陳海波, 陶　冶, 段潔利, 盧玉華

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程基礎(chǔ)教學(xué)與訓(xùn)練中心, 廣東 廣州　510642)

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高水平大學(xué)建設(shè)背景下材料力學(xué)實驗教學(xué)改革

陳海波, 陶冶, 段潔利, 盧玉華

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程基礎(chǔ)教學(xué)與訓(xùn)練中心, 廣東 廣州510642)

為響應(yīng)“高水平大學(xué)建設(shè)”要求,提高人才培養(yǎng)質(zhì)量,針對材料力學(xué)實驗教學(xué)存在的問題,通過實驗教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式等方面的改革建立全新的材料力學(xué)實驗課程新體系。在實驗教學(xué)目標(biāo)中融入高水平大學(xué)建設(shè)人才培養(yǎng)要求,在實驗內(nèi)容中體現(xiàn)實驗項目的層次性、專業(yè)特點、大賽特點和農(nóng)業(yè)工程性,對實驗教學(xué)方法手段改革也提出了綜合舉措。

高水平大學(xué)建設(shè)； 農(nóng)業(yè)工程； 材料力學(xué)實驗

“高水平大學(xué)建設(shè)”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(shè)高校之一,既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。通過高水平大學(xué)建設(shè),進(jìn)一步提升學(xué)校的整體實力和國際影響力,把學(xué)校建設(shè)成為以農(nóng)業(yè)科學(xué)和生命科學(xué)為優(yōu)勢,以熱帶亞熱帶區(qū)域農(nóng)業(yè)研究為特色,多學(xué)科協(xié)調(diào)發(fā)展的特色鮮明、國際知名的高水平大學(xué),為區(qū)域經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展做出重要貢獻(xiàn),在服務(wù)“三農(nóng)”、建設(shè)社會主義新農(nóng)村和推進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展方面發(fā)揮重要作用[1]。高水平大學(xué)建設(shè)形勢下,對人才培養(yǎng)提出了更高的要求,相應(yīng)的實驗和實踐教學(xué)改革也亟須深化、創(chuàng)新。材料力學(xué)實驗課程在我校工科專業(yè)人才培養(yǎng)中的作用舉足輕重[2-4],因此針對材料力學(xué)實驗課程的現(xiàn)狀及存在問題、基于高水平大學(xué)建設(shè)中我校整體建設(shè)目標(biāo)和特色要求,對材料力學(xué)實驗課程的教學(xué)提出了一些具體的改革措施[5-8]。

1　針對高水平大學(xué)建設(shè)提出具體改革措施

材料力學(xué)課程是工科專業(yè)的基礎(chǔ)必修課程,“材料力學(xué)實驗”是材料力學(xué)課程的實踐環(huán)節(jié),它對后續(xù)其他專業(yè)課程的學(xué)習(xí)至關(guān)重要。2014年我校已對材料力學(xué)實驗課程獨立設(shè)課,內(nèi)容包括低碳鋼與鑄鐵的拉伸、壓縮和扭轉(zhuǎn)實驗,以及彎曲正應(yīng)力測定、薄壁圓管彎扭組合變形應(yīng)變測定、復(fù)合梁正應(yīng)力測定等5個實驗,這些實驗雖然涉及了基礎(chǔ)型實驗、綜合設(shè)計型實驗,但由于實驗內(nèi)容是基于一般工科類院校專業(yè)課程的需要而制定的,實驗開設(shè)與農(nóng)業(yè)工程實踐應(yīng)用存在一定差距,并且實驗方法呆板、實驗教學(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(shè)形勢下我校整體建設(shè)目標(biāo)和特色要求,亟須進(jìn)行深化改革。

1.1實驗教學(xué)目標(biāo)的調(diào)整和重新定位

首先是課程教學(xué)目標(biāo)的調(diào)整和重新定位,本實驗課程原來的教學(xué)目標(biāo)是通過實驗加強學(xué)生對材料力學(xué)理論概念的理解,并著重進(jìn)行力學(xué)實驗?zāi)芰筒僮骷寄艿呐囵B(yǎng),但在實際教學(xué)過程中,通常只側(cè)重于要求學(xué)生理解原理和學(xué)會操作,而忽略了實驗?zāi)芰Φ南到y(tǒng)性培養(yǎng)以及力學(xué)在農(nóng)業(yè)工程中的應(yīng)用和拓展,這不符合我校高水平大學(xué)建設(shè)人才培養(yǎng)的要求。

基于我校高水平大學(xué)建設(shè)中提出的以熱帶亞熱帶區(qū)域農(nóng)業(yè)研究為特色,培養(yǎng)更多能適應(yīng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要的創(chuàng)新型、綜合型農(nóng)業(yè)科技人才的目標(biāo)，本課程除保留原有的教學(xué)基本目標(biāo)外,重點突出農(nóng)業(yè)工程所需要的各種能力的培養(yǎng),除動手能力外,更著眼于農(nóng)業(yè)工程各學(xué)科知識的綜合應(yīng)用能力、創(chuàng)新意識和思維能力的培養(yǎng),將來能獨立地進(jìn)行相關(guān)農(nóng)業(yè)工程中力學(xué)問題的研究,包括實驗?zāi)康拇_定、實驗方案設(shè)計、儀器設(shè)備選用、實驗過程操作、實驗數(shù)據(jù)處理以及實驗方案的自主創(chuàng)新,在推進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展方面發(fā)揮重要作用。

1.2實驗內(nèi)容體系建設(shè)

實驗教學(xué)內(nèi)容體系是實驗教學(xué)目標(biāo)的支撐和依托。零散的依附于理論教學(xué)進(jìn)程的實驗內(nèi)容不利于學(xué)生系統(tǒng)掌握力學(xué)實驗技能和方法,另外我校擴(kuò)招后,學(xué)生人數(shù)增多,由于學(xué)生的興趣和知識結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多樣性和一定的層次性,需要根據(jù)學(xué)生所學(xué)專業(yè)特點以及學(xué)生層次,科學(xué)地、系統(tǒng)地構(gòu)建本實驗課程教學(xué)內(nèi)容體系和內(nèi)容結(jié)構(gòu)模塊。實驗教材的編寫遵循以下幾個原則:

(1) 內(nèi)容的層次性和模塊化?；A(chǔ)型實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)實驗的基本測試技術(shù)和方法,綜合設(shè)計型實驗的目的在于培養(yǎng)學(xué)生綜合所學(xué)知識的運用能力。在原有的這2類實驗項目的基礎(chǔ)上,增設(shè)創(chuàng)新研究型實驗項目,通過這類實驗培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計能力及綜合分析解決農(nóng)業(yè)工程中與力學(xué)有關(guān)問題的能力。這3類實驗項目在知識內(nèi)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(xí)知識的客觀規(guī)律,同時也可以有效應(yīng)對我校擴(kuò)招后學(xué)生層次不同的問題。

(2) 內(nèi)容的專業(yè)特點。不同專業(yè)的實驗內(nèi)容可結(jié)合各專業(yè)特點：對于車輛和交通專業(yè)的學(xué)生,可以設(shè)置跟汽車相關(guān)的力學(xué)性能測試和分析,比如汽車直拉桿總成是連接汽車轉(zhuǎn)向器和橫拉桿總成的部件,是整個汽車安全件中最關(guān)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(yīng)變測量技術(shù),是一個很好的綜合設(shè)計型實驗。對于機(jī)械設(shè)計制造和農(nóng)業(yè)機(jī)械化專業(yè)的學(xué)生,可以設(shè)置一些跟現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備開發(fā)研究相關(guān)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(lián)合收割機(jī)出糧口谷物的沖擊,通過電阻應(yīng)變測量技術(shù)測量相應(yīng)構(gòu)件的應(yīng)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(xùn)練了材料力學(xué)中彎扭變形的應(yīng)力測定及應(yīng)片變的粘貼和電橋組橋方面的能力[9]。對于建筑和路橋?qū)I(yè)的學(xué)生來說,可以設(shè)置一些房屋梁、柱、橋面及橋墩等構(gòu)件的受力分析和測試,分析它們的強度問題。結(jié)合各專業(yè)特點設(shè)置的實驗項目更能激發(fā)學(xué)生對基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)興趣,提高學(xué)習(xí)效率。

(3) 內(nèi)容的農(nóng)業(yè)工程性。創(chuàng)新研究型實驗項目可以結(jié)合教師的科研項目,著眼于解決南方地區(qū)農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域的實際問題。比如荔枝、龍眼等南方水果的力學(xué)性能測試。水果在采摘、加工和儲運過程中容易受到力的作用產(chǎn)生機(jī)械損傷,因此有必要對它們的力學(xué)特性進(jìn)行研究?；A(chǔ)型實驗中的低碳鋼和鑄鐵的拉伸和壓縮,試件已經(jīng)制成標(biāo)準(zhǔn)試樣,拉伸和壓縮時的力學(xué)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(xué)性能以及果殼的受拉性能進(jìn)行測定,這個難度就要大多了。果子的形狀是非標(biāo)準(zhǔn)的,學(xué)生嘗試進(jìn)行夾具的設(shè)計以及材料不同方向的力學(xué)性能測試,并且在測得實驗數(shù)據(jù)后分析建立荔枝、龍眼等南方水果的材料模型和本構(gòu)方程,這對學(xué)生來說就是一個很好的聯(lián)系農(nóng)業(yè)工程實際的創(chuàng)新研究型實驗項目[10-11]。又比如甘蔗和煙草等作物莖稈的力學(xué)性能測試,這對作物切割過程研究和刀片設(shè)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(zhuǎn)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(jìn)行相應(yīng)的分析,建立莖稈的力學(xué)模型與力學(xué)指標(biāo)體系,進(jìn)而建立莖稈材料的破壞準(zhǔn)則[12-13]。

(4) 內(nèi)容結(jié)合“周培源大學(xué)生力學(xué)大賽”。“全國周培源大學(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(yǎng)人才、服務(wù)教學(xué)、促進(jìn)高等學(xué)校力學(xué)基礎(chǔ)課程的改革和建設(shè)。這與高水平大學(xué)建設(shè)的目標(biāo)是一致的,有選擇地把大賽實驗競賽內(nèi)容融入到學(xué)生的選修實驗內(nèi)容,有助于促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)力學(xué)的興趣,加強學(xué)生實驗動手能力、團(tuán)隊合作能力及創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。

1.3實驗教學(xué)方法的改革

實驗教學(xué)模式是實驗教學(xué)目標(biāo)實現(xiàn)的關(guān)鍵,因此根據(jù)實驗教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容對教學(xué)模式，尤其是教學(xué)方法和手段進(jìn)行相應(yīng)改革。

對于不同層次的實驗采用不同的實驗教學(xué)方法,基本型實驗的教學(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(shè)備,用理論知識解釋所觀察到的實驗現(xiàn)象。教師將實驗的注意事項、關(guān)鍵和要領(lǐng)以及該實驗在工程中的應(yīng)用向?qū)W生講解后,學(xué)生就可以進(jìn)行實驗。對于綜合設(shè)計型實驗和創(chuàng)新研究型實驗,采用項目驅(qū)動式和問題導(dǎo)向引導(dǎo)式教學(xué)方法,實驗任務(wù)只給出實驗?zāi)康?、實驗要求、?yīng)用背景、實驗設(shè)備及其使用說明,配套相應(yīng)的問題,引導(dǎo)學(xué)生通過回答問題逐步深入實驗。學(xué)生通過查閱資料、觀看網(wǎng)絡(luò)課件和視頻資料來制定實驗方案,根據(jù)實驗方案獨立完成實驗。實驗過程中以學(xué)生獨立分析、自主操作為主,以教師指導(dǎo)為輔。有些實驗可通過多種方案來實現(xiàn),這一過程培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力,注重了學(xué)生實驗過程的自主化和個性化。學(xué)生不僅能更好地深化理解、鞏固已學(xué)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(xué)研究的方法和過程。

對實驗項目的內(nèi)容、個數(shù)和不同層次實驗的權(quán)重做細(xì)致合理的安排,盡量做到實驗內(nèi)容因人而異,因材施教。實驗項目分必做和選做兩部分,根據(jù)實驗難易程度和實驗工作量的大小給每個實驗相應(yīng)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(shè)計型實驗和創(chuàng)新研究型實驗,實驗室相應(yīng)地全天候開放,給學(xué)生比較寬松的時間和環(huán)境。

1.4實驗教學(xué)手段的改革

為了提高力學(xué)實驗課程的教學(xué)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(shù)、視頻和網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代化教學(xué)手段,通過建立材料力學(xué)實驗學(xué)習(xí)網(wǎng)站,將相關(guān)的課件、視頻和虛擬實驗等資料上傳到網(wǎng)站,學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)提前預(yù)習(xí),節(jié)省了教師在課堂上講解的時間,這樣學(xué)生有更多的時間進(jìn)行動手操作；另一方面在力學(xué)實驗教學(xué)中采用虛擬實驗系統(tǒng)也是我校努力的方向,積極探索使用Matlab、有限元、計算機(jī)數(shù)值仿真技術(shù)開發(fā)虛擬實驗平臺,學(xué)生可以在網(wǎng)上制訂方案并虛擬實驗,虛擬實驗的逼真、生動、可多次反復(fù),既增加了學(xué)生實驗學(xué)習(xí)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)實驗教學(xué)改革是高水平大學(xué)建設(shè)大背景下實驗課程建設(shè)的新探索,通過實驗教學(xué)目標(biāo)、實驗教學(xué)內(nèi)容、實驗教學(xué)模式(包括實驗教學(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)實驗教學(xué)體系,實現(xiàn)從內(nèi)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(jī)制上激勵學(xué)生“我要創(chuàng)新”,力爭通過3～5年的教改實踐在這幾方面取得成效:

(1) 調(diào)整后的教學(xué)目標(biāo)符合了我校高水平大學(xué)建設(shè)的整體目標(biāo)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)改革能起到一個好的借鑒作用。

(2) 實驗內(nèi)容的層次性、專業(yè)特點、大賽特點、農(nóng)業(yè)工程性,摒棄了學(xué)生對基礎(chǔ)實驗課程枯燥、脫離工程實際的認(rèn)知,更能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣,調(diào)動學(xué)習(xí)的積極性和主動性,提高學(xué)習(xí)效率。通過不同層次實驗,由淺入深地培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、靈活運用知識的能力。通過融入大賽內(nèi)容,培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力和團(tuán)隊合作創(chuàng)新精神。通過參與具有農(nóng)業(yè)工程性的實驗,使學(xué)生了解力學(xué)在農(nóng)業(yè)工程中的地位,了解科學(xué)研究的方法和過程,全面提升學(xué)生的農(nóng)業(yè)工程素養(yǎng),延伸力學(xué)實驗教學(xué)的內(nèi)涵。

(3) 通過實驗教學(xué)模式的改革和完善,形成以教師為主導(dǎo)、以學(xué)生為中心、以學(xué)生自我訓(xùn)練為主的教學(xué)理念,切實提高課程教學(xué)質(zhì)量,有效踐行高水平大學(xué)建設(shè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)。

References)

[1] 50億建高水平大學(xué) 50億強科技創(chuàng)新[N/OL].南方日報,2015-07-10(A07).http://epaper.southcn.com/nfdaily/html/2015-07/10/content_7447836.htm.

[2] 張偉.力學(xué)在農(nóng)業(yè)工程中的地位[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,1992,8(1):9-15.

[3] 陽小成,王伯初,葉志義.試論農(nóng)業(yè)工程中的力學(xué)問題及主要研究方向[J].華南師范大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2003(3):145-149.

[4] 中華人民共和國教育部.教育部等部門關(guān)于進(jìn)一步加強高校實踐育人工作的若干意見:教思政 2012[1]號[Z]. 2012.

[5] 張應(yīng)紅,孫永厚,景暉,等.卓越工程師培養(yǎng)計劃背景下材料力學(xué)實驗改革與實踐[[J]. 實驗技術(shù)與管理,2014,31(5):222-224.

[6] 劉雯雯,杜云海,王志,等. 材料力學(xué)實驗教學(xué)改革與創(chuàng)新人才培養(yǎng)[J]. 實驗室研究與探索,2013,32(6):332-337.

[7] 李建華,喬箭,陳亮亮.材料力學(xué)實驗“互動式”教學(xué)模式探索[J].實驗技術(shù)與管理,2013,30(12):181-183.

[8] 楊德生,徐文娟,繆正華.材料力學(xué)實驗分類教學(xué)改革研究[J].實驗科學(xué)與技術(shù),2011,9(3):93-95.

[9] 胡均萬,羅錫文,阮歡,等.雙板差分沖量式谷物流量傳感器設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2009,40(4):69-72.

[10] 陳燕,蔡偉亮,鄒湘軍,等.荔枝的力學(xué)特性測試及其有限元分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2011,27(12):358-363.

[11] 陳燕,蔡偉亮,鄒湘軍,等.荔枝鮮果擠壓力學(xué)特性[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2011,27(8):360-364.

[12] 劉慶庭,區(qū)穎剛,袁納新.甘蔗莖在彎曲荷載下的破壞[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2004,20(3):6-9.

[13] 劉慶庭,區(qū)穎剛,卿上樂,等.甘蔗莖稈在扭轉(zhuǎn)、壓縮、拉伸荷載下的破壞試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2006,22(6):201-204.

Reformofmaterialmechanicsexperimentalteachingunderbackgroundofbuildinghighleveluniversity

Chenhaibo,Taoye,Duanjieli,Luyuhua

(EngineeringBasicTeachingandTrainingCentre,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China)

Basedonbuildingthehighleveluniversity,inviewoftheproblemsintheexperimentalteachingofmaterialmechanics,anewmaterialmechanicsexperimentalteachingcurriculumsystemwasestablishedbyreformingtheexperimentalteachinggoal,teachingcontent,andteachingmode.Thegoaloftheexperimentalteachingwasinresponsetothepersonneltrainingrequirementsofhighleveluniversity.Thehierarchy,agriculturalengineering,professionalfeaturesandcontestcharacteristicsofexperimentalcontentwereemphasized.

constructionofhighleveluniversity；agriculturalengineering；experimentofmaterialsmechanics

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.07.054

2016-01-04

2015廣東省教改項目“高水平大學(xué)的工程基礎(chǔ)課程教學(xué)模式改革研究與實踐”(粵教高函173-135)

陳海波(1973-),女,浙江余姚,博士,副教授,主要從事農(nóng)業(yè)工程方面的研究

陶冶(1961-),男,安徽,碩士,教授,副主任,主要從事農(nóng)業(yè)工程方面的研究.

E-mail：huanongchb@scau.edu.cn

G642.0

B

1002-4956(2016)7-0214-03

實驗課程改革