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1 引言

“材料力学”是高等学校工科类专业的核心课程，其实验教学环节是连接力学理论与工程实践的关键纽带。“材料力学”实验不仅承担着验证、巩固和深化理论知识的任务，更是培养学生分析问题与解决实际问题能力的重要途径。2023年，教育部发布的《关于加快推进本科教育教学改革 全面提高人才培养能力的意见》明确指出，要强化实践教学环节，推动实验教学从验证性向设计性、探究性转变，聚焦工科专业创新型、应用型人才培养，契合新工科建设核心育人目标。随着人工智能技术的快速发展，该实验课程面临智能化重构与实践范式革新的双重挑战。随着人工智能技术的快速发展，“材料力学”实验课程面临智能化升级与实践范式优化的现实需求。传统课堂教学需在既有基础上积极融合数字化手段，更好地回应新工科建设对学生自主创新能力的要求。传统课堂教学受时空局限，标准化流程也难以回应数智时代对学生自主创新与跨学科实践能力的新要求，急需突破“教师讲授—学生模仿”的固有模式[1]。

设计性实验是指学生在教师指导下，依据既定的目标与条件，自主完成方案设计、方法选择、实验操作及结果分析的教学形式。相较于传统实验，设计性实验更契合新工科建设对复合型、创新型人才培养的需求，更能体现“以学生为中心”的理念，在激发创新思维、增强工程意识及提升解决实际问题能力方面具有独特优势。然而，当前工程力学设计性实验的开展仍面临诸多现实困境，需要进行系统性改革与创新。本文立足工程力学设计性实验的教学实际，系统剖析现存问题，并从多个维度探讨改革与创新的路径与策略，以期为相关教学实践提供参考。

2 当前工程力学设计性实验面临的主要困境

2.1 实验材料种类单一，缺乏多样性

当前，“材料力学”实验课程所用试件多局限于低碳钢和铸铁等传统金属材料，对复合材料、高分子材料及新型合金等覆盖不足。这不仅限制了学生对不同材料力学行为的直观认知，也难以满足现代工程对多样化材料性能测试的实际需求。材料种类的单一性，直接削弱了实验内容的延展性和学生创新思维培养的载体基础[2]。

2.2 验证性实验占主导，设计性实验薄弱

长期以来，“材料力学”实验课程以金属拉伸、压缩、扭转及纯弯梁电测等验证性实验为主。这些经典实验有助于巩固理论知识，但其操作流程固定、结果可预期，学生缺乏自主设计空间，学习兴趣普遍不高。实验完成后，学生对材料性能的量级概念及力学原理的理解仍停留于表层，难以形成系统而深刻的认知。设计性、综合性实验比例偏低，导致学生自主探究的空间极为有限[3]。

2.3 学生主体性缺失，被动操作问题突出

在传统教学模式下，教师主导实验方案设计及操作流程讲解，学生仅需按既定步骤执行，实验结果趋同。这一过程未能实现学生从被动操作向主动设计的角色转变，缺乏独立思考与自主探究的机会。这种模式不仅难以激发学习内驱力，更无法有效培养学生的创新思维与独立解决工程问题能力[3]。

2.4 教学内容与工程实际脱节

当前，设计性实验的教学内容多囿于教材中的经典项目，与现代工程中的复杂力学问题存在较大差距。实验教学与工程应用结合不紧密，与专业方向融合不足。学生能通过实验验证理论公式，却难以将所学知识迁移至真实工程情境，缺乏从“理论认知”到“工程应用”的转化能力［3，4］。

2.5 实验条件与资源保障不足

设计性实验对设备种类、耗材供应及指导教师能力的要求，远高于验证性实验。然而，不少高校存在实验设备数量有限、开放时间不足、高水平实验技术人员匮乏等问题。学生自主设计的实验方案，常因缺乏相应的实施条件而无法验证，严重制约了设计性实验的开展效果[5]。

2.6 考核评价体系不够完善

传统实验考核以实验报告为主要依据，侧重结果的正确性，忽视过程的探究性。这种单一评价方式，难以客观反映学生在方案设计、论证分析、操作规范、数据解读及创新意识等方面的综合能力，也无法有效引导学生在实验过程中进行主动思考与深度探究。设计性实验强调过程的自主性与方案的多样性，急需构建与之相适应的多元化评价体系[6]。

3 “材料力学”设计性实验改革的理念转变

设计性实验改革的关键前提，是实现教学理念的根本性转变，以新的教育思想引领教学内容、方法与评价的系统变革。

3.1 从“知识验证”转向“能力培养”

设计性实验改革的首要任务，是重塑教学定位，实验教学不应止步于对理论公式的重复验证，而应成为学生发现问题、分析问题、解决问题的综合实践场域。改革应以培养创新思维和工程实践能力为核心目标，引导学生经历从方案设计、参数论证到结果分析的科学探究全过程，实现从“学会操作”到“学会设计”、从“知识再现”到“能力建构”的层次跃升［7-9］。

3.2 从“教师主导”转向“学生主体”

设计性实验应确立“以学生为中心”的教学理念，重构师生角色定位。教师由知识的单向传授者转变为学习的引导者、支持者和促进者，学生则由被动执行者转变为实验的设计者、探究者和创造者。在实验过程中，学生自主确定方案、选择方法、实施操作并解读数据，教师仅在关键环节给予必要的启发与指导。这一转变有助于激发学生的内生动力，培养其自主学习和终身学习的能力［7-9］。

3.3 从“单一封闭”转向“开放融合”

设计性实验应突破传统实验的封闭框架，朝着开放性与融合性方向发展。在空间上，实验不应局限于固定实验室与规定课时，应向开放实验室、虚拟仿真平台及工程现场延伸；在内容上，应突破单一知识点验证的局限，融合多学科知识、工程实际案例与前沿科研成果；在方法上，应鼓励学生尝试多元化技术路线与解决方案，培养发散性思维和创新意识。通过多维度开放融合，使实验教学真正成为连接学术前沿与工程实践的有效桥梁［10］。

4 “材料力学”设计性实验改革的实现路径探索

设计性实验改革的实现路径，涉及教学内容、体系结构、教学模式、平台建设、评价机制与条件保障等多个维度，需要协同推进、系统发力。

4.1 教学内容创新：引入前沿成果，贴近工程实际

一方面，将前沿实验技术融入教学，促进内容的推陈出新。例如，将数字图像相关方法（DIC）引入梁三点弯曲实验，实现横力弯曲变形特征的可视化测量与呈现。实践表明，先进光学测量方法的引入，有效加深了学生对相关力学概念的理解，提升了知识融通与实践应用能力，并激发了科技创新意识。同时，融入人工智能技术赋能实验教学，落地具体应用场景：一是依托AI算法模型实现实验方案智能优选，学生输入实验材料、载荷条件、测试目标等参数后，AI可快速比对不同实验方案的可行性、误差范围、操作难度，辅助学生优化自主设计的实验流程，规避设计漏洞；二是搭建AI数据处理辅助系统，针对设计性实验多维度、大批量的测试数据，通过AI智能降噪、拟合分析、误差溯源功能，指导学生精准解读实验数据、完善实验结论，解决传统人工数据处理效率低、误差分析片面的问题。

另一方面，以工程应用为导向，深化室内实验与工程案例的融合。立足新工科建设，面向国家重大需求和先进制造业发展，聚焦大型轻合金结构件等典型工程部件的力学特征与失效机制，将航空航天部件、桥梁结构等真实工程问题转化为实验教学素材。通过全程贯穿典型的工程案例，使学生切实理解“材料力学”实验在工程实践中的应用价值。

4.2 实验体系重构：构建“基础—综合—设计”三层次模块

重构实验教学体系，形成层次递进、功能互补的三模块结构，本文明确界定三类实验的核心边界与育人定位，厘清层级逻辑，避免混同论述：基础验证性实验以夯实理论、掌握基础操作技能为核心，无自主设计环节，侧重知识复刻与技能熟练；综合性实验以整合多章节力学知识、完成复合型实验任务为核心，学生可自主调整实验参数与操作流程，具备有限探究空间，无系统性方案设计要求；设计性实验为最高层级实验，以解决具体工程力学问题为目标，学生全程自主完成问题拆解、方案设计、参数优化、实验实施与成果论证，具备完整的自主创新与工程设计环节；研究探索性实验为设计性实验的延伸拓展，对接科研前沿，面向拔尖学生开展深度探究。

第一，保留核心验证性实验。验证性实验对于学生理解基本力学概念、掌握基本实验技能具有不可替代的作用。应在保留经典验证性实验的基础上，逐步优化其在整体体系中的占比。第二，增设综合设计性实验项目。以工程应用为导向，设计一批具有开放性、综合性与探究性的实验项目。例如，“金属材料力学性能的综合测试与对比分析”实验，由学生自主选择不同材料（如不同热处理状态或化学成分的金属），自主设计方案、控制变量、预测结果并完成分析报告；“简支梁在多种载荷工况下的应力分析与优化设计”实验，要求学生综合运用力学知识，自主完成加载方案、布片方案与数据分析方法的设计。第三，开发研究探索性实验。为学有余力的学生拓展研究性平台，满足其深入探究需求。将教师科研课题中的高温力学性能研究、大型轻合金结构件力学分析等内容，转化为设计性实验项目，实现科教融合、以研促教。

4.3 教学模式创新：推行项目化与问题导向的学习

第一，推行项目化学习模式。以贴合实际的驱动性问题为起点，引领学生全程参与设计、计算、制作与测试等环节。例如，“木结构桥梁设计与承重挑战赛”要求学生综合运用工程力学知识，完成从方案设计到模型测试的全过程，有效促进实验教学从“验证”向“探究”转型。第二，实施问题导向教学。教师仅给出实验目标与要求，不详细讲解具体方法，由学生自主思考并寻求实现路径。通过问题的层层引导，激发学生多角度、多层次思考，培养其独立分析与解决问题的能力。第三，探索“非课堂”教学模式。借助人工智能等技术手段，重构教学场景与师生关系，将学习嵌入自然的探究状态。形成“课堂+非课堂”的有机融合，使设计性实验不再局限于固定课时与场所，而是融入学生的日常学习与探究过程。

针对三层次实验模块，匹配差异化教学模式，补齐设计性实验操作细节缺失的问题：一是基础验证性实验，采用“教师示范+标准化操作+统一答疑”的传统模式，重点保障学生掌握基础实验规范，夯实理论基础；二是综合性实验，采用“任务驱动+分组协作+参数自主调整”模式，教师明确实验核心任务，学生自主优化实验流程与测试方法，侧重知识整合能力培养；三是设计性及研究探索性实验，采用“问题导向+AI赋能+全程自主设计”模式，教师仅提供工程问题背景与考核目标，学生依托AI辅助方案设计、数据优化，独立完成全流程实验设计与成果论证，教师仅在方案可行性、实验安全、核心原理应用等关键节点提供针对性指导，充分落实学生主体地位，凸显设计性实验的创新性与工程性。

4.4 实验平台建设：虚实结合，开放共享

第一，建设开放型多层级力学综合实验平台。该平台应满足从基础性到研究探索性的多层次实践教学需求，体现多维实验内涵。学生可根据自身兴趣与能力水平选择不同层次的实验项目，实现个性化学习与自主探究。实践表明，开放型平台有效强化了学生的实验技能与知识应用能力，并通过深入思考与分析，树立工程意识，提升研究素养。第二，建设虚拟仿真实验平台。依托虚拟仿真技术，构建虚实结合的教学环境，弥补实体实验设备不足。学生可在虚拟环境中反复尝试不同设计方案、验证思路可行性，再进入实体实验进行验证与优化。这种“虚拟预研—实体验证”的模式，既降低了实验成本与风险，又拓展了设计性实验的深度与广度。第三，建立开放实验室制度。完善预约机制，延长开放时间，为学生自主开展设计性实验提供时间与空间保障，鼓励学生在课外进入实验室完成设计方案的验证与优化。

区分各层级实验的平台使用策略，细化设计性实验实操支撑条件：基础验证性实验依托固定实体实验室、固定课时开展，无需个性化平台配置；综合性实验可依托常规实体实验平台+基础虚拟仿真模块，支持学生多次调试实验参数、优化实验流程；设计性与研究探索性实验专属对接多层级开放实验平台、AI智能辅助实验系统及高阶虚拟仿真模块，全天候开放预约权限，支持学生开展多方案对比、复杂工况模拟、创新结构测试等个性化、创新性实验操作。同时，依托校企合作工程平台，为设计性实验提供真实工程场景支撑，解决设计性实验落地性不足、操作细节缺失的问题。

4.5 评价体系改革：构建多元化、过程化的考核机制

第一，注重全过程评价。设计性实验的价值体现在方案设计、方案论证、操作实施与数据分析的全过程，应建立覆盖各环节的评价机制，而非仅关注最终结果的正确性。第二，采用多元化评价方式。将方案设计的合理性、操作的规范性、数据分析的严谨性、创新思维的体现、团队协作能力等纳入评价维度，综合运用实验报告、设计答辩、成果展示等多种形式，全面考查学生的综合素养。第三，建立成果导向的评价机制。以学生的学习成果为指向，鼓励产出具有创新性的实验成果，如优化的实验方案、改进的装置设计、具有学术价值的分析报告等。优秀成果可进一步转化为学科竞赛作品或科研项目，形成教学与科研的良性互动。

4.6 条件保障强化：师资建设与资源配置并重

第一，加强实验教学队伍建设。吸引高水平教师参与设计性实验指导，扭转“重理论、轻实验”的倾向。同时，加强实验技术人员的培养与培训，提升其指导学生开展设计性实验的能力。第二，完善实验教学资源配置。加大对设计性实验设备的投入，更新仪器设备，丰富耗材种类。第三，推动校际资源共建共享，避免重复建设。鼓励校企合作，引入企业先进设备与真实工程案例，丰富教学内容与资源储备。

5 结语

“材料力学”设计性实验的改革与创新，是新工科建设和拔尖创新人才培养的必然要求。针对当前验证性实验占主导、学生主体性缺失、与工程实际脱节等现实困境，需要从教学内容、实验模块、教学模式、平台建设及评价机制等多维度系统推进。具体路径包括：构建“基础—综合—设计”三层次递进式实验内容体系，推行项目化与问题导向的混合式教学模式，搭建虚实结合的开放式实验平台，并建立多元化过程性评价机制。这一系列举措有助于激发学生的创新思维与自主探究能力，推动实验教学实现从“知识验证”向“能力建构”的根本转型。

同时，设计性实验改革是一项系统工程，离不开教育主管部门的政策引导、高校的制度保障、教师的主动探索及学生的积极参与。只有多方协同、持续创新，才能使“材料力学”设计性实验真正成为培养工程实践与创新能力的重要阵地。

参考文献

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