力学实验在创新型人才培养中发挥的作用分析_段静波.pdf

177-2023 年 3 月第 11 期Mar.2023No.11教育教学论坛EDUCATION AND TEACHING FORUM力学实验在创新型人才培养中发挥的作用分析段静波，徐步青（石家庄铁道大学 工程力学系，河北 石家庄 050043）摘 要 当前，创新型人才的竞争已然上升为世界各个国家的战略层面。实验教学作为学生实践和创新能力培养的关键环节，在创新型人才培养方面具有独特优势，能发挥重要作用。鉴于新时代创新型人才培养的重要性，结合多年来力学实验教学的经验，详细论述了高校力学实验教学在培养创新型人才理论基础与知识运用、创新思维与创新能力、团队协作意识与组织协调等方面发挥的重要作用，同时对目前力学实验教学中存在的一些问题，提出改进建议和意见。关键词 高校；创新型人才；人才培养；实验教学基金项目 2020年度石家庄铁道大学高等教育教学研究课题“材料力学课程思政研究与实践”（Y2020-8）作者简介 段静波（1982），男，山西晋城人，博士，石家庄铁道大学工程力学系副教授，主要从事力学实验研究。中图分类号 C482 文献标识码 A 文章编号 1674-9324（2023）11-0177-04 收稿日期 2022-04-20引言20世纪70年代，美国提出了培养具有创新精神的跨世纪人才目标。到80年代，日本高等教育界确立了培养学生创新能力的目标。90年代末，我国全面推进素质教育的规定中明确要求：高等教育要重视培养大学生的创新能力、实践能力和创业精神，普遍提高大学生的科学素质。由此可知，世界各国都非常重视创新型人才的培养。特别是进入21世纪，以技术和知识密集型为主要特征的知识经济时代，人类社会面临前所未有的激烈竞争，归根到底是教育和人才的竞争。为了更好地迎接挑战，从容面对竞争，使我们国家在挑战和竞争中立于不败之地，培养具有高度社会责任心、优秀知识水平、强大社会竞争力和国际竞争力、非凡实践创新能力的跨世纪创新型人才刻不容缓，高等院校在这方面肩负的使命重大，责无旁贷。新时代创新型人才要求高等院校必须在继承和发扬传统教育优势的基础上，大力开展以培养人的创新能力为基本价值取向的教育方法的探索，实现由传统教育观向创新教育观、传统教育方式向创新教育方式的转变。多年来，笔者在力学实验教学方面秉承以学生为本，知识传授、能力培养、素质提高协调发展的教育理念和能力培养为核心的实验教学观念，始终把学生的创新精神与实践能力培养贯穿整个教学过程，积极推动实验教学改革，创建有利于培养学生实践能力和创新能力的实验教学体系。一、实验教学在人才培养中的作用（一）理论知识的实践，综合知识的运用理论知识来源于实践，是对实践的总结和提高，同时又要接受实践的检验，并随着实践的发展而发展。因此，对于理论知识的学习，离不开实践，二者相辅相成、密不可分。大量事实表明，在高等理工科教学活动中，实验教学既是理论教学与实践相结合的必经渠道，也是将基础理论知识付诸实践、知识转化为能力、基础理论与先进技术相衔接的桥梁和纽带。1.通过基础实验教学加深对基本理论的理解。基础性实验教学主要是一些与力学基础课程相关的演示性、验证性实验，让学生了解实验设备原理，掌握操作方法、基本的实验理论和实验方法。实验教学中的基础性实验主要针对低年级学生设立：一方面，通过实验演示，观察一些与课程有关的科学现象，能让学生对抽象的物理概念、物理规律等产生直观的、生动形象的认识，从而调动学生学习的积极性、主动性，激发学生对相关理论知识的兴趣，引导学生从实验中发现问题，产生主178-教育教学论坛2023 年 3 月动解决问题的念头，让学生进一步学到课堂上没有理解或理解不到位的理论知识；另一方面，通过验证性实验操作，帮助学生验证一些有价值的定理，让学生自主实践和操作，对实验数据进行分析和思考，加深对理论知识的认识深度和理解程度，更好地把握事物之间的客观规律，理解基本原理是从哪里来的、怎么得出来的，在思维中形成对实际问题进行分析、总结的过程，将理论知识内化为学生的能力，避免出现学生对理论知识只知其然不知其所以然、只知其一不知其二，考试前死记硬背、考试后全部还给教师等不良现象。比如，用电测法测量横力弯曲梁的正应力实验，它是在弯曲梁段选择一个横截面，在其上沿梁的轴线方向粘贴五枚电阻应变计，中性轴上一枚，上、下边缘各一枚，另两枚距中性轴的距离均为四分之一的梁高。然后，利用一枚温度补偿计，接成四个四分之一电桥，分别测量每枚应变计在弯曲载荷作用下感受的应变，再利用单向应力状态下的胡克定律计算每枚应变计所感受的应力。将五枚电阻应变计感受的应力沿梁高画成一个坐标图，然后再与梁的弯曲正应力公式计算结果进行比较，从而验证理论公式的正确性。可以进一步引入弹性力学结果，通过弹性力学结果与材料力学结果进行比较，进一步说明对于细长梁，材料力学结果与弹性力学结果差不多，但是推导过程复杂很多，这主要是材料力学采用了平面假设，从而使学生认识到平面假设的重要性。此外，教师还可进行横力弯曲的有限元计算，把计算结果直接展示给学生，用有限元分析结果作为佐证材料，将梁弯曲抽象的理论知识以直观图形的形式展示给学生，有助于提高学生对材料力学中一些抽象概念、假设和结论的理解，提高学生的科研意识和工程意识，丰富教师的教学手段，增强学生对梁的弯曲变形的感性认识和理论知识的深入理解。2.通过综合实验教学提高知识运用能力。综合性实验教学是让学生运用所学知识，观察分析一些与专业相关的工程技术问题，启发学生思维，为今后的工作打下坚实的基础。综合性实验中，相当大比例的实验项目是直接来自实际工程或从实际工程问题中提炼出来的，一般由教师提出实验课题，让学生设计实验方案、选择实验设备、观测处理数据。这种实验多涉及学生所学多门基础课程中各方面的知识，也会涉及多学科的交叉与渗透，需要学生综合运用所学知识，在指导教师必要的启发和引导下完成。它主要针对高年级学生设立，是课堂理论教学内容的继续、补充、深化和强化。比如矩形截面的框架实验，这是一个比较复杂的超静定问题，但是根据对称性可以进行简化，再利用卡氏第二定理可以比较方便地求解出来，对比实验结果，从而验证实验结果的正确性。而且，对于高年级的学生，在此基础上，可以发挥主观能动性，让他们进一步分析这类复杂问题。另外，力学实验的内涵已经得到扩展，超出了传统实体实验范畴，有限元等数值方法成为力学实验不可或缺的解决方案，将理论、数值和实验等进行综合是未来力学实验教学的发展趋势。为此，在综合设计性实验中，我们增加了计算机编程和数值模拟相关内容，主要有三大块：结构实体实验、计算机编程和数值模拟。学生可以全做，也可以根据自己的兴趣选择其中两个。对于计算机编程，根据利用卡氏第二定理求出的结果及结构正应力计算结果，学生可选择MATLAB、FORTRAN或PYTHON等语言编程计算；对于数值模拟，可采用ANSYS、NASTRAN、ABAQUS等软件建模与分析。撰写的实验报告要包括相关理论计算、实验方法方案、编程流程及代码，以及数值模拟的力学模型、分析结果等。综合性实验的训练，可以加深学生对所学理论知识的认识深度，有利于培养学生面临具体问题时分析、综合、抽象、概括的能力，有利于锻炼学生在解决问题过程和问题总结定论阶段的对比、判断、推理及辩证思维能力。同时，让学生的实验能力培养尽量接近专业工程实际，在解决实际工程问题时不会感到陌生和束手无策，潜在地培养学生综合运用所学知识的能力。（二）创新思维的发掘，创新能力的培养创新是一个民族进步的灵魂，是一个国家兴旺发达的不竭动力。实验与实践是创新意识、创新思维、创新能力开发与培养的根本途径。只有通过实验，才能增强创新的意识，激发创新的思维，培养创新的精神，掌握创新的方法，提高创新的能力。1.开放的实验环境可以发掘学生的创新思维。创新思维是在已有的基础上发现新事物、创179-第 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期造新方法、解决新问题的思维过程，是多种思维的综合表现，是思维活动的高级过程，是创新型人才具备的核心能力。高校大学生的特点是具有敏锐的观察力、深邃的洞察力、丰富的想象力，善于捕捉新事物，善于进行事物之间的联想，同时具有较强的发散思维能力和聚合思维能力。开放性实验教学可以捕捉学生的特点，发掘学生的创新思维，是培养学生创造性思维的有效途径。首先，学生对事物和知识充满好奇。在实验设计或操作过程中，可以走出常规思维的套路圈子，不盲目跟从他人的观点和想法，敢于提出新思路和新办法，不安于现状，勇于求新求异，以其特有的热情质疑现有的知识，探索新观点，从而发展自身的创造性思维能力。其次，开放性的实验室可以给学生更多的自主思考和想象空间。由于不受具体教学内容的严格限制，学生在内容上有更大的选择空间，可选择一些感兴趣的实验项目，更好地培养兴趣和个人爱好。兴趣和热爱是创作的源泉和动力，可以激发学生的创新思维。最后，在开放性的实验环境中，学生可以有更多的时间进行思考，有更多的自我发挥空间，选择更感兴趣的内容进行操作，并对可能的操作方式进行合理想象和验证，或自带感兴趣的项目到开放的实验室验证，这样有利于形成创造性思维，产生创造性成果。2.创新型实验、科技创新活动可以培养学生的创新能力。创新能力不仅是具有创新意识和创新思维，更是一种能力体验，它需要切身的参与和训练才能实现能力的形成与发挥。实验室作为学生开展创新型实验和科技创新活动的基地，在学生创新能力培养过程中发挥着不可替代的作用。在创新型实验教学中，教师提出若干精心设计的实验命题，要求学生自主查阅国内外文献资料，了解和掌握相关知识，积极开动脑筋想办法，进行周密思考，设计切实可行的实验方案，搭建实验装置，综合运用已掌握的知识，独立面对并解决实验过程中可能出现的问题，独立进行实验观察、现象判断，独立完成实验报告。这种实验方式充分调动了学生的积极性，不仅拓宽了学生的知识面，更重要的是很好地培养了学生独立解决问题和创新的能力。部分本科学生在参加创新实验项目的过程中还在期刊上发表了实验研究论文。此外，各类科技创新活动也是培养学生科技创新能力的重要手段和有效载体，科技创新活动正是一种很好的创新实践。学生在参加各种形式的科技创新活动时，都要深入与课题相关的知识领域，掌握相关技能，自己去思考和探索。这一过程不仅有利于学生拓宽知识面，深化知识并建立合理的知识结构，更重要的是能培养学生的创新能力，激发学生独立思考问题和解决问题的兴趣。近年来，大学生的创新能力培养已成为众多高校努力探索的重要课题。我校在这方面陆续推出一系列政策和举措，充分利用实验室条件和实验手段，积极鼓励学生参加国内外举办的各项科技竞赛活动，并取得了显著效果。而且，“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛、全国周培源大学生力学竞赛、全国数学建模竞赛、全国电子设计大赛等竞赛，每届的参赛人员数量、作品质量和数量都呈上升趋势，获奖比例逐年增加，部分科技成果已申请或正在申请国家发明专利。（三）团队意识的强化，综合素质的提高实验教学可以让学生通过实验验证、巩固基本概念和基本规律，激发学生的创新意识，培养创新精神；还可以运用有效的教学手段和教学方式培养学生的科研创新能力及其他能力素质，发展学生的综合素质；同时，在实验教学过程中增强学生间的团结协作意识，为他们今后更好地学习、科研、工作打下扎实的基础。1.实验过程可以培养学生的团结协作意识。团队协作意识是科研人员应具备的基本素质，要求科研实验人员在实验活动中能与团队中的他人愉快合作和共处。特别是一些大型的、复杂的研究型实验、创新型实验，均是以师生团队的形式协作推进的，这样必然存在教师与学生、学生与学生之间长期深入的讨论、交流和协同合作，取长补短、互相帮助，共同完成实验任务，从中增强学生的团结合作精神，树立团队合作的观念。2.实验过程中可以培养学生的多种能力。实验教学环节的基本特点就是实践性。学生通过动手做实验，可以获得一定的感性认识和实验操作能力，参与设备结构拆装、定期维护和清理工作，进一步提高动手能力。此外，基于实验自身的特点，在实验教学中，还可以培养学生的多种能力。比如，购买实验材段静波，等 力学实验在创新型人才培养中发挥的作用分析180-教育教学论坛2023 年 3 月料、加工实验件，可以培养学生的交往能力；解释实验现象，讨论实验报告，可以培养学生的表达能力；担任实验团队的小组长，可以锻炼学生的组织管理能力。这些方面的能力素质，对于大学生也相当重要。二、对当前实验教学的一些思考（一）进一步转变教育观念，提高实验教学的地位旧的传统观念过于强调理论对实验的指导作用，把实验教学仅看作完成课堂理论教学的辅助手段，这种重理论、轻实验的教育观念在相当多的教育工作者中根深蒂固。在新形势下，必须彻底转变思想观念，充分认识到实验教学在创新型人才培养方面发挥的重要作用，客观地分析目前存在的问题，切合实际地提出实验教学的具体改革措施，真正把实验教学提高到与理论教学同等重要的地位。（二）进一步完善实验室开放制度，加大实验室开放力度开放性实验室有利于推进素质教育和培养创新型人才。一方面，高校实验室应根据自身研究内容、仪器设备、人员情况，进一步增加开放性实验内容，提高实验室的开放力度，积极为学生参加各类实践活动提供便利条件；另一方面，结合实际情况，引导和促进跨校区、跨学院、跨实验室的仪器设备开放使用，扩大仪器设备的共享范围，实现资源共享，更好地发挥实验室在创新型人才培养中的支撑作用。（三）进一步紧跟科技前沿，增强学科交叉性随着科学技术和学科的发展，学科之间的相互渗透、相互交叉日益增多。在实验教学内容方面，要将学科发展的新成果、新实验技术、新实验方法及时吸收到实验教学中来，逐步增加交叉学科的综合性实验、创新性实验比重，增加对学生综合能力训练的内容，加强与工程实践的有机联系，体现实验教学的前沿性。（四）进一步挖掘思政育人功能，强化育人氛围加强实验室育人文化氛围的建设，扩展实验室的思政育人功能，建立并完善实验室的育人运行机制，充分发挥实验室的资源优势、功能优势和实践优势，为学生综合素质与能力的全面提高提供优良环境和条件。Analysis on the Roles of Mechanics Experiment Teaching in the Cultivation of Innovative TalentsDUAN Jing-bo,XU Bu-qing(Department of Engineering Mechanics,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang,Hebei 050043,China)Abstract:Currently,the competition for innovative talents has risen to the strategic level of countries all over the world.As a key link in the cultivation of students practical ability and innovative ability,experiment teaching has unique advantages in cultivating innovative talents and plays a very important role in the cultivation of innovative talents.In this paper,the significance of training for innovative talents in the new era is analyzed.Combined with the authors years of experience in mechanics experiment teaching,it discusses in detail the important roles played by the mechanics experiment teaching in cultivating students theoretical basis,knowledge application ability,innovative thinking and ability,team cooperation consciousness and organization coordination ability,etc.At last,some constructive suggestions for the current experiment teaching are put forward.Keywords:colleges and universities;innovative talents;talent training;experimental teaching