基金项目：广东省教育厅2021年一流本科课程《材料力学》（粤高教函 [2022]10号）；广东省高等教育学会“十四五”规划2022年度课题“新工科背景下材料力学实验教学改革与实践”（22GYB041）；2022年度广东省本科高校教学质量与教学改革项目“力学课程群教研室”（GDJX2022003）。

中图分类号 ：G642.0        文献标识码：A       文章编号：2024-7-11

应对新一轮科技革命与产业变革，培养新时代卓越工程师，2017年教育部提出新工科建设后，各高校以新工科建设为契机，开展人才培养模式改革，取得了一系列重要的进展。新工科建设对工程人才培养提出了“新”要求，旨在加强工程人才的创新精神和实践能力的培养。材料力学是一门与工程实践紧密结合的专业基础课程，材料力学实验对学生实践能力和创新能力的培养中有着非常重要的地位，是落实新工科建设下人才培养模式改革的重要载体。该课程是我校土木工程、机械工程、交通工程等专业的一门专业必修课，在传统的材料力学实验教学中存在实践教学体系不完善、教学内容固化、教学手段单一等问题，导致实验教学过程往往呈现形式化和程序化，不利于学生的实践能力和创新精神培养，难以促进学生利用所学力学知识去解决实际工程应用问题。为达成材料力学实验教学对理论知识的支撑，强化理论与实践的结合，根据课程培养目标，对材料力学实验教学进行课程体系的设计和优化，以提升学生创实践能力和创新精神。

一、材料力学实验教学现状

（一）教学内容固化

目前许多院校材料力学实验课程的内容多年来变化不大，根据本科专业指南要求，一般开设的内容包括：低碳钢和铸铁的轴向拉伸、压缩和扭转实验；矩形截面梁的纯弯曲实验；弯扭组合实验等^[1]。这些常规性的实验为演示验证性实验，学生完成规定性的操作，记录实验数据，完成实验报告的数据整理。单一验证性实验不能将材料力学的知识点有机融合，且实验内容与工程实践结合不紧密，学生自主设计实验内容较少涉及，缺少创新性，实验教学环节不能满足新工科背景下人才培养的要求。

（二）教学手段单一

在材料力学实验教学中，以教师讲解实验原理、操作流程和注意事项后，学生分组完成实验操作并记录实验数据，最后整理实验报告的方式为主。这样的授课方式，虽然完成了规定的实验教学内容，但在实验过程中，多数同学没有真正理解实验原理，按照实验流程机械的完成实验操作，不能详细完整的制定实验方案，对实验过程中出现的问题也不能合理的分析和解决^[2]。由于实验设备台套数的限制，学生小组完成实验，组内操作实验设备的同学对实验流程掌握相对较好，而未能操作实验设备的同学对整个实验过程不清晰，学生实践能力未得到有效锻炼。

（三）学生学习积极性不足

材料力学实验作为整个课程的一部分，穿插于理论教学中，实验成绩也是作为材料力学课程成绩的一部分，且占比例较小，导致学生对实验的教学内容重视不够，学生参与实验的积极性不足。学生实验课后，发现多数同学未能提前预习实验内容和制定实验方案，实验的理论知识也掌握不足，实验过程不流畅。提交的实验报告中，小组报告较为一致，学生对实验数据的分析和过程中产生问题的原因思考不足。教师采取实验报告为唯一评价方式时，对实验报告基本相同的学生，难以区分学生的达成度，影响学生的学习积极性^[3]。

基于以上材料力学实验教学中存在的问题，本文基于新工科建设要求，以提升学生实践能力和创新能力为目标，建立材料力学实验教学体系，在传统常规性实验的基础上，设计创新性综合实验，采取虚实结合的实验教学手段，为应用型本科高校材料力学实验教学探索实施方法。

二、材料力学实验教学体系构建

基于土木工程专业材料力学的学科特点和重要性，建立材料力学实验教学体系，突出学生实践能力、创新能力和解决复杂工程实际问题的能力。材料力学实验教学体系建设，基于OBE理念，确定材料力学实验教学目标，并设计相应的实验教学内容和教学手段，体现课程的两性一度。将材料力学实验教学的内容分成“常规性验证实验”和“创新性综合实验”两个模块，再通过模块→单元→专题的设置与构建，夯实专业基础，逐步提升实践能力和创新能力。利用虚拟仿真实验教学平台和力学数值分析软件，采取虚实结合的教学手段开展实验教学。

三、材料力学实验教学改革实施

（一）制定“常规性验证实验+创新性综合实验”教学内容^[4-6]

我校开设实验教学共10学时，实验教学内容分为常规性验证实验和创新性综合实验两个模块，按知识点分为拉压、扭转、正弯曲、弯扭组合四个单元，以结构设计模型专题开展创新性综合实验。

1.常规性验证实验

通过常规性验证实验让学生认识材料力学实验常用的仪器设备及其使用方法、实验数据的记录与处理方法等，主要包括低碳钢和铸铁的力学性能测试、验证理论知识中的拉压、扭转、弯曲等应力分布，测试截面上应力和应变测试等^[4]。常规性实验设置五项，覆盖、拉压、扭转、弯曲、弯扭组合四个知识点单元，在相应理论内容学完后安排实验，分别开展低碳钢和铸铁拉伸、压缩、扭转实验，纯弯曲正应力和弯扭组合应力实验。基础性实验主要是让学生熟悉实验设备操作方法和操作流程，加深对理论知识的理解，为后续的创新性实验打基础。

2.创新性综合实验

在学生掌握了常规性实验原理和仪器操作的基础上，引入创新性综合实验。创新性综合实验以项目和竞赛为驱动力，引导学生参加各类结构模型竞赛。比如通过竹皮力学性能测试和结构模型制作，以结构模型竞赛中的模型破坏和失稳现象为切入点，要求学生建立力学模型，通过结构模型的加载进行强度和稳定性计算，培养学生以项目为载体的创新能力。同时，创新性综合实验依托校级和省级结构设计大赛，鼓励学生自主设计实验方案，测定模型制作的弹性模型、强度极限，为结构模型设计提供材料性能参数，通过模型的制作和加载，培养同学们的工匠精神，体会到工程师的责任与担当。

（二）采取“虚实结合”教学手段

五项常规性实验均采用“虚实结合”实验教学开展，由于学时数和实验台套数的限制，不能每一个学生都能操作实验设备，采取学生先线上先学习，线下再操作设备的实验环节，帮助学生理解实验原理、实验操作流程和注意事项。利用虚拟仿真实验教学平台，将教学过程分阶段管理，采取课前预习教学、虚拟仿真实验预习操作，实验室实验设备操作三个教学环节。利用虚拟仿真教学平台、数值分析软件，与实际试验设备操作相结合，提升学生解决工程问题的能力。

1.利用虚拟仿真教学和实验设备操作相结合的常规性验证实验方式

在实验设备操作前，要求学生通过教学平台先线上学习，完成实验报告中的部分内容，具体的教学过程如下：

1）课前预习：学生通过教学平台进行实验指导手册课前预习，了解实验项目简介、实验内容以及实验原理，与理论知识进行衔接学习。

2）仿真实验操作预习：学生观看仿真实验视频和实际操作视频，可以根据自己的兴趣多次反复观看实验过程和实验操作，在线了解实验仪器和实验操作过程，完成实验报告中实验方案的制定，做好课中实验操作的准备。

3）课中实验设备操作：学生在教师的指导下，分组在实验室设备操作，记录数据。

4）课后：学生整理和分析实验数据，完成实验报告，形成实验总结。

2.利用实验设备操作和数值分析软件相结合的创新性综合实验方式

在新工科背景下的实验教学中，科技创新活动是实验教学内容改革的重要内容，也是培养大学生创新能力和创新成果的重要路径。利用实验设备对材料性能进行测试，在结构模型材料竹皮的力学性能分析中，学生根据结构设计大赛的题目进行杆件设计，自主设计杆件的截面形式，并制作完成结构模型。创新性综合实验利用实验设备操作和数值分析软件相结合的方式如下：

1）材料性能测试：学生在实验设备上测试结构模型材料竹皮的力学性能。

2）杆件设计：学生根据结构设计大赛的题目，自主设计杆件的截面形式，并制作完成结构模型。

3）数值分析软件计算：在数值分析软件中，建立截面形状下的力学模型，计算最不利截面的应力。

4）模型修改：利用结构软件对杆件进行建模和分析，根据数值分析的结果，进行杆件截面尺寸的优化和调整，并制作实际的结构模型。

5）模型加载：根据结构设计大赛的加载要求，进行模型的各级加载。

（三）思政元素融入

新工科人才培养，学生需要具备丰富的学科交叉知识外，还需要具有理想信念坚定、创新意识强、团队合作好、工匠精神等。材料力学实验采用小组完成的方式，每组3~4人，每次实验过程中，学生需要小组内分工，相互配合完成实验操作、数据记录、实验过程拍照等工作，实验完成后，还需要小组讨论实验数据的准确性，分析实验结果的正确性，总结实验是否成功。通过小组的方式，培养学生的团队合作精神。通过动手实践，提升了学生的观察问题、分析问题和解决问题的能力。创新性实验，学生通过自主设计竹皮的实验方案，创新学生的思维能力和自主学习能力。实验中杆件尺寸的量取要准确，数据的记录要真实，粘贴应变片要细致严谨，都需要学生具有精益求精的科学精神。结构模型的制作，每根杆的尺寸大小，杆件的连接，加载的失败等，让学生体会到精益求精的工匠精神，从失败中总结经验教训，设计更合理的方案。

（四）以赛促学，考核方式改革

为调动学生的学习积极性，提升学生的创新能力，材料力学课程将学生比赛成绩纳入考核成绩中。材料力学实验成绩组成为常规性实验和创新性实验两部分，依托校级结构模型设计大赛，将学生参加结构模型制作和比赛的成绩作为创新性实验成绩计入总成绩中，主要突出学生的综合能力和创新能力。五项常规性实验，每项占比相同，每一个常规性实验项目成绩由3部分组成，包含在线虚拟仿真学习成绩20%、操作成绩40%和实验报告成绩40%。结构模型设计创新性实验也由3部分组成，包括竹皮拉伸实验成绩、方案书和比赛成绩。

四、材料力学实验教学改革实施效果

自2021年秋季学期开始，实施材料力学实验教学改革，逐步建立了实验教学体系。通过2022级土木工程专业学生的问卷调查结果显示，88%的同学对材料力学实验教学满意，同学们认为课前线上虚拟仿真实验预习有助于熟悉实验操作流程和注意事项，加强对理论知识的理解。85%的同学认为以结构模型设计比赛为载体，能有效激发学生对专业的认同感，增强学生对力学解决工程实际问题的分析能力。实验教学改革在2021级和2022级土木工程专业教学中进行了实践，学生参加结构设计比赛的积极性得到了较大的提升，全体学生参加了比赛，2022级比2021级获奖的比例提升8%，学生参加第十五届和第十六届广东省结构设计比赛的获奖名次也得到了提升。

五、结束语

在新工科建设的背景下，材料力学课程坚持以学生为中心，以学生的实践能力提升为目标，教师在授课过程中注重培养学生的创新能力和解决实际工程问题的能力，通过构建“常规性实验+创新性实验”的实验教学体系，在常规性实验的基础上依托结构设计比赛，增加结构模型创新性实验。利用教学平台和虚拟仿真软件，采用虚实结合的教学手段，优化实验教学内容，提升学生学习兴趣。在教学实践中不断发现和总结新问题，促进材料力学实验课程的改革与建设，从而提高材料力学实验教学水平与质量，为国家培养出符合新时代需求的卓越工程人才。

参考文献：

[1]邵俊华，刘翔，王蕾等. 面向新工科的工程力学实验教学改革与实践[J]. 教育教学论坛, 2021, 21: 81-84.

[2]周赵凤, 张旭方, 黄英省等. 基于能力培养的“材料力学实验”改革与创新实践[J]. 装备制造技术, 2023(3): 186-188.

[3]康颖安，程玉兰，夏平等. 新工科背景下的材料力学实验教学改革[J]. 教育教学论坛, 2022,(18):73-76.

[4]章芳芳，朱红英，黄小峰. 新工科视域下基于分层次实验的材料力学实验教学改革[J]. 安徽建筑, 2021, (05): 111-113.

[5]赵辛. 材料力学实验的分层次教学改革[J]. 沈阳师范大学学报（自然科学版）, 2021, 39(3): 251-255. 

[6]董继蕾，崔怀海，卢小雨. 新工科背景下力学实验教学体系构建与实践[J]. 成都中医药大学学报（教育科学版）, 2021,23(4):73-80