花少震 劉華博 段翠芳 張春梅

摘要：針對(duì)工程力學(xué)課程理論性較強(qiáng)，且與工程實(shí)踐應(yīng)用銜接不緊密的特點(diǎn)，該文闡述了工程力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)對(duì)理論教學(xué)及對(duì)學(xué)生能力培養(yǎng)的促進(jìn)作用，分析了當(dāng)下工程力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)狀以及存在的問(wèn)題。為了提高學(xué)生的創(chuàng)新和解決工程問(wèn)題的能力，該文還對(duì)新工科背景下工程力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)的改革思路進(jìn)行了探討，提出了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)協(xié)同開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)報(bào)告相輔的改革思路，并通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量實(shí)驗(yàn)以及彎曲正應(yīng)力測(cè)量實(shí)驗(yàn)分別闡述了開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)報(bào)告和虛擬仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，且論證了這種改革思路的實(shí)踐性和創(chuàng)新性。

關(guān)鍵詞：工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新虛擬仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ?文章編號(hào)：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(xué)是一些工科類(lèi)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，是連接基礎(chǔ)課程和后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程的紐帶和橋梁，課程主要研究剛體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的一般規(guī)律以及桿件的變形，是涵蓋理論力學(xué)和材料力學(xué)課程的綜合課程。其主要特點(diǎn)是課程的理論性較強(qiáng)，課程理論可以直接應(yīng)用于工程實(shí)踐，但具有較高的抽象性，和實(shí)踐應(yīng)用銜接不牢。為了彌補(bǔ)工程力學(xué)和實(shí)踐應(yīng)用不牢的缺點(diǎn)，一些高校在開(kāi)設(shè)工程力學(xué)課堂教學(xué)的同時(shí)，還開(kāi)設(shè)了工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)。雖然工程力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)一定程度上加強(qiáng)了學(xué)生的工程實(shí)踐能力，但是也面臨著一些問(wèn)題。段詩(shī)雨[1]分析了工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀。簡(jiǎn)單的工程力學(xué)課堂理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)也不滿(mǎn)足當(dāng)前我國(guó)新工科建設(shè)戰(zhàn)略要求。新工科建設(shè)以培養(yǎng)新興工程技術(shù)人才為目標(biāo)，培養(yǎng)不僅具有扎實(shí)的理論知識(shí)，而且具有突出的實(shí)踐能力的新興工程技術(shù)人才以適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展[2]。這就要求高校在培養(yǎng)學(xué)生的過(guò)程中，不僅僅是強(qiáng)化理論教學(xué)，而且需要著重培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程實(shí)踐問(wèn)題的能力。李雯[3]提出通過(guò)綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)教學(xué)改革，提升學(xué)生的綜合思維能力和對(duì)工程力學(xué)性質(zhì)性能的綜合判斷能力。邵冰莓[4]探索了通過(guò)與行業(yè)結(jié)合，多平臺(tái)教學(xué)資源的建設(shè)，對(duì)學(xué)生的科學(xué)探究能力進(jìn)行系統(tǒng)的啟蒙與訓(xùn)練的實(shí)驗(yàn)改革探索。此外，岳建彬[5]提出采用虛擬現(xiàn)實(shí)、華珍[6]提出采用ADINA、許月梅[7]提出云教材建設(shè)輔助工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)的改革思路。該文針對(duì)新工科背景下工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀以及存在的問(wèn)題，在強(qiáng)化學(xué)生理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，以培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐應(yīng)用能力為目標(biāo)，探索工程力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)的改革思路。

1 工程力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)是為了彌補(bǔ)理論課程教學(xué)與實(shí)踐結(jié)合不緊密而設(shè)。由于工程力學(xué)涵蓋理論力學(xué)和材料力學(xué)課程，所以工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)可以囊括理論力學(xué)實(shí)驗(yàn)和材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)，是理論課程教學(xué)的重要補(bǔ)充，是對(duì)課堂理論的實(shí)踐論證。但是由于課時(shí)的限制，一般工程力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目只是有選擇地開(kāi)設(shè)，甚至有些高校不開(kāi)設(shè)工程力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)。但是對(duì)于以培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐應(yīng)用能力為目標(biāo)的應(yīng)用型本科院校，開(kāi)設(shè)工程力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)至關(guān)重要，是鍛煉學(xué)生實(shí)踐能力的重要途徑。針對(duì)當(dāng)前應(yīng)用型本科院校工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)狀況，其主要存在以下問(wèn)題。

1.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不能滿(mǎn)足需求

隨著科技的不斷發(fā)展，對(duì)高校學(xué)生的培養(yǎng)要求也不斷提升。對(duì)于應(yīng)用型本科院校，對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)不僅僅要掌握工程力學(xué)基本理論知識(shí)，而且還要掌握一定的實(shí)踐應(yīng)用能力隨著當(dāng)前多學(xué)科的交叉發(fā)展，對(duì)工程力學(xué)知識(shí)應(yīng)用能力日益凸顯。而開(kāi)設(shè)工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)則是對(duì)實(shí)踐應(yīng)用能力的重要補(bǔ)充。但目前所開(kāi)設(shè)工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)一般多為傳統(tǒng)項(xiàng)目，項(xiàng)目?jī)?nèi)容簡(jiǎn)單陳舊，且多驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，雖然一定程度上可以加深學(xué)生對(duì)工程力學(xué)理論知識(shí)的理解，但依然無(wú)法有效銜接工程應(yīng)用，更無(wú)法服務(wù)多學(xué)科交叉融合發(fā)展。以材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)為例，其實(shí)驗(yàn)對(duì)象多為桿狀結(jié)構(gòu)，而工程中的受力結(jié)構(gòu)往往比較復(fù)雜，雖然可以通過(guò)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)得工程結(jié)構(gòu)所用材料的一些材料參數(shù)，但是對(duì)于實(shí)際工況下的力學(xué)性能則無(wú)法通過(guò)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，所以這就限制了學(xué)生解決工程問(wèn)題的能力。因此，在開(kāi)設(shè)工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行創(chuàng)新和改革，通過(guò)搭設(shè)連接實(shí)驗(yàn)和工程問(wèn)題的橋梁，不僅僅可以驗(yàn)證課堂理論教學(xué)，還提供對(duì)工程問(wèn)題的解決途徑，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用能力的目的，更好地服務(wù)我國(guó)的新工科建設(shè)。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件不能滿(mǎn)足需求

工程力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)，是對(duì)理論知識(shí)的有效驗(yàn)證，同時(shí)也有力地培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立分析和解決問(wèn)題的能力至關(guān)重要。所以目前國(guó)內(nèi)一些高校均建設(shè)了工程力學(xué)相關(guān)實(shí)驗(yàn)室，然而由于實(shí)驗(yàn)室成本以及場(chǎng)地等因素的限制，工程力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)在開(kāi)設(shè)存在一些與培養(yǎng)目標(biāo)不符的問(wèn)題。首先，一般隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，實(shí)驗(yàn)設(shè)備應(yīng)該及時(shí)更新?lián)Q代，然而由于購(gòu)置成本的制約，有些實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊老化，無(wú)法勝任學(xué)生的培養(yǎng)工作。其次，由于工程力學(xué)為專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，其實(shí)驗(yàn)設(shè)備的購(gòu)置數(shù)量受到限制，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)課開(kāi)設(shè)過(guò)程中無(wú)法讓學(xué)生有效參與進(jìn)去，學(xué)生觀摩指導(dǎo)老師做實(shí)驗(yàn)或者幾個(gè)人分組用一臺(tái)機(jī)器做完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，嚴(yán)重制約了學(xué)生的動(dòng)手能力，更無(wú)法培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的能力。實(shí)驗(yàn)條件不能滿(mǎn)足培養(yǎng)學(xué)生過(guò)程中日益增長(zhǎng)的需求是一個(gè)普遍存在的現(xiàn)象，而且這種矛盾必將長(zhǎng)期存在。因此需要探索一種方法或途徑能夠替代或者彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)條件限制所帶來(lái)的問(wèn)題。

1.3 實(shí)驗(yàn)缺少實(shí)踐性和創(chuàng)新性

一般來(lái)說(shuō)，課程實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證課程理論，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力為主要目的，這也是開(kāi)設(shè)工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目的，并且實(shí)現(xiàn)了理論和實(shí)踐的初步結(jié)合。但是在當(dāng)前時(shí)代背景下，應(yīng)用型本科院校的目標(biāo)是培養(yǎng)具有突出實(shí)踐能力的新興工程技術(shù)人才，這要求學(xué)生具有較強(qiáng)的實(shí)踐能力。因此，開(kāi)設(shè)課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不僅僅要求具有驗(yàn)證理論，還需要具有較強(qiáng)的實(shí)踐性和創(chuàng)新性。從圖1可以看出，傳統(tǒng)的工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要目的是驗(yàn)證一些基本力學(xué)理論，不能很好地銜接工程實(shí)踐，而且實(shí)驗(yàn)內(nèi)容沒(méi)有體現(xiàn)不同學(xué)科之間交叉融合，缺乏創(chuàng)新性。所以傳統(tǒng)的工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需要進(jìn)行改革和創(chuàng)新才能滿(mǎn)足當(dāng)前應(yīng)用型本科院校的培養(yǎng)需求，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上突出實(shí)踐性和創(chuàng)新性，在驗(yàn)證理論的同時(shí)突出培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。

2 工程力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)改革方法

為了彌補(bǔ)工程力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)缺乏實(shí)踐性以及創(chuàng)新性的特點(diǎn)，在不增加成本且保留原有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的前提下，對(duì)原有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目從內(nèi)容、方法等方面進(jìn)行改革。從開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)報(bào)告以及虛擬仿真應(yīng)用的角度闡述對(duì)工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐性及創(chuàng)新性的促進(jìn)作用。

2.1 開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)報(bào)告

一般來(lái)說(shuō)，在完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)后，學(xué)生都會(huì)有撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的任務(wù)要求。學(xué)生在固定格式的實(shí)驗(yàn)報(bào)告上填寫(xiě)實(shí)驗(yàn)課堂記錄的數(shù)據(jù)和現(xiàn)象，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。實(shí)驗(yàn)報(bào)告是課程實(shí)驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)，是理論聯(lián)系實(shí)際的重要體現(xiàn)，鍛煉了學(xué)生分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力。然而固定格式的實(shí)驗(yàn)報(bào)告沒(méi)有提供學(xué)生自由發(fā)揮的空間，限制了學(xué)生的創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。因此，在實(shí)驗(yàn)報(bào)告部分，除了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及現(xiàn)象的記錄與分析處理，應(yīng)該設(shè)置相對(duì)的模塊為學(xué)生提供自由發(fā)揮的空間，以鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力。

以轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量實(shí)驗(yàn)為例。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是物體繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)慣性的度量，可以通過(guò)數(shù)學(xué)公式直接計(jì)算出形狀簡(jiǎn)單物體的轉(zhuǎn)動(dòng)量。而對(duì)于形狀復(fù)雜物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，則需要采用實(shí)驗(yàn)方法間接測(cè)得。根據(jù)相同質(zhì)量物體的轉(zhuǎn)動(dòng)周期相同時(shí)，二者的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相同的原理?？梢韵葢?yīng)用公式計(jì)算出簡(jiǎn)單形狀的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量并用實(shí)驗(yàn)測(cè)得其的轉(zhuǎn)動(dòng)周期，再利用實(shí)驗(yàn)測(cè)得復(fù)雜形狀構(gòu)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，然后根據(jù)等效原理算出復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。在實(shí)驗(yàn)測(cè)量過(guò)程中，由于初始擾動(dòng)的不同，簡(jiǎn)單形狀構(gòu)件和復(fù)雜構(gòu)件的轉(zhuǎn)動(dòng)周期很難相同，所以等效計(jì)算復(fù)雜件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)就需要采用數(shù)值分析手段確定。一般固定格式的實(shí)驗(yàn)報(bào)告則直接給出一個(gè)插值公式計(jì)算復(fù)雜件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，學(xué)生直接帶入公式計(jì)算，而忽略了誤差、精度以及一些特殊情況的處理。為了培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題以及創(chuàng)新能力，可以將實(shí)驗(yàn)報(bào)告這部分內(nèi)容設(shè)置為開(kāi)放形式，不提供計(jì)算公式或者只提供思路，將探尋等效方法交給學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生思考問(wèn)題，充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新能力，進(jìn)而通過(guò)這種模式可以極大地促進(jìn)學(xué)生能力的培養(yǎng)。除了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量實(shí)驗(yàn)，其他的工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告均可以通過(guò)這種開(kāi)放式的形式，引導(dǎo)學(xué)生思考問(wèn)題，探尋解決問(wèn)題解決方法，以促進(jìn)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2.2 虛擬仿真

虛擬仿真是現(xiàn)代信息技術(shù)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目融合先進(jìn)教學(xué)方式，能有效拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度和廣度，是提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和水平的重要舉措。目前虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)已被教育部列為國(guó)家教學(xué)項(xiàng)目，得到了大力支持。雖然虛擬仿真技術(shù)優(yōu)點(diǎn)眾多，但是同傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)相似，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)依然需要投入較大成本，除了硬件設(shè)施，還需要在軟件等資源上有較大投入。為了克服成本上的問(wèn)題，該文提出以傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為基礎(chǔ)，以CAE虛擬仿真技術(shù)為輔助，二者協(xié)同作用，拓寬和加深實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的深度，增加實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)踐性和創(chuàng)新性。

以彎曲正應(yīng)力測(cè)量實(shí)驗(yàn)為例。圖2為彎曲正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置，可以測(cè)得不同載荷下簡(jiǎn)支梁中心位置上一些測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變，然后通過(guò)胡克定律計(jì)算出該點(diǎn)處的正應(yīng)力，并同理論值進(jìn)行比較。彎曲正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)用測(cè)量值驗(yàn)證了課堂講授的理論，但同實(shí)際結(jié)合不緊密，對(duì)于一些工程復(fù)雜構(gòu)件無(wú)法求其受到彎曲作用時(shí)的正應(yīng)力。將CAE分析同實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，用實(shí)驗(yàn)測(cè)量值、CAE求解值同理論值進(jìn)行對(duì)比分析，既驗(yàn)證了理論的正確性，又將實(shí)驗(yàn)測(cè)量、書(shū)本理論、工程實(shí)踐有機(jī)結(jié)合。圖2為簡(jiǎn)支梁實(shí)驗(yàn)受力模型，以及采用Ansys workbench 17.0分析的F=500N時(shí)正應(yīng)力的計(jì)算云圖，其中簡(jiǎn)支梁的材料參數(shù)為E=206GPa， ?？梢园l(fā)現(xiàn)兩種情況下簡(jiǎn)支梁的正應(yīng)力相差較小，見(jiàn)圖2（b）。表1為圖3所示實(shí)驗(yàn)測(cè)量、理論計(jì)算、CAE分析簡(jiǎn)支梁在不同F(xiàn)下最大正應(yīng)力對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)三者之間的誤差小于0.5%，遠(yuǎn)小于工程中5%的誤差范圍，說(shuō)明這3種方法求解簡(jiǎn)支梁不同載荷下的最大正應(yīng)力均是有效的。而且從圖2（b）中正應(yīng)力分布云圖可以發(fā)現(xiàn)，仿真所求得正應(yīng)力分布和理論分布規(guī)律彎曲吻合，即中心層正應(yīng)力最小，離中心層越遠(yuǎn)正應(yīng)力越大。

除了彎曲正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)，其他諸如軸向拉壓、圓軸扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)等均可以通過(guò)采用CAE虛擬仿真技術(shù)輔助工程力學(xué)課堂教學(xué)和課程實(shí)驗(yàn)，而且這種基于CAE的虛擬仿真直接銜接工程問(wèn)題，極大地提升了學(xué)生解決工程問(wèn)題的能力，對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)也是一個(gè)極大的促進(jìn)。

3結(jié)語(yǔ)

工程力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)是為了彌補(bǔ)工程力學(xué)課程理論性較強(qiáng)與實(shí)踐結(jié)合不緊密特點(diǎn)。但是在當(dāng)前時(shí)代背景下，工程力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)依然存在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和條件不能滿(mǎn)足需求，以及缺少實(shí)踐性和創(chuàng)新性的特點(diǎn)。針對(duì)工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目存在的問(wèn)題，在不改變傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上以及不增加成本的角度，提出了開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)報(bào)告以及采用虛擬仿真技術(shù)輔助實(shí)驗(yàn)的手段，并且用兩個(gè)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分別闡述了改革方法與內(nèi)容。

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