工程實(shí)驗(yàn)在“高等動(dòng)力學(xué)”課程教學(xué)中的應(yīng)用

陸澤琦 趙龍

[摘 要] 數(shù)理基礎(chǔ)功底是很多力學(xué)專(zhuān)業(yè)的重要培養(yǎng)環(huán)節(jié)，但是大量抽象的數(shù)理公式使得培養(yǎng)教學(xué)步履維艱。針對(duì)這一問(wèn)題，以“高等動(dòng)力學(xué)”課程為例，提出以工程實(shí)驗(yàn)為主的教學(xué)模式，加強(qiáng)對(duì)數(shù)理公式和原理的認(rèn)識(shí)，并對(duì)比工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和課堂演示實(shí)驗(yàn)案例。實(shí)踐表明，實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)Τ橄髷?shù)理知識(shí)有更為形象的具體認(rèn)識(shí)。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)這一橋梁直觀認(rèn)識(shí)到數(shù)理知識(shí)的工程實(shí)踐和應(yīng)用價(jià)值，激發(fā)興趣，同時(shí)增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力和理論聯(lián)系實(shí)踐的能力，最終提出多種實(shí)驗(yàn)方式相結(jié)合的“高等動(dòng)力學(xué)”實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，可為?dāng)前高校“高等動(dòng)力學(xué)”和相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)提供借鑒。

[關(guān)鍵詞] 實(shí)驗(yàn)教學(xué);高等動(dòng)力學(xué);工程實(shí)驗(yàn);

[基金項(xiàng)目] 2019—2022年國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“隔振和能量采集一體化非線性設(shè)計(jì)及動(dòng)力學(xué)研究”（11872037）

[作者簡(jiǎn)介] 陸澤琦（1985—），男，浙江杭州人，工學(xué)博士，上海大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院副教授（通信作者），主要從事振動(dòng)與聲非線性控制研究。

[中圖分類(lèi)號(hào)] TH212;TH213.3? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ?[文章編號(hào)] 1674-9324（2021）32-0148-04? ?[收稿日期] 2021-01-08

高校教學(xué)是為國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)展提供高素質(zhì)人才的主要途徑，通過(guò)將理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的模式，可以讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中自主學(xué)習(xí)，深化對(duì)理論的理解，并從中積累實(shí)操經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建科學(xué)的思維方式和理論體系。所以，工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)在理工科培養(yǎng)方案中的重要性日益凸顯，并已成為教學(xué)體系的重要組成部分[1-3]。但是，像“高等動(dòng)力學(xué)”這種數(shù)理要求較高的課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)還沒(méi)涉及，且結(jié)合難度較大。相比力學(xué)專(zhuān)業(yè)的理論力學(xué)、材料力學(xué)、振動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)等，都已形成了相對(duì)成熟的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。雖然很多高校配套有動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，也有航天、船舶和軌道交通等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)需求，但是開(kāi)設(shè)“高等動(dòng)力學(xué)”實(shí)驗(yàn)的高校卻很少，更沒(méi)有用于教學(xué)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和場(chǎng)地。目前，高等動(dòng)力學(xué)[4，5]的研究發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)新的階段，具體表現(xiàn)在幾個(gè)方面：（1）研究問(wèn)題從建模和分析擴(kuò)展到優(yōu)化和控制;（2）研究手段從理論分析數(shù)值仿真擴(kuò)展到實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn);（3）研究驅(qū)動(dòng)從面向?qū)W科基本科學(xué)問(wèn)題拓展到兼顧國(guó)家戰(zhàn)略需求。在這個(gè)階段，實(shí)驗(yàn)條件已經(jīng)成為不可或缺的研究支撐。缺失實(shí)驗(yàn)條件對(duì)培養(yǎng)高質(zhì)量的研究生、大學(xué)生科技創(chuàng)新等本科生課外研究變得愈加困難。

本文分析了“高等動(dòng)力學(xué)”實(shí)驗(yàn)難以開(kāi)展的原因，討論了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和課堂實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)與不足，闡述了幾種實(shí)驗(yàn)實(shí)施應(yīng)用案例，提出了將多種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式相結(jié)合的“高等動(dòng)力學(xué)”教學(xué)模式[6-8]，用于更好地培養(yǎng)高素質(zhì)、高質(zhì)量的本科生。該研究可為力學(xué)本科與研究生教學(xué)及實(shí)驗(yàn)開(kāi)展提供借鑒，亦可為推廣到理工科課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供思路。

一、典型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綄?duì)比分析

（一）工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)是將課堂理論知識(shí)聯(lián)系實(shí)際生產(chǎn)工程的最佳教學(xué)形式之一，具有直觀性、參與性、互動(dòng)性、多元性等特點(diǎn)。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)是直接在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的，其課程內(nèi)容與學(xué)生在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)直接看到的設(shè)備和實(shí)驗(yàn)方法緊密地結(jié)合起來(lái)，從而打破課堂教學(xué)中動(dòng)力學(xué)方面實(shí)驗(yàn)的一些局限，豐富學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。因此，這種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ讲粌H有助于提升學(xué)生對(duì)數(shù)理知識(shí)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，而且更加深化學(xué)生對(duì)所學(xué)數(shù)理知識(shí)的理解等。

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)具有許多優(yōu)點(diǎn)，但也具有較多不足。首先是對(duì)于學(xué)生的安全問(wèn)題，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)與學(xué)校內(nèi)的實(shí)驗(yàn)室有著很大的不同，安全隱患眾多。對(duì)于很少涉足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，到處都存在不安全的因素。因此，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先，做好安全教育工作，以確保學(xué)生的人身安全。其次，進(jìn)入工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的選擇將會(huì)直接關(guān)系到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，應(yīng)根據(jù)課程中的理論教學(xué)內(nèi)容為依據(jù)，選擇與之吻合的工業(yè)場(chǎng)地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

（二）實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)通常指在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，借助各種實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，對(duì)一個(gè)確定的研究系統(tǒng)給予確定的輸入，從而得到研究系統(tǒng)的輸出并對(duì)其特點(diǎn)和規(guī)律進(jìn)行研究的實(shí)驗(yàn)方法。在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，具有培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、鍛煉學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力和提高其科研素質(zhì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理和分析能力等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，相比工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑瑢?shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ皆趯W(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中更具有安全性，容易讓學(xué)生進(jìn)行與課程中理論知識(shí)相吻合的實(shí)驗(yàn)，節(jié)省尋找特定工業(yè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的時(shí)間。

對(duì)于數(shù)理要求較高的課程，在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)具有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容操作難度大小的問(wèn)題，學(xué)生只能做一些操作難度較小、實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為粗糙的實(shí)驗(yàn)，像一些高等動(dòng)力學(xué)中具有一定難度的動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，則很難讓每位學(xué)生正確操作，獲得較為精確的結(jié)果。同時(shí)，對(duì)于需要工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中一些大型機(jī)械設(shè)備才可以完成的實(shí)驗(yàn)，在高校中無(wú)法完全發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)價(jià)值，購(gòu)買(mǎi)金額昂貴且占地空間大，實(shí)驗(yàn)室往往不會(huì)引進(jìn)此類(lèi)型的機(jī)械設(shè)備。所以，實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式將難以滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中對(duì)這類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求，這對(duì)培養(yǎng)高質(zhì)量的研究生、本科生有著阻礙的作用。

（三）課堂演示實(shí)驗(yàn)

課堂演示實(shí)驗(yàn)是通過(guò)多媒體PPT動(dòng)畫(huà)或授課教師操作演示和學(xué)生觀摩的形式開(kāi)展，以便于學(xué)生理解。這種方式歸屬觀察性實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?。它的?yōu)勢(shì)表現(xiàn)在多個(gè)方面：（1）結(jié)構(gòu)形式多樣，可以用動(dòng)畫(huà)演示任何結(jié)構(gòu)的受力和運(yùn)動(dòng)情況;（2）靈活性好，動(dòng)畫(huà)演示實(shí)驗(yàn)時(shí)間易于控制，與課堂授課內(nèi)容實(shí)時(shí)結(jié)合效果較好;（3）便于實(shí)施，無(wú)經(jīng)費(fèi)、場(chǎng)地等客觀條件限制。基于上述優(yōu)勢(shì)，這種實(shí)驗(yàn)方式在很多力學(xué)課堂中都受到關(guān)注和應(yīng)用。

對(duì)于實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，課堂演示實(shí)驗(yàn)存在明顯的不足之處。例如，在實(shí)際的動(dòng)手操作過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)參數(shù)的變化對(duì)結(jié)果產(chǎn)生的影響等，由于學(xué)生只是進(jìn)行觀摩，并不能實(shí)際操作、進(jìn)行獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)研究。除此之外，對(duì)于一些復(fù)雜性較高的動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，課堂上難以滿足實(shí)驗(yàn)條件，只能通過(guò)PPT動(dòng)畫(huà)對(duì)學(xué)生進(jìn)行演示，并不能綜合性、全方位地使學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)原理，所以在一定程度上限制了學(xué)生研究能力和綜合科研素質(zhì)的提升。