浅谈高水平大学建设背景下材料力学实验教学改革

　　高水平大学建设是2015年广东省教育改革的一项重大举措，我校作为全省7所重点建设高校之一，既是机遇也是挑战。通过高水平大学建设，进一步提升学校的整体实力和国际影响力，把学校建设成为以农业科学和生命科学为优势，以热带亚热带区域农业研究为特色，多学科协调发展的特色鲜明、国际知名的高水平大学，为区域经济和社会发展做出重要贡献，在服务三农、建设社会主义新农村和推进现代农业发展方面发挥重要作用。高水平大学建设形势下，对人才培养提出了更高的要求，相应的实验和实践教学改革也亟须深化、创新。材料力学实验课程在我校工科专业人才培养中的作用举足轻重，因此针对材料力学实验课程的现状及存在问题、基于高水平大学建设中我校整体建设目标和特色要求，对材料力学实验课程的教学提出了一些具体的改革措施。
　　1针对高水平大学建设提出具体改革措施
　　材料力学课程是工科专业的基础必修课程，材料力学实验是材料力学课程的实践环节，它对后续其他专业课程的学习至关重要。2014年我校已对材料力学实验课程独立设课，内容包括低碳钢与铸铁的拉伸、压缩和扭转实验，以及弯曲正应力测定、薄壁圆管弯扭组合变形应变测定、复合梁正应力测定等5个实验，这些实验虽然涉及了基础型实验、综合设计型实验，但由于实验内容是基于一般工科类院校专业课程的需要而制定的，实验开设与农业工程实践应用存在一定差距，并且实验方法呆板、实验教学手段单一，不利于发挥学生的创新能力，不符合高水平大学建设形势下我校整体建设目标和特色要求，亟须进行深化改革。
　　1.1实验教学目标的调整和重新定位
　　首先是课程教学目标的调整和重新定位，本实验课程原来的教学目标是通过实验加强学生对材料力学理论概念的理解，并着重进行力学实验能力和操作技能的培养，但在实际教学过程中，通常只侧重于要求学生理解原理和学会操作，而忽略了实验能力的系统性培养以及力学在农业工程中的应用和拓展，这不符合我校高水平大学建设人才培养的要求。
　　基于我校高水平大学建设中提出的以热带亚热带区域农业研究为特色，培养更多能适应区域经济发展需要的创新型、综合型农业科技人才的目标，本课程除保留原有的教学基本目标外，重点突出农业工程所需要的各种能力的培养，除动手能力外，更着眼于农业工程各学科知识的综合应用能力、创新意识和思维能力的培养，将来能独立地进行相关农业工程中力学问题的研究，包括实验目的确定、实验方案设计、仪器设备选用、实验过程操作、实验数据处理以及实验方案的自主创新，在推进现代农业发展方面发挥重要作用。
　　1.2实验内容体系建设实验教学内容体系是实验教学目标的支撑和依托。零散的依附于理论教学进程的实验内容不利于学生系统掌握力学实验技能和方法，另外我校扩招后，学生人数增多，由于学生的兴趣和知识结构呈现多样性和一定的层次性，需要根据学生所学专业特点以及学生层次，科学地、系统地构建本实验课程教学内容体系和内容结构模块。实验教材的编写遵循以下几个原则：
　　(1)内容的层次性和模块化。基础型实验的目的在于加强和巩固学生对理论原理的理解，掌握力学实验的基本测试技术和方法，综合设计型实验的目的在于培养学生综合所学知识的运用能力。在原有的这2类实验项目的基础上，增设创新研究型实验项目，通过这类实验培养学生的创新设计能力及综合分析解决农业工程中与力学有关问题的能力。这3类实验项目在知识内容和操作要求上都逐级递进，符合学生循序渐进学习知识的客观规律，同时也可以有效应对我校扩招后学生层次不同的问题。
　　(2)内容的专业特点。不同专业的实验内容可结合各专业特点：对于车辆和交通专业的学生，可以设置跟汽车相关的力学性能测试和分析，比如汽车直拉杆总成是连接汽车转向器和横拉杆总成的部件，是整个汽车安全件中最关键的部件，直拉杆在工作过程中受到轴向拉力、弯矩作用，测试这些作用的大小需要综合运用拉伸和弯曲变形的知识以及电阻应变测量技术，是一个很好的综合设计型实验。对于机械设计制造和农业机械化专业的学生，可以设置一些跟现代农业机械装备开发研究相关的实验项目，比如冲击式谷物流量传感器，采用冲击板感受联合收割机出粮口谷物的冲击，通过电阻应变测量技术测量相应构件的应变来测量谷物的冲击力，最后换算成谷物流量，这个实验项目综合训练了材料力学中弯扭变形的应力测定及应片变的粘贴和电桥组桥方面的能力。对于建筑和路桥专业的学生来说，可以设置一些房屋梁、柱、桥面及桥墩等构件的受力分析和测试，分析它们的强度问题。结合各专业特点设置的实验项目更能激发学生对基础课程的学习兴趣，提高学习效率。
　　(3)内容的农业工程性。创新研究型实验项目可以结合教师的科研项目，着眼于解决南方地区农业工程领域的实际问题。比如荔枝、龙眼等南方水果的力学性能测试。水果在采摘、加工和储运过程中容易受到力的作用产生机械损伤，因此有必要对它们的力学特性进行研究。基础型实验中的低碳钢和铸铁的拉伸和压缩，试件已经制成标准试样，拉伸和压缩时的力学性能也是已知的答案，属于验证型实验，但是把它们换成荔枝或龙眼，对整果及各组成部分(包括果壳、果肉和果核)的弹性模量及受压时的力学性能以及果壳的受拉性能进行测定，这个难度就要大多了。果子的形状是非标准的，学生尝试进行夹具的设计以及材料不同方向的力学性能测试，并且在测得实验数据后分析建立荔枝、龙眼等南方水果的材料模型和本构方程，这对学生来说就是一个很好的联系农业工程实际的创新研究型实验项目。又比如甘蔗和烟草等作物茎秆的力学性能测试，这对作物切割过程研究和刀片设计具有重要意义。通过测试作物茎秆(包括茎秆整体、皮和芯)的拉、压、弯曲和扭转的性能，观察作物茎秆在各种受力和变形下的破坏形式，并进行相应的分析，建立茎秆的力学模型与力学指标体系，进而建立茎秆材料的破坏准则。
　　(4)内容结合周培源大学生力学大赛。全国周培源大学生力学大赛是教育部高教司主办的大学生科技竞赛项目，其目的在于培养人才、服务教学、促进高等学校力学基础课程的改革和建设。这与高水平大学建设的目标是一致的，有选择地把大赛实验竞赛内容融入到学生的选修实验内容，有助于促进学生学习力学的兴趣，加强学生实验动手能力、团队合作能力及创新精神的培养。
　　1.3实验教学方法的改革
　　实验教学模式是实验教学目标实现的关键，因此根据实验教学目标和教学内容对教学模式，尤其是教学方法和手段进行相应改革。
　　对于不同层次的实验采用不同的实验教学方法，基本型实验的教学目的是强化学生自主操作的能力，要求学生熟悉相关的仪器设备，用理论知识解释所观察到的实验现象。教师将实验的注意事项、关键和要领以及该实验在工程中的应用向学生讲解后，学生就可以进行实验。对于综合设计型实验和创新研究型实验，采用项目驱动式和问题导向引导式教学方法，实验任务只给出实验目的、实验要求、应用背景、实验设备及其使用说明，配套相应的问题，引导学生通过回答问题逐步深入实验。学生通过查阅资料、观看网络课件和视频资料来制定实验方案，根据实验方案独立完成实验。实验过程中以学生独立分析、自主操作为主，以教师指导为辅。有些实验可通过多种方案来实现，这一过程培养了学生的创新能力，注重了学生实验过程的自主化和个性化。学生不仅能更好地深化理解、巩固已学过的理论知识，而且在分析问题、解决问题的能力和实际操作水平方面也有了很大的提高，同时也了解并掌握了科学研究的方法和过程。
　　对实验项目的内容、个数和不同层次实验的权重做细致合理的安排，尽量做到实验内容因人而异，因材施教。实验项目分必做和选做两部分，根据实验难易程度和实验工作量的大小给每个实验相应的分值，除了一些必修实验外，其他实验可以选做。对于综合设计型实验和创新研究型实验，实验室相应地全天候开放，给学生比较宽松的时间和环境。
　　1.4实验教学手段的改革
　　为了提高力学实验课程的教学效果，需要改变以往实验手段单一的情况。一方面实验过程中充分利用多媒体技术、视频和网络等现代化教学手段，通过建立材料力学实验学习网站，将相关的课件、视频和虚拟实验等资料上传到网站，学生通过网络提前预习，节省了教师在课堂上讲解的时间，这样学生有更多的时间进行动手操作;另一方面在力学实验教学中采用虚拟实验系统也是我校努力的方向，积极探索使用Matlab、有限元、计算机数值仿真技术开发虚拟实验平台，学生可以在网上制订方案并虚拟实验，虚拟实验的逼真、生动、可多次反复，既增加了学生实验学习的趣味性，提高了教学效果，也减少了试件的耗损。
　　2改革后的效果展望
　　材料力学实验教学改革是高水平大学建设大背景下实验课程建设的新探索，通过实验教学目标、实验教学内容、实验教学模式(包括实验教学方法与教学手段)等方面的改革建立全新的材料力学实验教学体系，实现从内容上激励学生我要学，在教学手段上激励学生我要做，在教学机制上激励学生我要创新，力争通过3 5年的教改实践在这几方面取得成效：
　　(1)调整后的教学目标符合了我校高水平大学建设的整体目标和要求，教学改革理念先进，更具有创新性，对于其他课程的教学改革能起到一个好的借鉴作用。
　　(2)实验内容的层次性、专业特点、大赛特点、农业工程性，摒弃了学生对基础实验课程枯燥、脱离工程实际的认知，更能激发学生学习的兴趣，调动学习的积极性和主动性，提高学习效率。通过不同层次实验，由浅入深地培养学生的动手能力、灵活运用知识的能力。通过融入大赛内容，培养了学生的创新能力和团队合作创新精神。通过参与具有农业工程性的实验，使学生了解力学在农业工程中的地位，了解科学研究的方法和过程，全面提升学生的农业工程素养，延伸力学实验教学的内涵。
　　(3)通过实验教学模式的改革和完善，形成以教师为主导、以学生为中心、以学生自我训练为主的教学理念，切实提高课程教学质量，有效践行高水平大学建设的人才培养目标。