基于校企联合探索《材料力学实验》复杂工程问题能力培养
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作者:李建华 卿上乐 毛文贵
【摘 要】材料力学是机械设计制造及其自动化专业的主要专业基础课程之一。探索将实验设计与企业实际项目相结合的校企联合培养模式对传统实验教学模式进行改革和创新。有助于培养大学生的工程应用能力，增强其对力学实验课的兴趣，能进一步提高他们的复杂工程问题的解决能力。
【关键词】实验教学;校企联合;复杂工程问题解决能力
【基金项目】本文系湖南工程学院校级教学改革研究项目，项目名称：《对分课堂教学模式的探析及其在力学教学中的应用》的阶段性成果。
【中图分类号】TB301-4;G642.423 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2019）21-00-02
前言
《华盛顿协议》用“必须运用深入的工程原理经过分析才可能解决;需求涉及多方面的技术、工程和其他因素，并可能相互有一定冲突;…”等7个特征进行刻画复杂工程问题的本质。随着中国加入华盛顿协议，培养高校学生具有解决复杂工程问题的能力成为专业认证中的核心指标。复杂工程问题解决能力不仅需要学生掌握全面扎实的理论知识体系，更注重工程应用能力的拓展训练，强调知识体系的实践性。因此，在工程教育专业认证背景下聚焦学生复杂工程问题解决能力的培养模式有一定的实际意义。
将社会的各种需求体现在高校人才培养目标中，对应各个培养环节，使学生成为具备较强的创新能力和工程技术素质的高质量工程技术人才成为教育界和工程界关注的重点[1]。教育部开展了诸如卓越工程师、工程教育认证等多项教育实践改革，探索“培养高校学生具有复杂工程问题的解决能力和创新意识”已成为全国高校面临的首要问题。研究者从如何界定及培养复杂工程问题解决能力等方面进行了很多探索性工作。蒋宗礼[2]明确本科工程教育聚焦学生复杂工程问题解决能力的基本定位，并指出复杂工程问题解决能力的培养必须通过整个“培养体系”实现。蔡培君[3]对工科学生实践机会少、工程能力薄弱等问题，提出了实践教学改进的方法，以期在实践教学中培养学生复杂工程问题解决能力。李艳[4]构建多元化实践教学培养体系，按照专业基本技能、系统设计能力、研究创新能力三个层面，逐层递进地培养学生复杂工程问题解决能力。研究表明高校在培养模式上已更加注重实践教育来培养学生具有复杂工程问题的解决能力。
材料力学是一门实践性较强的专业基础课。学生在上这门课之前仅通过金工实习类的实践教学，对力学理论与实践结合不强，对力学模型及应用背景理解模糊。虽然通过学校设置的力学实验项目有理论联系实践的机会，但实验项目设置的内容固定、装置简单，只是根据老师的要求“照方抓药”[5]，不能发挥学生自身的主体作用，对其实践含义理解不深，难以增强复杂工程问题解决的能力。我院现在的机械专业是“3+1”的卓越工程师培养方式，即3年在学校学习，1年在企业的培养模式。力学是机械专业的重要基础课，要求学生掌握力学等工程基础知识，能将其用于分析解决工程中的机械工程问题。工程实践中力学涵盖于机械设计、制造中，常用有限元分析手段进行结构的力学前期评价。基于此，本文提出校企联合培养模式，并引入有限元分析的思想于材料力学的实验教学模式中。学生先对实验项目中的力学模型进行有限元分析，再到实验室进行结果检验测试，从而加强学生对力学理论知识的理解应用，训练其解决复杂工程问题的能力。
一、依托校企联合，探索实验教学新模式
1.基于复杂工程问题解决能力的培养，进行力学实验的内容设计
基于《材料力学》复杂工程问题解决的能力指标，面向校企合作的《材料力学》课程的内容，以实际项目来提高学生解决复杂工程问题的能力为主要目标。先对学生要进行实践的企业进行了解，分析其行业的主流技术和先进技术与力学的关联，将其行业案例引入到力学教学中，以其作为学生有限元分析的实践案例，学生分析完后再去企业实践检验。这样的实验设计让学生真正理解理论知识与实践的关联。实践与行业背景相融合，了解力学的行业应用，与社会需求接轨，从而提高学习兴趣和工作态度。融入行业实践，增强学生复杂工程问题的解决能力。
2.探索校企联合的实验设计模式，实现校企双赢
探索校企合作的实验设计模式，要做到学生能跟踪到企业所在行业的最新发展与力学的关联。了解到最新的前沿信息和解决问题的方法。通过校企联合培养，学生毕业就能达到能直接进企业工作的能力，为企业节省培训费用和创造价值。同时，高校也要经常将企业优秀人才请进学校进行讲学和传递行业的变化，弥补高校理论教师在企业实践上的不足，使高校的培养方案符合社会需求。在实际项目训练中，企业老师和学校老师联合，发挥各自优势，提高学生应对复杂工程问题的解决能力。
（1）在校内建立三维数字化模拟实验室，培养学生三维建模能力
学生在入学进行专业认识实习，并对第四年要去的实践企业有一个大概的了解。后续的《机械制图》有三维建模环节。学生可通过学校的三维数字化模拟实验室，学会使用UG等三维建模软件和ANSYS等有限元仿真软件，对要在企业里进行力学测试的模型进行三维建模和力学分析。
（2）在企业内建立实训基地，培养学生工程实践能力
“校企联合模式”是指学校邀请企业人员来校协助指导的教学模式。企业作为社会市场的运营实体，是人才的使用基地，对人才需要具备的能力指标把握更准。而高校作为人才的培养基地，很大一部份教师从学校一毕业就到学校工作，没有太多项目开发等社会实践经验，对社会市场的需求了解不是很全面，但对理论知识有较系统的钻研。引企业优秀人才来学校与学校老师联合培养学生工程实践能力，可以互补，既可发挥企业老师的实践操作技术，又可发挥高校老师知识深度的引导。《材料力学》一般在第三学期开课。可以与企业老师一起进行学生的力学实验项目设计，学生进入企业内实训基地进行实训。通过企业实训，学生对结构进行系统认识，理论结合实践，对结构的材料、邊界条件、载荷等力学知识有了一定程度的工程实际认识。对仿真分析进行现场调试，并对实验结构进行测试、与仿真分析进行对比。 （3）建立双师制度
引入企业中实际亟须解决的项目。由校企双方共同讨论，定下实验方案，按照企业单位实际工程项目的要求，由企业优秀工程师和具有一定工程经验的学校教师共同为学生授课，教学单位的专业老师进行分组，全程参与所带小组的力学实验设计。考虑项目的多样性，为了不同程度地培养学生的解决复杂工程问题的能力，可以选取部分项目渗透到相关课程的理论教学和实验教学中，引导和鼓励学生深度参与相关项目。这种通过企业真实的项目来探索实验教学新模式，更加符合实验教学的目标，即通过学生动手实践增强其对理论知识的理解，从而可以更好地将理论应用于实践当中。
二、校企联合探索实验教学新模式的思考
利用学校和企业两种不同的教育环境和教育资源，合理安排课程，使课程内容和实践环节更加贴近企业发展的需求。加强社会实践环节、促进学生理论联系实践，是提高学生复杂工程问题的解决能力的有效途径。但培养学生的复杂工程问题解决能力，还需对学校现在的教育理论、课程设置和实验模式等进行梳理，进行逐步的改进和探索。
（1）依托企业资源，采用多种合作方式和激励手段充分调动学生专业学习兴趣。利用学校近几年来签订的卓越计划企业，充分利用企业的优势资源进行课程建设。以企业的具体实际项目为题材，在选题时重点考虑了以下几方面：一是要体现“目标性”，从《材料力学》课程能力指标上联系市场需求着重整理要培养学生哪些素质和能力;二是要体现“工程性”，《材料力学》是一门工程性质较强的课程，在行业中主要进行结构系统分析和结构力学设计;三是要體现“可行性”，包括实验条件设置的可行性和学生知识能力培养的可行性;四是要体现“自主性”，对实验设计题目教师只划定一个大致框架，要求学生给合企业自主确定实验设计题目。实验结束时需要进行答辩，答辩时每个同学将扮演不同的角色，小组成员需要全程参与方案的形成过程，并从不同的角度进行讲解。工作完成后要邀请项目经理为学生做专业交流、技术讲座及总结。
（2）学校应采取各种措施来强化学生复杂工程问题能力的培养。如我院已经执行的卓越工程师计划和逐年加大的博士化进程，来鞭策师资队伍提升竞争力，在人才培养和技术合作上取得实质进展。加大鼓励学生参与科技竞赛的力度和引导学生深入参与科技创新项目、重点实验室项目和老师的校企联合基金项目中，通过本科生实验及实践教学和毕业设计题谱的滚动发展，进一步构筑大众化教育背景下的精英教育培养体系。
三、结论
为了培养学生解决复杂工程问题的能力，同时突出材料力学教学内容的工程性特点。采用校企联合培养改进实验教学，通过工程实践案例学习提高学习兴趣;通过项目分析讨论和展示等环节提高学生理论建模、仿真分析、力学实验和表达能力，从而达到提高学生课堂参与程度，缩小经典的力学理论和工程实际的差异的教学目标。教学实践表明，工程背景的引入，学生对于课堂的参与度、对于实际工程问题的兴趣都有所提高。
参考文献
[1]林健.如何理解和解决复杂工程问题—基于华盛顿协议的界定和要求[J].高等工程教育研究，2016，（5）：17.
[2]蒋宗礼.本科工程教育：聚焦学生解决复杂工程问题能力的培养[J].中国大学教学，2016（11）：27-30.
[3]蔡培君.实践教学培养学生解决复杂工程问题能力探索[J].阴山学刊，2017，31（2）：148-149.
[4]李艳，王海梅，吴益飞，等.面向复杂工程问题解决能力的多元化实践教学体系构建[J].文教资料，2017，（1）：186-188.
[5]包丽，张洪军，李西兵，王世刚.校企联合探索实验教学新模式[J].实验技术与管理，2014，31（6）：200-212.
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