为创新人才筑基的北航力学实验教学中心建设.doc

为创新人才筑基的北航力学实验教学中心建设蒋持平， 王士敏， 张华（北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京，100191）摘要：介绍北航力学实验教学中心为创新人才筑基的探索与实践。内容包括力学实验教学中心的历史沿革，基础实验、综合创新实验和本研一体化实验的分层次实验教学体系，实验教学与理论教学相结合、与科学研究相结合、与大学生科技竞赛活动相结合、与校园文化建设相结合的立体化人才培养模式，参与全国教学研讨会和大学生科技竞赛活动的组织、参与全国核心刊物教学栏的办刊、与电视媒体合作为搭建优质教学资源的交流与共享平台所做的努力等。关键词：实验教学；人才培养；教学体系；创新；交流Mechanical experimental teaching center aiming at the foundation of innovative talentJiang Chiping, Wang Shimin, Zhanghua(School of Aeronautic Science and Engineering，Beihang University, beijing 100191, China) Abstract: The exploration and practice of the Beihang university mechanical experimental teaching center in training innovative talent is reported. The contents include a brief historical retrospect, the basic, innovative and through-postgraduate multilevel mechanical experimental teaching system, an improvement of the experimental teaching method integrated with theoretical teaching, scientific research, student knowledge competition and campus culture, and a cooperative effort to build a platform for share and exchange of superior teaching resources by participating teaching meeting, editing teaching journal and cooperating with media and so on.Keywords: experimental teaching; talent training; teaching system; innovation; exchange 北京航空航天大学力学实验教学中心依托享有声誉的力学一级学科及航空宇航科学与技术学科，与国家级基础力学教学团队、国家工科力学基础课教学基地的建设交融，与国家级精品课理论力学、材料力学、航空航天概论，北京市精品课空气动力学、工程流体力学课程群建设互相配合，不懈探索与实践，在构筑创新人才的知识与能力基础、实现北航“培养在国民经济和国防建设等领域具有领军与领导潜质的高级人才”的培养目标方面发挥了重要作用。1. 站在前辈大师的臂膀上继往开来北航力学实验教学具有深厚的历史底蕴，由享誉力学界的前辈大师奠基。著名力学家高镇同教授（1991年当选为中国科学院院士）负责创建了材料力学教学实验室，著名的女流体力学家陆士嘉教授（中国第一位洪堡奖学金获得者、近代流体力学奠基人普朗特教授唯一的女弟子）负责创建了流体力学教学实验室，均于1954年建成。参加建设的教师还包括多位曾在西方名校留学和有航空实际经验的教授，如中国第一架飞机设计者田培业教授，曾任飞机制造厂厂长的李寿同教授等。尽管建国之初，百废待兴，经费紧张，学校仍将力学实验能力视为航空高科技人才最重要的基本素质之一，大手笔投入。如对老主楼一个面积230平方米的材料力学教学实验室，当时一次就从德国、瑞士和苏联进口10台先进试验机。一流的力学实验教学条件、先进的实验能力与理论分析能力并重的教学理念吸引了各兄弟院校教师前来参观交流，对我国力学实验教学的发展产生了重要影响。教学科研结合出硕果。1958年9月24日首飞成功的新中国第一架轻型旅客机“北京一号”，是在“教学与科研、设计、试制相结合”思想指导下的第一项重大成果。紧接着，1958年9月22至10月3日，被誉为“亚洲第一箭”的6枚高空探空火箭“北京二号”连续发射成功。 一项又一项新中国航空史上的第一，大大鼓舞了全国人民，也激励着北航人再攀科技高峰。北航力学实验教学与理论教学有机结合，不断进行教学创新，保持了课程的基础性、时代性与先进性。力学基础课教学1989年获首届国家级教学成果奖，2001年和2005年又连续获国家级教学成果二等奖。1997年至2004年历时7年，北航建成了国家工科基础课程教学基地（力学基地），以此为契机，由理论力学演示实验室、材料力学实验室和流体力学实验室以及相关专业实验室整合，成立力学实验教学中心，力学实验教学又有了一个跨越式发展。仅材料力学实验室就斥资230万元建设了总面积240平方米的两个新实验室，购置了17台微机控制电子万能试验机，同时对原有实验室进行了改装，老试验机进行了改造，并开发了一批研究型综合教学实验。北航力学实验教学中心站在前辈大师的臂膀上继往开来。2. 构建基础/综合创新/本研一体化的实验教学体系进入21世纪，党中央、国务院制定了建设创新型国家的伟大战略决策，高等教育面临着由世界教育大国向世界教育强国转变的历史任务1。力学实验教学中心教师认真学习和领会中央精神，根据北航人才培养的整体规划，构建了基础/综合创新/本研一体化三层次的实验教学体系。2.1基础实验第一层次基础实验70多个，分为认知演示实验、基本动手实验和数值仿真实验三类。虽然说万丈高楼平地起，但是如果没有坚实的地基，高楼是不稳固、容易倒塌的。基础实验的目的是筑基，教学定位是构筑坚实的实验能力基础。这个定位再细化为三个方面:2.1.1 接受以航空航天为特色的力学文化素质的熏陶现代科技建立在科学实验的基础上2。一部分基础实验，象航空航天概论飞行原理演示实验、风洞水洞演示实验、孔口与管嘴实验不是仅面向工科学生，而是面向包括人文学科在内的每届3500名以上的全体本科生,以提升科学素质。人文学科的同学们对这些实验课也非常感兴趣，他们说不仅是明白了大雁为什么要飞人字，一个管嘴喷出的气流为什么能让乒乓球停在空中，表面粗糙的高尔夫球为什么比光滑的球飞得远，而且会有助于以后的人文研究中运用科学原理和方法。2.1.2 基本实验能力培养基本动手实验是基础实验的主体部分。北航力学实验教学中心注重基本实验能力培养，不耍花架子。这一传统既秉承老一代创建实验室大师们求真务实的作风，也得益于科学规划的实验条件建设。如宽敞的材料力学静力实验室，一面墙上有是大黑板加多媒体投影设备，其余三面墙是工具柜，向内十几台电拉实验机排开，中间则是同学们听课的椅子和工具桌，保证了实验场地和设备。在电测实验中，从粘贴应变片到用电阻应变仪测量，每个同学都要动手作实验，并在课程结束进行实验操作考试。在基础力学教学实验室，没有南郭先生，也不允许出南郭学生。2.1.3 发现、提出和探究问题的能力培养实验中心的教师还特别注意在教学中贯穿发现、提出和探究问题的能力培养，让宽厚的实验能力基础成为养育创新种子的肥沃土壤。例如测量弹性模量与泊松比本是一个面临淘汰的纯验证性实验。后来在试件中钻一孔，就体现了综合性，引导同学们研究圣维南原理和应力集中，再钻几个应力释放孔，进一步让同学们思考引起和减少应力集中的措施。2.1.4 教学手段现代化计算机数值仿真为问题探究装上了科学的翅膀，思想遨游的天空更为广阔。在这里，大家不再是定性讨论炮弹问什么歪打才能正着，而是定量计算歪的精确角度；在这里，可以虚拟设计出一个个精妙绝伦的混沌运动装置。理论力学的师生还将一个虚拟的混沌运动装置做成了实物，可以直接观察到在不同的初始条件下，就有不同的动态相应。2.2 综合创新实验在完成基础实验的必修课后，学有余力的同学可以选修综合创新实验课。综合创新实验课的内容主要来自两个途径，一个是从科研转化，另一个来自学生的校外科技活动。模拟弹翼受力的加载装置设计与实验源自航天部的科研项目。弹翼在风洞中的气动载荷测定属于流体力学课程范畴。在单点加载的实验机上设计夹具，通过多点加载模拟分布载荷，与理论力学相关。力系合成的唯一性和分解的多样性为夹具设计和测量方案的优化提供了研究空间。应力应变测量属于材料力学教学内容。多课程或多学科知识的综合运用为培养复合型创新能力提供了教学素材。飞机发动机架的设计与实验项目包括实际飞行气动载荷的测定、静定与静不定机架杆系的受力分析与测定，也需综合运用理论力学、材料力学和流体力学知识。再如北航学生科技活动“冯如杯竞赛”优秀作品压杆稳定实验，首次开发了能演示1、2、3个半波压杆失稳装置，启发思考自然界显现与潜在运动形态的转化的辩证关系。这个实验同振动失稳模态转变实验，流体从层流向湍流转捩实验，空气动力学的颤振实验组合，引导同学们思考自然界不同运动形态深刻的内在联系。2.3 本研一体化实验本研一体化实验将本科专业实验和研究生基础实验有机结合，面向力学相关专业的本科四年级学生和硕士研究生。本研一体化实验实现了本科教学与研究生教学的无缝结合，加速了高层次人才的培养。目前已开设的本研一体化实验包括材料动态力学性能实验、飞机主机身抗坠毁试验、机翼固有特性试验、某军用飞机座舱热疲劳环境控制实验研究、高速热冲击条件下金属材料力学特性实验研究、某型超音速导弹结构静热实验与分析、智能结构振动主动控制研究、角区旋涡三维流场的PIV实验、射流流场的LDV实验等。3 建立和完善立体化的创新实践能力培养系统力学实验教学中心成立之前，各力学实验课通常局限于课程自身来研究提高与改进，在培养学生自主创新能力方面有较大的局限性。中心的成立创造了从人才培养的整体目标出发全面规划课程的整合、改革与发展的条件。中心在实验教学与理论教学有机结合、开启本科生接触高水平的科研的通道、与大学生科技竞赛活动和校园文化建设融合等方面取得了丰硕的成果，建立和完善了立体化的创新实践能力培养系统。3.1 实验教学与理论教学有机结合中心密切了实验与理论课3,4之间的联系。一个可喜的成果是促进了理论课注重通过实验和实例来引出问题、演绎原理和验证理论，理论力学课程还实现了堂堂课都有实验的建设目标。理论课教师和实验课教师通力合作研发了许多精巧有趣、启发思维的课堂小实验，如动平衡实验、科氏惯性力实验、最速下降线实验、陀螺动力实验等，也收集了大量视频、动画和图片，如脚手架失稳、中国古代建筑的斗拱结构、火车与汽车的钢板弹簧、5吨吊车起吊10吨重物的工程实例等。这些教学素材不仅使理论课教学更加生动有趣，也有力促进了同学们观察与提出问题的能力的培养、理论与实验结合分析与解决问题的能力的培养。另一方面，实验课则加强了理论分析与计算，让同学们能深入思考和把握现象后面的科学本质规律。3.2 开启实验教学与科研的通道为了促进大学生从本科阶段就接触高水平的科学研究，利用实验教学中心这个平台，学校制定和采取了一系列有力的政策和措施，如本科生导师制、SRTP（大学生研究训练计划）等。事实上，许多本科力学实验教学项目，特别是综合研究性实验项目源自科研。例如中心教师的一个汽车刹车装置专利，让一个濒临倒闭的工厂获得重新发展的动力。这样的教学实验，拉近了同学们与科研的距离，让他们觉得科研不再神秘，增强了他们对从事高水平科学研究的兴趣和信心。3.3 与大学生科技活动和校园文化建设相融力学实验教学中心又成为全国大学生“挑战杯”、全国周培源大学生力学竞赛、北航SRTP、北航冯如杯竞赛、北航校团委主办的“头脑奥赛”等大学生科技竞赛和校园文化活动的实践基地，为建立和完善立体化创新人才培育系统做出了努力。4 共同搭建全国力学实践教学交流合作的平台一所学校的力学实验教学中心仅是一个局部，力学实践课的可持续发展只有在全国力学教学的整体坐标系下才能实现。北航力学实验教学中心不断学习兄弟院校的经验5-7，根据教育部质量工程精神，与全国兄弟院校一道共同搭建了几个有影响的力学实践教学交流合作的平台，包括承担全国核心期刊力学与实践教育研究栏的编辑工作，合作组织全国大学生力学竞赛8,9、与中央电视台、北京电视台相关栏目紧密合作等，在促进全国力学实验教学中心的经验交流、优质教学资源共享等方面发挥了积极的作用。4.1 承担全国核心期刊力学与实践教育研究栏的编辑工作北航力学实验教学中心教师长期承担了全国核心刊物力学与实践教育研究栏的工作，力学实践教学是该栏目的重点内容。在全国广大高校基础力学教师的共同呵护下，栏目越办越好，成为高校力学教师喜爱的交流力学教学改革经验之“家”。教育研究栏也以其鲜明的特色帮助力学与实践成为全国发行量最大的力学刊物10。4.2 参与组织全国周培源大学生力学竞赛作为力学实验教学中心建设工作的重要延伸，北航力学实验教学中心教师承担了全国周培源大学生力学竞赛组委会负责人的工作。在教育部基础力学课程指导分委员会、中国力学学会与周培源基金会的指导下，与清华、北大等全国高校教师一道，根据全国高等教育发展的新形势特别是加强创新实践能力培养的需要，对竞赛内容和形式进行了3项重要的改革与创新：增加团队合作动手、比拼实践创新能力团体赛。竞赛由四年改为两年举办一届，在中国力学学会学术大会颁奖，以促进大学生从本科阶段接触前沿研究的科学家和工程师；冠军队为下届设计竞赛题并且不参赛，这不仅是为了公正，更重要的是通过设计竞赛题的方式，促使重点高校将自己的教学特色亮出来，促进力学教学资源，特别是优质力学实验教学资源的交流和共享。改革获教育部高教司领导充分肯定，批准全国周培源大学生力学竞赛为高教司6个大学生科技竞赛活动之一，委托教育部基础力学课程指导分委员会、中国力学学会和周培源基金会共同主办。第7届竞赛有来自清华大学、北京大学、中国科技大学等29个省（市）、自治区214所高校12089人报名参赛，中央电视台对团体赛进行了全程跟踪拍摄11。4.3 与中央电视台等媒体相关栏目紧密合作北航力学实验教学中心在国内享有良好的声誉，在海外也有一定影响。流体力学实验教学还承担兄弟院校如总装指挥技术学院、香港科技大学、台湾淡江大学等相关专业学生的教学实验或技术培训；为“埃及航空学院”、“中国科学技术馆”等国内外有关单位研制了多项流体力学教学设备；为中央电视台、北京电视台的“走进科学”、“科技新干线”等栏目拍摄的“学科大观”、“风洞”、“风筝”、“奇妙的弧线球”等节目提供拍摄片段并播放发行12。2009年，中央电视台异想天开摄制组不仅以纪实风格全程拍摄了第7届全国周培源大学生力学力学竞赛动手实践的团体决赛，还拍摄了赛前友谊赛，以“大师挑战赛”为题制作了5集的电视节目，2009年9-10月在异想天开栏目播放。北航竞赛的节目作为第一集播放，内容为以航空航天为背景，包括飞船对接、星箭分离等赛题。此次竞赛别开生面，第一轮老师出题考学生，第二轮学生出题考老师，第三轮清华大学师生考北航师生。竞赛紧张激烈又妙处横生，同学们在欢声笑语中增长了实践创新能力。这样的合作使双方相得益彰。中央电视台等的参与提高了竞赛的趣味性与观赏性、扩大了竞赛的影响，并在促进全社会特别是青少年科学素质的提升方面发挥了积极的作用。李白诗云：“长风破浪会有时，直挂云帆济沧海。”让我们继续努力，将北航力学实验教学中心建设成为配备知识技能云帆和放飞科学想象力云帆的天地。让同学们从这里起航，驶向神秘浩瀚的科学海洋，飞向无垠莫测的科学星空。参考文献（References）1. 周济. 大力实施科教兴国和人才强国战略，推动教育事业持续、健康、协调、快速发展EB/OL. http:/www.moc.edu.cn/news/2004-01/05.htm.2. 武际可. 力学史. 重庆：重庆出版社，20013. 单辉祖. 材料力学I、II（第二版）M. 北京：高等教育出版社，20044. 谢传锋，王琪，理论力学M. 北京：高等教育出版社，20095. 许家瑞，周勤，陈步云等. 构建创新实验教学体系的探索与实践J. 实验技术与管理，2009，26（5）：1-46. 卢大溶，汤彬，黄乐等，挖掘科研积累，丰富教学资源为本科教学服务“实验室科研探究”大型选修课程的建设与实践J. 实验技术与管理，2007，24（12）：1-37. 潘健生. 难忘的岁月“泡”实验室. 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