淺談高水平大學建設背景下材料力學實驗教學改革論文
“高水平大學建設”是2015年廣東省教育改革的一項重大舉措，我校作為全省7所重點建設高校之一，既是機遇也是挑戰。通過高水平大學建設，進一步提升學校的整體實力和國際影響力，把學校建設成為以農業科學和生命科學為優勢，以熱帶亞熱帶區域農業研究為特色，多學科協調發展的特色鮮明、國際知名的高水平大學，為區域經濟和社會發展做出重要貢獻，在服務“三農”、建設社會主義新農村和推進現代農業發展方面發揮重要作用。高水平大學建設形勢下，對人才培養提出了更高的要求，相應的實驗和實踐教學改革也亟須深化、創新。材料力學實驗課程在我校工科專業人才培養中的作用舉足輕重，因此針對材料力學實驗課程的現狀及存在問題、基于高水平大學建設中我校整體建設目標和特色要求，對材料力學實驗課程的教學提出了一些具體的改革措施。
1針對高水平大學建設提出具體改革措施
材料力學課程是工科專業的基礎必修課程，“材料力學實驗”是材料力學課程的實踐環節，它對后續其他專業課程的學習至關重要。2014年我校已對材料力學實驗課程獨立設課，內容包括低碳鋼與鑄鐵的拉伸、壓縮和扭轉實驗，以及彎曲正應力測定、薄壁圓管彎扭組合變形應變測定、復合梁正應力測定等5個實驗，這些實驗雖然涉及了基礎型實驗、綜合設計型實驗，但由于實驗內容是基于一般工科類院校專業課程的需要而制定的，實驗開設與農業工程實踐應用存在一定差距，并且實驗方法呆板、實驗教學手段單一，不利于發揮學生的創新能力，不符合高水平大學建設形勢下我校整體建設目標和特色要求，亟須進行深化改革。
1.1實驗教學目標的調整和重新定位
首先是課程教學目標的調整和重新定位，本實驗課程原來的教學目標是通過實驗加強學生對材料力學理論概念的理解，并著重進行力學實驗能力和操作技能的培養，但在實際教學過程中，通常只側重于要求學生理解原理和學會操作，而忽略了實驗能力的系統性培養以及力學在農業工程中的應用和拓展，這不符合我校高水平大學建設人才培養的要求。
基于我校高水平大學建設中提出的以熱帶亞熱帶區域農業研究為特色，培養更多能適應區域經濟發展需要的創新型、綜合型農業科技人才的目標，本課程除保留原有的教學基本目標外，重點突出農業工程所需要的各種能力的培養，除動手能力外，更著眼于農業工程各學科知識的綜合應用能力、創新意識和思維能力的培養，將來能獨立地進行相關農業工程中力學問題的研究，包括實驗目的確定、實驗方案設計、儀器設備選用、實驗過程操作、實驗數據處理以及實驗方案的自主創新，在推進現代農業發展方面發揮重要作用。
1.2實驗內容體系建設實驗教學內容體系是實驗教學目標的支撐和依托。零散的依附于理論教學進程的實驗內容不利于學生系統掌握力學實驗技能和方法，另外我校擴招后，學生人數增多，由于學生的興趣和知識結構呈現多樣性和一定的層次性，需要根據學生所學專業特點以及學生層次，科學地、系統地構建本實驗課程教學內容體系和內容結構模塊。實驗教材的編寫遵循以下幾個原則：
(1)內容的層次性和模塊化。基礎型實驗的目的在于加強和鞏固學生對理論原理的理解，掌握力學實驗的基本測試技術和方法，綜合設計型實驗的目的在于培養學生綜合所學知識的運用能力。在原有的這2類實驗項目的基礎上，增設創新研究型實驗項目，通過這類實驗培養學生的創新設計能力及綜合分析解決農業工程中與力學有關問題的能力。這3類實驗項目在知識內容和操作要求上都逐級遞進，符合學生循序漸進學習知識的客觀規律，同時也可以有效應對我校擴招后學生層次不同的問題。
(2)內容的專業特點。不同專業的實驗內容可結合各專業特點：對于車輛和交通專業的學生，可以設置跟汽車相關的力學性能測試和分析，比如汽車直拉桿總成是連接汽車轉向器和橫拉桿總成的部件，是整個汽車安全件中最關鍵的部件，直拉桿在工作過程中受到軸向拉力、彎矩作用，測試這些作用的大小需要綜合運用拉伸和彎曲變形的知識以及電阻應變測量技術，是一個很好的綜合設計型實驗。對于機械設計制造和農業機械化專業的學生，可以設置一些跟現代農業機械裝備開發研究相關的實驗項目，比如沖擊式谷物流量傳感器，采用沖擊板感受聯合收割機出糧口谷物的沖擊，通過電阻應變測量技術測量相應構件的應變來測量谷物的沖擊力，最后換算成谷物流量，這個實驗項目綜合訓練了材料力學中彎扭變形的應力測定及應片變的粘貼和電橋組橋方面的能力。對于建筑和路橋專業的學生來說，可以設置一些房屋梁、柱、橋面及橋墩等構件的受力分析和測試，分析它們的強度問題。結合各專業特點設置的實驗項目更能激發學生對基礎課程的學習興趣，提高學習效率。
(3)內容的農業工程性。創新研究型實驗項目可以結合教師的科研項目，著眼于解決南方地區農業工程領域的實際問題。比如荔枝、龍眼等南方水果的力學性能測試。水果在采摘、加工和儲運過程中容易受到力的作用產生機械損傷，因此有必要對它們的力學特性進行研究。基礎型實驗中的低碳鋼和鑄鐵的拉伸和壓縮，試件已經制成標準試樣，拉伸和壓縮時的力學性能也是已知的答案，屬于驗證型實驗，但是把它們換成荔枝或龍眼，對整果及各組成部分(包括果殼、果肉和果核)的彈性模量及受壓時的力學性能以及果殼的受拉性能進行測定，這個難度就要大多了。果子的形狀是非標準的，學生嘗試進行夾具的設計以及材料不同方向的力學性能測試，并且在測得實驗數據后分析建立荔枝、龍眼等南方水果的材料模型和本構方程，這對學生來說就是一個很好的聯系農業工程實際的創新研究型實驗項目。又比如甘蔗和煙草等作物莖稈的力學性能測試，這對作物切割過程研究和刀片設計具有重要意義。通過測試作物莖稈(包括莖稈整體、皮和芯)的拉、壓、彎曲和扭轉的性能，觀察作物莖稈在各種受力和變形下的破壞形式，并進行相應的分析，建立莖稈的力學模型與力學指標體系，進而建立莖稈材料的破壞準則。
(4)內容結合“周培源大學生力學大賽”。“全國周培源大學生力學大賽”是教育部高教司主辦的大學生科技競賽項目，其目的在于培養人才、服務教學、促進高等學校力學基礎課程的改革和建設。這與高水平大學建設的目標是一致的，有選擇地把大賽實驗競賽內容融入到學生的選修實驗內容，有助于促進學生學習力學的興趣，加強學生實驗動手能力、團隊合作能力及創新精神的培養。
1.3實驗教學方法的改革
實驗教學模式是實驗教學目標實現的關鍵，因此根據實驗教學目標和教學內容對教學模式，尤其是教學方法和手段進行相應改革。
對于不同層次的實驗采用不同的實驗教學方法，基本型實驗的教學目的是強化學生自主操作的能力，要求學生熟悉相關的儀器設備，用理論知識解釋所觀察到的實驗現象。教師將實驗的注意事項、關鍵和要領以及該實驗在工程中的應用向學生講解后，學生就可以進行實驗。對于綜合設計型實驗和創新研究型實驗，采用項目驅動式和問題導向引導式教學方法，實驗任務只給出實驗目的、實驗要求、應用背景、實驗設備及其使用說明，配套相應的問題，引導學生通過回答問題逐步深入實驗。學生通過查閱資料、觀看網絡課件和視頻資料來制定實驗方案，根據實驗方案獨立完成實驗。實驗過程中以學生獨立分析、自主操作為主，以教師指導為輔。有些實驗可通過多種方案來實現，這一過程培養了學生的創新能力，注重了學生實驗過程的自主化和個性化。學生不僅能更好地深化理解、鞏固已學過的理論知識，而且在分析問題、解決問題的能力和實際操作水平方面也有了很大的提高，同時也了解并掌握了科學研究的方法和過程。
對實驗項目的內容、個數和不同層次實驗的權重做細致合理的安排，盡量做到實驗內容因人而異，因材施教。實驗項目分必做和選做兩部分，根據實驗難易程度和實驗工作量的大小給每個實驗相應的分值，除了一些必修實驗外，其他實驗可以選做。對于綜合設計型實驗和創新研究型實驗，實驗室相應地全天候開放，給學生比較寬松的時間和環境。
1.4實驗教學手段的改革
為了提高力學實驗課程的教學效果，需要改變以往實驗手段單一的情況。一方面實驗過程中充分利用多媒體技術、視頻和網絡等現代化教學手段，通過建立材料力學實驗站，將相關的課件、視頻和虛擬實驗等資料上傳到網站，學生通過網絡提前預習，節省了教師在課堂上講解的時間，這樣學生有更多的時間進行動手操作;另一方面在力學實驗教學中采用虛擬實驗系統也是我校努力的方向，積極探索使用Matlab、有限元、計算機數值仿真技術開發虛擬實驗平臺，學生可以在網上制訂方案并虛擬實驗，虛擬實驗的逼真、生動、可多次反復，既增加了學生實驗學習的趣味性，提高了教學效果，也減少了試件的耗損。
2改革后的效果展望
材料力學實驗教學改革是高水平大學建設大背景下實驗課程建設的新探索，通過實驗教學目標、實驗教學內容、實驗教學模式(包括實驗教學方法與教學手段)等方面的改革建立全新的材料力學實驗教學體系，實現從內容上激勵學生“我要學”，在教學手段上激勵學生“我要做”，在教學機制上激勵學生“我要創新”，力爭通過3～5年的教改實踐在這幾方面取得成效：
(1)調整后的教學目標符合了我校高水平大學建設的整體目標和要求，教學改革理念先進，更具有創新性，對于其他課程的教學改革能起到一個好的借鑒作用。
(2)實驗內容的層次性、專業特點、大賽特點、農業工程性，摒棄了學生對基礎實驗課程枯燥、脫離工程實際的認知，更能激發學生學習的興趣，調動學習的積極性和主動性，提高學習效率。通過不同層次實驗，由淺入深地培養學生的動手能力、靈活運用知識的能力。通過融入大賽內容，培養了學生的創新能力和團隊合作創新精神。通過參與具有農業工程性的實驗，使學生了解力學在農業工程中的地位，了解科學研究的方法和過程，全面提升學生的農業工程素養，延伸力學實驗教學的內涵。
(3)通過實驗教學模式的改革和完善，形成以教師為主導、以學生為中心、以學生自我訓練為主的教學理念，切實提高課程教學質量，有效踐行高水平大學建設的人才培養目標。
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