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淺談高水平大學(xué)建設背景下材料力學(xué)實(shí)驗教學(xué)改革論文
“高水平大學(xué)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(diǎn)建設高校之一，既是機遇也是挑戰。通過(guò)高水平大學(xué)建設，進(jìn)一步提升學(xué)校的整體實(shí)力和國際影響力，把學(xué)校建設成為以農業(yè)科學(xué)和生命科學(xué)為優(yōu)勢，以熱帶亞熱帶區域農業(yè)研究為特色，多學(xué)科協(xié)調發(fā)展的特色鮮明、國際知名的高水平大學(xué)，為區域經(jīng)濟和社會(huì )發(fā)展做出重要貢獻，在服務(wù)“三農”、建設社會(huì )主義新農村和推進(jìn)現代農業(yè)發(fā)展方面發(fā)揮重要作用。高水平大學(xué)建設形勢下，對人才培養提出了更高的要求，相應的實(shí)驗和實(shí)踐教學(xué)改革也亟須深化、創(chuàng )新。材料力學(xué)實(shí)驗課程在我校工科專(zhuān)業(yè)人才培養中的作用舉足輕重，因此針對材料力學(xué)實(shí)驗課程的現狀及存在問(wèn)題、基于高水平大學(xué)建設中我校整體建設目標和特色要求，對材料力學(xué)實(shí)驗課程的教學(xué)提出了一些具體的改革措施。
1針對高水平大學(xué)建設提出具體改革措施
材料力學(xué)課程是工科專(zhuān)業(yè)的基礎必修課程，“材料力學(xué)實(shí)驗”是材料力學(xué)課程的實(shí)踐環(huán)節，它對后續其他專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習至關(guān)重要。2014年我校已對材料力學(xué)實(shí)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(shí)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(gè)實(shí)驗，這些實(shí)驗雖然涉及了基礎型實(shí)驗、綜合設計型實(shí)驗，但由于實(shí)驗內容是基于一般工科類(lèi)院校專(zhuān)業(yè)課程的需要而制定的，實(shí)驗開(kāi)設與農業(yè)工程實(shí)踐應用存在一定差距，并且實(shí)驗方法呆板、實(shí)驗教學(xué)手段單一，不利于發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng )新能力，不符合高水平大學(xué)建設形勢下我校整體建設目標和特色要求，亟須進(jìn)行深化改革。
1.1實(shí)驗教學(xué)目標的調整和重新定位
首先是課程教學(xué)目標的調整和重新定位，本實(shí)驗課程原來(lái)的教學(xué)目標是通過(guò)實(shí)驗加強學(xué)生對材料力學(xué)理論概念的理解，并著(zhù)重進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗能力和操作技能的培養，但在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，通常只側重于要求學(xué)生理解原理和學(xué)會(huì )操作，而忽略了實(shí)驗能力的系統性培養以及力學(xué)在農業(yè)工程中的應用和拓展，這不符合我校高水平大學(xué)建設人才培養的要求。
基于我校高水平大學(xué)建設中提出的以熱帶亞熱帶區域農業(yè)研究為特色，培養更多能適應區域經(jīng)濟發(fā)展需要的創(chuàng )新型、綜合型農業(yè)科技人才的目標，本課程除保留原有的教學(xué)基本目標外，重點(diǎn)突出農業(yè)工程所需要的各種能力的培養，除動(dòng)手能力外，更著(zhù)眼于農業(yè)工程各學(xué)科知識的綜合應用能力、創(chuàng )新意識和思維能力的培養，將來(lái)能獨立地進(jìn)行相關(guān)農業(yè)工程中力學(xué)問(wèn)題的研究，包括實(shí)驗目的確定、實(shí)驗方案設計、儀器設備選用、實(shí)驗過(guò)程操作、實(shí)驗數據處理以及實(shí)驗方案的自主創(chuàng )新，在推進(jìn)現代農業(yè)發(fā)展方面發(fā)揮重要作用。
1.2實(shí)驗內容體系建設實(shí)驗教學(xué)內容體系是實(shí)驗教學(xué)目標的支撐和依托。零散的依附于理論教學(xué)進(jìn)程的實(shí)驗內容不利于學(xué)生系統掌握力學(xué)實(shí)驗技能和方法，另外我校擴招后，學(xué)生人數增多，由于學(xué)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(xué)生所學(xué)專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)以及學(xué)生層次，科學(xué)地、系統地構建本實(shí)驗課程教學(xué)內容體系和內容結構模塊。實(shí)驗教材的編寫(xiě)遵循以下幾個(gè)原則：
(1)內容的層次性和模塊化�；A型實(shí)驗的目的在于加強和鞏固學(xué)生對理論原理的理解，掌握力學(xué)實(shí)驗的基本測試技術(shù)和方法，綜合設計型實(shí)驗的目的在于培養學(xué)生綜合所學(xué)知識的運用能力。在原有的這2類(lèi)實(shí)驗項目的基礎上，增設創(chuàng )新研究型實(shí)驗項目，通過(guò)這類(lèi)實(shí)驗培養學(xué)生的創(chuàng )新設計能力及綜合分析解決農業(yè)工程中與力學(xué)有關(guān)問(wèn)題的能力。這3類(lèi)實(shí)驗項目在知識內容和操作要求上都逐級遞進(jìn)，符合學(xué)生循序漸進(jìn)學(xué)習知識的客觀(guān)規律，同時(shí)也可以有效應對我校擴招后學(xué)生層次不同的問(wèn)題。
(2)內容的專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)。不同專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗內容可結合各專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)：對于車(chē)輛和交通專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，可以設置跟汽車(chē)相關(guān)的力學(xué)性能測試和分析，比如汽車(chē)直拉桿總成是連接汽車(chē)轉向器和橫拉桿總成的部件，是整個(gè)汽車(chē)安全件中最關(guān)鍵的部件，直拉桿在工作過(guò)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(shù)，是一個(gè)很好的綜合設計型實(shí)驗。對于機械設計制造和農業(yè)機械化專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，可以設置一些跟現代農業(yè)機械裝備開(kāi)發(fā)研究相關(guān)的實(shí)驗項目，比如沖擊式谷物流量傳感器，采用沖擊板感受聯(lián)合收割機出糧口谷物的沖擊，通過(guò)電阻應變測量技術(shù)測量相應構件的應變來(lái)測量谷物的沖擊力，最后換算成谷物流量，這個(gè)實(shí)驗項目綜合訓練了材料力學(xué)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(zhuān)業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，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(wèn)題。結合各專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)設置的實(shí)驗項目更能激發(fā)學(xué)生對基礎課程的學(xué)習興趣，提高學(xué)習效率。
(3)內容的農業(yè)工程性。創(chuàng )新研究型實(shí)驗項目可以結合教師的科研項目，著(zhù)眼于解決南方地區農業(yè)工程領(lǐng)域的實(shí)際問(wèn)題。比如荔枝、龍眼等南方水果的力學(xué)性能測試。水果在采摘、加工和儲運過(guò)程中容易受到力的作用產(chǎn)生機械損傷，因此有必要對它們的力學(xué)特性進(jìn)行研究�；A型實(shí)驗中的低碳鋼和鑄鐵的拉伸和壓縮，試件已經(jīng)制成標準試樣，拉伸和壓縮時(shí)的力學(xué)性能也是已知的答案，屬于驗證型實(shí)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(shí)的力學(xué)性能以及果殼的受拉性能進(jìn)行測定，這個(gè)難度就要大多了。果子的形狀是非標準的，學(xué)生嘗試進(jìn)行夾具的設計以及材料不同方向的力學(xué)性能測試，并且在測得實(shí)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(xué)生來(lái)說(shuō)就是一個(gè)很好的聯(lián)系農業(yè)工程實(shí)際的創(chuàng )新研究型實(shí)驗項目。又比如甘蔗和煙草等作物莖稈的力學(xué)性能測試，這對作物切割過(guò)程研究和刀片設計具有重要意義。通過(guò)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(guān)察作物莖稈在各種受力和變形下的破壞形式，并進(jìn)行相應的分析，建立莖稈的力學(xué)模型與力學(xué)指標體系，進(jìn)而建立莖稈材料的破壞準則。
(4)內容結合“周培源大學(xué)生力學(xué)大賽”�！叭珖芘嘣创髮W(xué)生力學(xué)大賽”是教育部高教司主辦的大學(xué)生科技競賽項目，其目的在于培養人才、服務(wù)教學(xué)、促進(jìn)高等學(xué)校力學(xué)基礎課程的改革和建設。這與高水平大學(xué)建設的目標是一致的，有選擇地把大賽實(shí)驗競賽內容融入到學(xué)生的選修實(shí)驗內容，有助于促進(jìn)學(xué)生學(xué)習力學(xué)的興趣，加強學(xué)生實(shí)驗動(dòng)手能力、團隊合作能力及創(chuàng )新精神的培養。
1.3實(shí)驗教學(xué)方法的改革
實(shí)驗教學(xué)模式是實(shí)驗教學(xué)目標實(shí)現的關(guān)鍵，因此根據實(shí)驗教學(xué)目標和教學(xué)內容對教學(xué)模式，尤其是教學(xué)方法和手段進(jìn)行相應改革。
對于不同層次的實(shí)驗采用不同的實(shí)驗教學(xué)方法，基本型實(shí)驗的教學(xué)目的是強化學(xué)生自主操作的能力，要求學(xué)生熟悉相關(guān)的儀器設備，用理論知識解釋所觀(guān)察到的實(shí)驗現象。教師將實(shí)驗的注意事項、關(guān)鍵和要領(lǐng)以及該實(shí)驗在工程中的應用向學(xué)生講解后，學(xué)生就可以進(jìn)行實(shí)驗。對于綜合設計型實(shí)驗和創(chuàng )新研究型實(shí)驗，采用項目驅動(dòng)式和問(wèn)題導向引導式教學(xué)方法，實(shí)驗任務(wù)只給出實(shí)驗目的、實(shí)驗要求、應用背景、實(shí)驗設備及其使用說(shuō)明，配套相應的問(wèn)題，引導學(xué)生通過(guò)回答問(wèn)題逐步深入實(shí)驗。學(xué)生通過(guò)查閱資料、觀(guān)看網(wǎng)絡(luò )課件和視頻資料來(lái)制定實(shí)驗方案，根據實(shí)驗方案獨立完成實(shí)驗。實(shí)驗過(guò)程中以學(xué)生獨立分析、自主操作為主，以教師指導為輔。有些實(shí)驗可通過(guò)多種方案來(lái)實(shí)現，這一過(guò)程培養了學(xué)生的創(chuàng )新能力，注重了學(xué)生實(shí)驗過(guò)程的自主化和個(gè)性化。學(xué)生不僅能更好地深化理解、鞏固已學(xué)過(guò)的理論知識，而且在分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力和實(shí)際操作水平方面也有了很大的提高，同時(shí)也了解并掌握了科學(xué)研究的方法和過(guò)程。
對實(shí)驗項目的內容、個(gè)數和不同層次實(shí)驗的權重做細致合理的安排，盡量做到實(shí)驗內容因人而異，因材施教。實(shí)驗項目分必做和選做兩部分，根據實(shí)驗難易程度和實(shí)驗工作量的大小給每個(gè)實(shí)驗相應的分值，除了一些必修實(shí)驗外，其他實(shí)驗可以選做。對于綜合設計型實(shí)驗和創(chuàng )新研究型實(shí)驗，實(shí)驗室相應地全天候開(kāi)放，給學(xué)生比較寬松的時(shí)間和環(huán)境。
1.4實(shí)驗教學(xué)手段的改革
為了提高力學(xué)實(shí)驗課程的教學(xué)效果，需要改變以往實(shí)驗手段單一的情況。一方面實(shí)驗過(guò)程中充分利用多媒體技術(shù)、視頻和網(wǎng)絡(luò )等現代化教學(xué)手段，通過(guò)建立材料力學(xué)實(shí)驗站，將相關(guān)的課件、視頻和虛擬實(shí)驗等資料上傳到網(wǎng)站，學(xué)生通過(guò)網(wǎng)絡(luò )提前預習，節省了教師在課堂上講解的時(shí)間，這樣學(xué)生有更多的時(shí)間進(jìn)行動(dòng)手操作;另一方面在力學(xué)實(shí)驗教學(xué)中采用虛擬實(shí)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(shù)開(kāi)發(fā)虛擬實(shí)驗平臺，學(xué)生可以在網(wǎng)上制訂方案并虛擬實(shí)驗，虛擬實(shí)驗的逼真、生動(dòng)、可多次反復，既增加了學(xué)生實(shí)驗學(xué)習的趣味性，提高了教學(xué)效果，也減少了試件的耗損。
2改革后的效果展望
材料力學(xué)實(shí)驗教學(xué)改革是高水平大學(xué)建設大背景下實(shí)驗課程建設的新探索，通過(guò)實(shí)驗教學(xué)目標、實(shí)驗教學(xué)內容、實(shí)驗教學(xué)模式(包括實(shí)驗教學(xué)方法與教學(xué)手段)等方面的改革建立全新的材料力學(xué)實(shí)驗教學(xué)體系，實(shí)現從內容上激勵學(xué)生“我要學(xué)”，在教學(xué)手段上激勵學(xué)生“我要做”，在教學(xué)機制上激勵學(xué)生“我要創(chuàng )新”，力爭通過(guò)3～5年的教改實(shí)踐在這幾方面取得成效：
(1)調整后的教學(xué)目標符合了我校高水平大學(xué)建設的整體目標和要求，教學(xué)改革理念先進(jìn)，更具有創(chuàng )新性，對于其他課程的教學(xué)改革能起到一個(gè)好的借鑒作用。
(2)實(shí)驗內容的層次性、專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)、大賽特點(diǎn)、農業(yè)工程性，摒棄了學(xué)生對基礎實(shí)驗課程枯燥、脫離工程實(shí)際的認知，更能激發(fā)學(xué)生學(xué)習的興趣，調動(dòng)學(xué)習的積極性和主動(dòng)性，提高學(xué)習效率。通過(guò)不同層次實(shí)驗，由淺入深地培養學(xué)生的動(dòng)手能力、靈活運用知識的能力。通過(guò)融入大賽內容，培養了學(xué)生的創(chuàng )新能力和團隊合作創(chuàng )新精神。通過(guò)參與具有農業(yè)工程性的實(shí)驗，使學(xué)生了解力學(xué)在農業(yè)工程中的地位，了解科學(xué)研究的方法和過(guò)程，全面提升學(xué)生的農業(yè)工程素養，延伸力學(xué)實(shí)驗教學(xué)的內涵。
(3)通過(guò)實(shí)驗教學(xué)模式的改革和完善，形成以教師為主導、以學(xué)生為中心、以學(xué)生自我訓練為主的教學(xué)理念，切實(shí)提高課程教學(xué)質(zhì)量，有效踐行高水平大學(xué)建設的人才培養目標。
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