科专业的课程内容体系和学生对力学试验教学内容需求的差异化和层次化问题，以及我校应用创新型人才培育目标的需求，结合力学数值和虚拟试验教学方法，开展力学试验课程教学内容体系的优化设计与教学实践。 一、依据学科课程体系优化试验教学内容 力学试验课程教学面对的学科主要包括：力学、机械、材料、土建、岩土工程、平安和采矿等高等学校的工科专业，主要涉及理论力学、材料力学、工程力学、流体力学、振动力学和岩土力学等课程中的试验教学内容。当前力学试验课程的教学内容是建立在力学理论课的教学基础上

5、的，主要是为了复现力学理论课程教学中的力学现象、力学过程或验证相关力学理论，基本不会考虑力学试验课程的教学内容同不同专业后续专业课间的关联性，忽视了新工科建设和发展过程中不同工科专业的学生在后续新兴专业课学习中对力学试验教学内容的真实需求。现以材料力学中关于测试材料应力-应变关系的试验内容为例，目前的试验教学内容体系中将低碳钢拉伸试验作为教学试验的标准内容，试验中包含杨氏模量的测定、观测弹性和塑性变形规律以及材料应力-应变全程曲线的特征分析，通过该试验学生能直观地接触并驾驭低碳钢类金属材料的变形特征。因此，低碳钢拉伸试验教学内容对机械类学科的学生特别适用，也能为后续机械设计类专业课程的学习打下

6、扎实的力学基础。然而，对于土木、采矿、地质等学科的学生而言，学生在后续的专业课程学习以及今后的科学探讨和工程实践中接触到的材料主要是煤、混凝土和岩石类材料，该类型材料的应力-应变曲线及变形特征同低碳钢材料的应力-应变曲线及变形特征存在巨大的差异性，尤其是煤、混凝土和岩石类材料抗压不抗拉的特性使得这种差异性更为突出；同时针对以上学科的材料力学教材中通常将压应力设为正值，这同低碳钢拉伸试验中规定的正应力方向刚好相反。因此，将低碳钢拉伸试验作为土木、采矿、地质等学科专业的力学试验教学内容，特别简单误导学生对岩石类材料变形特性的相识，并干脆影响到学生对后续相关专业课内容的精确学习。力学试验教学示范中心

7、在力学试验课程的教学内容体系优化设计过程中，针对土建、岩土工程、平安和采矿学科培育岩土及能源相关领域的人才需求，将应力-应变关系测试试验内容中的低碳钢试件替换为煤和岩石试件，分别设计了岩石材料的拉伸和压缩试验内容。力学试验教学示范中心在充分探讨了力学专业、机械类专业和岩土类专业对该类试验教学内容的差异化需求后，同相关学科的专业课老师进行了座谈与论证，依据不同学科课程体系对力学试验教学内容的差异化需求对该类试验内容进行了优化设计，并建设了相应的力学试验课程教材。优化后的试验教学内容满意了新工科不同专业对力学试验教学内容的需求，更满意了不同学科学生对试验教学内容的差异化需求，实现了力学试验教学内容

8、同相关工科课程体系的紧密融合。 二、依据学生层次化需求优化试验教学内容 传统的力学试验内容在教学过程中都是以老师为主导的课堂教学模式，力学试验教学内容是面对全体学生设计的且试验方法单一，学生在教学过程中处于被动的学习状态，在新工科建设过程中不能满意部分学生希望自主开发和设计创新型试验内容的高层次实践需求。力学试验教学示范中心为了解决部分学生对试验力学教学内容的層次化需求问题，在力学试验课程教学内容的优化过程中，增加了关于力学试验方法的教学内容，如：声放射技术、数字图像相关技术和电荷检测技术等，将相关工科产业中最新的试验技术引入了力学试验课程的教学，为不同学科的学生实现对力学试验内容的层次化需求

9、供应了支持。国家级力学试验教学示范中心在力学试验教学过程中不再为学生指定一样的设备、材料和方法，而是激励和引导学生依据不同的层次化需求和试验方法，开发和设计新型试验，完成力学试验课程中的教学内容与教学目标。现以岩石材料的压缩试验为例，学生提出了采纳电测方法和声放射技术协同观测的试验方法，学生在试验过程中观测到了岩石发生塑性变形阶段声放射事务密集出现的现象，并结合电测方法得到的应力应变曲线，对岩石的宏观塑性变形和微观损伤的相关性进行了力学分析。这种注意讲授力学试验方法，激励学生自主开发和设计的创新型试验的教学内容，把学生从被动的学习状态引导到了主动学习状态，使学生从学的角色转换到了学与用并举的角

10、色，满意了学生对力学试验教学内容的层次化需求。学生在完成创新型试验内容的基础上，结合相应的力学试验方法和实际问题，在全国高校生结构设计竞赛、全国高校生力学试验竞赛和全国周培源高校生力学竞赛中取得了优异的成果。 三、依据数值和虚拟试验教学方法优化力学试验教学内容 在新工科建设过程中，计算机和人工智能技术已经融合到了工科专业的教学与实践环节。力学数值试验是计算力学理论与计算机技术相结合的产物。国家级力学试验教学示范中心基于唐春安教授开发的RFPA数值试验软件开发了多类型的力学试验教学内容，模拟再现了一些工程背景困难、危急性高、不能重复的环境和灾难力学问题，如：岩土工程、平安和采矿学科中的地震、瓦斯

11、突出和滑坡等力学试验项目，并建立了力学数值试验室。 力学虚拟试验，即借助于多媒体和虚拟现实技术在计算机上构造出力学虚拟试验内容，使学生在试验前得到可视化试验操作指导，部分替代甚至全部替代实体试验的相关软件和网络平台。随着虚拟现实和多媒体技术的快速发展，虚拟仿真技术广泛应用于力学虚拟试验，并发挥着实体试验所不能替代的作用，它的经济性和自由操作的独立性弥补了传统力学试验教学的不足之处。力学虚拟试验教学内容可使学生在试验前通过个人电脑进行多次相关的虚拟力学试验操作练习，驾驭相关力学试验原理、操作过程和方法确保在实际试验中更正确、精确地完成试验。国家级力学试验教学示范中心研发了力学虚拟试验教学系统，虚

12、拟试验教学系统中开发了同理论力学、材料力学、流体力学、结构力学和岩体力学相关的虚拟力学试验教学内容共包括41个详细的试验项目，其中包括一些同工程实际问题困难相关的高危急性、高费用和大尺度力学试验教学内容，并通过教材建设编写了力学虚拟试验仿真试验开发方法。 力学数值试验和虚拟试验教学内容在新工科建设过程中，弥补了传统力学试验教学方法在时间、空间和试验设备等方面对试验教学的限制，有效地实现了以上实体试验所不能完成的试验内容，使学生在试验前进行可视化试验操作。学生在试验后仍可再进行相关的虚拟试验找到失败缘由，提高试验技能，培育学生学习爱好与创建力，释放试验教学的空间，使试验教学在试验室的建设、管理、

13、教学质量和良好的开放性方面都得到了补充和完善。国家级力学试验教学示范中心在力学试验教学内容的优化设计过程中，结合新工科建设需求，将力学数值和力学虚拟试验教学内容融入到了传统的力学试验教学内容体系。例如：在力学实体试验教学内容开展前，首先开展相同内容的虚拟试验，学生用最短的时间了解了将要开展的力学实体试验教学内容；实体试验完成后，要求学生结合力学数值分析软件，通过力学数值试验重现实体试验教学内容，补充部分实体力学试验所不能实现的边界或初始条件，解决实体试验中存在的尺寸效应问题或边界效应问题。通过对力学数值和力学虚拟试验和力学实体试验教学内容的优化设计及教学实践，巩固了学生的力学理论学问和试验学问

14、，熬炼了学生通过力学试验解决实际问题的实力。 四、依据应用创新型人才培育需求优化试验教学内容 我校是一所理工科专业为主的地矿类高校，传统工科专业在当前高速发展的科技革命和产业变革前，遇到了前所未有的挑战与机遇。我校为适应培育新兴工程科技人才的需求，提出了应用创新型人才培育目标，力学试验课程在培育工科专业应用创新型人才过程中具有不行替代的作用。国家级力学试验教学示范中心在优化力学试验课程教学内容体系的改革与实践中，删减了许多验证型和具有肯定重复性的试验内容，设置了更多的综合型和设计型力学试验教学内容。这类综合型和设计型力学试验教学内容，强化了对力学理论和试验学问的传授，强化了力学试验教学内容同专

15、业课教学内容的联系，强化了对应用力学试验方法解决实际问题的应用创新实力的培育。国家级力学试验教学示范中心通过对这类教学内容的教学实践，实现了老师从学问传授型向实力引导型的转变，实现了力学试验课程从课堂教学型向创新实践型的转变，试验现了学生从被动学习到主动实践的转变。学生在这类综合型和创新型力学试验教学内容的开展过程中，深化地驾驭了相關力学试验设备和方法，设计力学试验的流程和力学的基本原理，学生应用力学试验方法和力学理论的实力得到了综合性的训练，培育了学生在科学探讨和工程实践中的应用创新实力。国家级力学试验教学示范中心开展的力学试验课程教学内容体优化工作，在我校高校生创新创业的实践中发挥了重要作

16、用，学生胜利申报了国家级、省级高校生创新创业训练安排项目，相应产出了一批独创专利的好用专利，其中一些实现了科技成果的转化，学校也因此被教化部、财政部确定为全国首批高校生创新创业训练安排项目实施高校。 五、结语 国家级力学试验教学示范中心通过对力学试验教学内容的优化设计与教学实践，满意了学校在新工科建设过程中不同工科专业对力学试验教学内容的差异化需求，满意了学生对试验教学内容的层次化需求，满意了应用创新型人才培育目标对力学试验教学内容改革的需求；结合力学虚拟试验和数值试验方法优化并创建了一套适用于新工科建设的力学试验教学内容体系。力学试验教学内容体系优化设计的成果，为切实提高我校新工科建设水平供

17、应了改革与教学实践的新思路，同时该成果基于我校国家级力学试验教学示范中心平台向国内的部分高校进行了胜利的推广与辐射。 参考文献： 1陆国栋，李拓宇.新工科建设与发展的路径思索J.高等工程教化探讨，2022，：20-26. 2戴亚虹，李宏，邬杨波，陈芬.新工科背景下“学践研创”四位一体实践教学体系改革J.试验技术与管理，2022，34：189-195+225. 3田大伦，项文化，康文星，等.三层次开放试验室，培育学生创新实力J.试验技术与管理，2002，19：1-3. 4王述红，唐春安，朱万成，刘泰强.数值试验在岩石力学试验教学中的应用J.试验技术与管理，2003，：140-143. 5代树红，董玉芬.虚拟光弹性力学试验探讨J.辽宁工程技术高校学报：自然科学版，2022，30：501-504. 6任伟杰，李春林，宋维源.结构力学虚拟仿真试验教学探讨J.力学与实践，2022，：257-262. 7曾建超，俞志和.虚拟现实的技术及其应用M.北京：清华高校出版社，11016：31-32. 第10页 共10页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页