工程力学课程实验的创新和改革思路探讨

花少震 刘华博 段翠芳 张春梅

摘要：针对工程力学课程理论性较强，且与工程实践应用衔接不紧密的特点，该文阐述了工程力学课程实验对理论教学及对学生能力培养的促进作用，分析了当下工程力学课程实验的现状以及存在的问题。为了提高学生的创新和解决工程问题的能力，该文还对新工科背景下工程力学课程实验的改革思路进行了探讨，提出了虚拟仿真实验协同开放式实验报告相辅的改革思路，并通过转动惯量测量实验以及弯曲正应力测量实验分别阐述了开放式实验报告和虚拟仿真技术在实验中的应用，且论证了这种改革思路的实践性和创新性。

关键词：工程力学实验创新虚拟仿真

中图分类号：G642文献标识码：A        文章编号：1672-3791（2022）01（a）-0000-00

Discussion on the Innovation and Reform of Engineering Mechanics Experiment

HUA Shaozhen  LIU Huabo  DUAN Cuiang  ZHANG Chunmei

（School of Mechanical Engineering， Henan Institute of Technology， Xinxiang， Henan Province， 453003 China）

Abstract：In view of the strong theoretical background of Engineering Mechanics and the lack of close connection with engineering application， this paper expounds the promoting effect of engineering mechanics course experiments on classroom theoretical teaching and training of students' ability， and analyzes the current situation and existing problems of engineering mechanics course experiments. In order to improve the students' innovation and ability to solve engineering problems， this paper also discussed the reform idea of engineering mechanics experiment under the background of new engineering， and the reform idea of virtual simulation experiment combined with open experimental report was proposed. Through the measurement of moment of inertia and normal stress of bending， the open experimental report and virtual simulation technology were described respectively.The practicality and innovation of this reform idea was also demonstrated.

Key Words：Engineering mechanics; Experiment; Innovation; Virtual simulation

工程力學是一些工科类专业的专业基础课，是连接基础课程和后续专业课程的纽带和桥梁，课程主要研究刚体机械运动的一般规律以及杆件的变形，是涵盖理论力学和材料力学课程的综合课程。其主要特点是课程的理论性较强，课程理论可以直接应用于工程实践，但具有较高的抽象性，和实践应用衔接不牢。为了弥补工程力学和实践应用不牢的缺点，一些高校在开设工程力学课堂教学的同时，还开设了工程力学实验。虽然工程力学课程实验的开设一定程度上加强了学生的工程实践能力，但是也面临着一些问题。段诗雨[1]分析了工程力学实验教学现状。简单的工程力学课堂理论教学和实验教学也不满足当前我国新工科建设战略要求。新工科建设以培养新兴工程技术人才为目标，培养不仅具有扎实的理论知识，而且具有突出的实践能力的新兴工程技术人才以适应时代的发展[2]。这就要求高校在培养学生的过程中，不仅仅是强化理论教学，而且需要着重培养学生分析和解决工程实践问题的能力。李雯[3]提出通过综合性实验项目设计教学改革，提升学生的综合思维能力和对工程力学性质性能的综合判断能力。邵冰莓[4]探索了通过与行业结合，多平台教学资源的建设，对学生的科学探究能力进行系统的启蒙与训练的实验改革探索。此外，岳建彬[5]提出采用虚拟现实、华珍[6]提出采用ADINA、许月梅[7]提出云教材建设辅助工程力学实验的改革思路。该文针对新工科背景下工程力学实验教学的现状以及存在的问题，在强化学生理论知识的基础上，以培养学生的工程实践应用能力为目标，探索工程力学课程实验的改革思路。

1 工程力学课程实验教学现状

工程力学实验是为了弥补理论课程教学与实践结合不紧密而设。由于工程力学涵盖理论力学和材料力学课程，所以工程力学实验可以囊括理论力学实验和材料力学实验，是理论课程教学的重要补充，是对课堂理论的实践论证。但是由于课时的限制，一般工程力学课程实验项目只是有选择地开设，甚至有些高校不开设工程力学课程实验。但是对于以培养学生的工程实践应用能力为目标的应用型本科院校，开设工程力学课程实验对学生能力的培养至关重要，是锻炼学生实践能力的重要途径。针对当前应用型本科院校工程力学实验的开设状况，其主要存在以下问题。

1.1 实验内容不能满足需求

随着科技的不断发展，对高校学生的培养要求也不断提升。对于应用型本科院校，对学生的培养不仅仅要掌握工程力学基本理论知识，而且还要掌握一定的实践应用能力随着当前多学科的交叉发展，对工程力学知识应用能力日益凸显。而开设工程力学实验则是对实践应用能力的重要补充。但目前所开设工程力学实验一般多为传统项目，项目内容简单陈旧，且多验证性实验，虽然一定程度上可以加深学生对工程力学理论知识的理解，但依然无法有效衔接工程应用，更无法服务多学科交叉融合发展。以材料力学实验为例，其实验对象多为杆状结构，而工程中的受力结构往往比较复杂，虽然可以通过材料力学实验测得工程结构所用材料的一些材料参数，但是对于实际工况下的力学性能则无法通过材料力学实验测得，所以这就限制了学生解决工程问题的能力。因此，在开设工程力学实验项目时，需要对实验内容进行创新和改革，通过搭设连接实验和工程问题的桥梁，不仅仅可以验证课堂理论教学，还提供对工程问题的解决途径，以达到培养学生工程应用能力的目的，更好地服务我国的新工科建设。

1.2 实验条件不能满足需求

工程力学课程实验的开设，是对理论知识的有效验证，同时也有力地培养了学生的动手能力，对培养学生的独立分析和解决问题的能力至关重要。所以目前国内一些高校均建设了工程力学相关实验室，然而由于实验室成本以及场地等因素的限制，工程力学课程实验在开设存在一些与培养目标不符的问题。首先，一般随着技术的不断发展，实验设备应该及时更新换代，然而由于购置成本的制约，有些实验设备陈旧老化，无法胜任学生的培养工作。其次，由于工程力学为专业基础课，其实验设备的购置数量受到限制，导致实验课开设过程中无法让学生有效参与进去，学生观摩指导老师做实验或者几个人分组用一台机器做完成实验项目，严重制约了学生的动手能力，更无法培养学生解决问题的能力。实验条件不能满足培养学生过程中日益增长的需求是一个普遍存在的现象，而且这种矛盾必将长期存在。因此需要探索一种方法或途径能够替代或者弥补实验条件限制所带来的问题。

1.3 实验缺少实践性和创新性

一般来说，课程实验以验证课程理论，培养学生动手能力为主要目的，这也是开设工程力学实验项目的目的，并且实现了理论和实践的初步结合。但是在当前时代背景下，应用型本科院校的目标是培养具有突出实践能力的新兴工程技术人才，这要求学生具有较强的实践能力。因此，开设课程实验项目不仅仅要求具有验证理论，还需要具有较强的实践性和创新性。从图1可以看出，传统的工程力学实验项目主要目的是验证一些基本力学理论，不能很好地衔接工程实践，而且实验内容没有体现不同学科之间交叉融合，缺乏创新性。所以传统的工程力学实验项目需要进行改革和创新才能满足当前应用型本科院校的培养需求，在传统实验项目的基础上突出实践性和创新性，在验证理论的同时突出培养学生的实践能力。

2 工程力学课程实验改革方法

为了弥补工程力学课程实验缺乏实践性以及创新性的特点，在不增加成本且保留原有实验项目的前提下，对原有实验项目从内容、方法等方面进行改革。从开放式实验报告以及虚拟仿真应用的角度阐述对工程力学实验的实践性及创新性的促进作用。

2.1 开放式实验报告

一般来说，在完成实验教学后，学生都会有撰写实验报告的任务要求。学生在固定格式的实验报告上填写实验课堂记录的数据和现象，然后进行数据分析和处理。实验报告是课程实验的重要环节，是理论联系实际的重要体现，锻炼了学生分析问题解决问题的能力。然而固定格式的实验报告没有提供学生自由发挥的空间，限制了学生的创新能力的培养。因此，在实验报告部分，除了实验数据及现象的记录与分析处理，应该设置相对的模块为学生提供自由发挥的空间，以锻炼学生的创新能力。

以转动惯量测量实验为例。转动惯量是物体绕轴轉动时惯性的度量，可以通过数学公式直接计算出形状简单物体的转动量。而对于形状复杂物体的转动惯量，则需要采用实验方法间接测得。根据相同质量物体的转动周期相同时，二者的转动惯量相同的原理。可以先应用公式计算出简单形状的转动惯量并用实验测得其的转动周期，再利用实验测得复杂形状构件的转动惯量，然后根据等效原理算出复杂结构件的转动惯量。在实验测量过程中，由于初始扰动的不同，简单形状构件和复杂构件的转动周期很难相同，所以等效计算复杂件的转动惯量时就需要采用数值分析手段确定。一般固定格式的实验报告则直接给出一个插值公式计算复杂件的转动惯量，学生直接带入公式计算，而忽略了误差、精度以及一些特殊情况的处理。为了培养学生解决问题以及创新能力，可以将实验报告这部分内容设置为开放形式，不提供计算公式或者只提供思路，将探寻等效方法交给学生，引导学生思考问题，充分发挥学生的创新能力，进而通过这种模式可以极大地促进学生能力的培养。除了转动惯量实验，其他的工程力学实验报告均可以通过这种开放式的形式，引导学生思考问题，探寻解决问题解决方法，以促进学生的创新能力。

2.2 虚拟仿真

虚拟仿真是现代信息技术和实验教学项目融合先进教学方式，能有效拓展实验教学的深度和广度，是提升实验教学质量和水平的重要举措。目前虚拟仿真实验教学已被教育部列为国家教学项目，得到了大力支持。虽然虚拟仿真技术优点众多，但是同传统的实验室建设相似，虚拟仿真实验室的建设依然需要投入较大成本，除了硬件设施，还需要在软件等资源上有较大投入。为了克服成本上的问题，该文提出以传统实验项目为基础，以CAE虚拟仿真技术为辅助，二者协同作用，拓宽和加深实验教学内容的深度，增加实验项目的实践性和创新性。

以弯曲正应力测量实验为例。图2为弯曲正应力实验测量装置，可以测得不同载荷下简支梁中心位置上一些测点的应变，然后通过胡克定律计算出该点处的正应力，并同理论值进行比较。弯曲正应力实验用测量值验证了课堂讲授的理论，但同实际结合不紧密，对于一些工程复杂构件无法求其受到弯曲作用时的正应力。将CAE分析同实验相结合，用实验测量值、CAE求解值同理论值进行对比分析，既验证了理论的正确性，又将实验测量、书本理论、工程实践有机结合。图2为简支梁实验受力模型，以及采用Ansys workbench 17.0分析的F=500N时正应力的计算云图，其中简支梁的材料参数为E=206GPa， 。可以发现两种情况下简支梁的正应力相差较小，见图2（b）。表1为图3所示实验测量、理论计算、CAE分析简支梁在不同F下最大正应力对比，可以发现三者之间的误差小于0.5%，远小于工程中5%的误差范围，说明这3种方法求解简支梁不同载荷下的最大正应力均是有效的。而且从图2（b）中正应力分布云图可以发现，仿真所求得正应力分布和理论分布规律弯曲吻合，即中心层正应力最小，离中心层越远正应力越大。

除了弯曲正应力实验，其他诸如轴向拉压、圆轴扭转实验等均可以通过采用CAE虚拟仿真技术辅助工程力学课堂教学和课程实验，而且这种基于CAE的虚拟仿真直接衔接工程问题，极大地提升了学生解决工程问题的能力，对学生创新能力的培养也是一个极大的促进。

3结语

工程力学课程实验是为了弥补工程力学课程理论性较强与实践结合不紧密特点。但是在当前时代背景下，工程力学课程实验依然存在实验内容和条件不能满足需求，以及缺少实践性和创新性的特点。针对工程力学实验项目存在的问题，在不改变传统实验项目的基础上以及不增加成本的角度，提出了开放式实验报告以及采用虚拟仿真技术辅助实验的手段，并且用两个传统实验项目分别阐述了改革方法与内容。

参考文献

[1] 段诗雨.工程力学实验教学现状及对策[J].西部素质教育，2020，6（8）：167-168.

[2] 林健.面向未来的中国新工科建设[J].清华大学教育研究，2017，38（2）：26-35.

[3] 李雯.工程力学、材料力学实验课程综合性项目教学改革[J].造纸装备及材料，2020，49（4）：195-196.

[4] 邵冰莓，李晋川，郑庭辉，等.基于“强基计划”的工程力学综合实验改革[J].实验技术与管理，2021，38（3）：168-172.

[5] 岳建彬.工程力学实验教学中虚拟现实技术的应用分析[J].当代教育实践与教学研究，2019（16）：7-8.

[6] 华珍，王天锡，张绪贞，等.基于ADINA的工程力学实验改革[J].高教学刊，2019（2）：141-144.

[7] 许月梅.新工科工程力学云教材建设的研究与实践[J].力学与实践，2020，42（3）：368-371.