工程材料及熱處理課堂教學改革

李蓉，陳志平，張巨勇

摘要：針對工程材料及熱處理課程現有教學模式的不足，本文提出工程材料及熱處理課程改革，并分別闡述了改革目標、思路、內容與實現方式。結合實踐表明，該課程的教學改革具有積極作用。

關鍵詞：工程材料；熱處理；教學模式；課程改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）19-0039-02

“工程材料及熱處理”作為一名機械工程師的必修課，在國內高校教育過程中普遍存在重理論輕實踐的教學理念，以及缺乏對學生技能培養的現象。單一的授課方式增加了學生對本課程的枯燥感和厭惡感；陳舊的實踐環節無法實現生產能力的培養；新材料、新工藝知識體系增加的緩慢性，無法實現與企業或工廠的“零距離”對接。

一、工程材料及熱處理課程教學狀況

“工程材料及熱處理”課程是一門理論性和實踐性均較強的課程，但目前教學過程中存在的主要問題包括：

1.現有課程內容體系在知識點的選擇和安排上沒有脫離傳統的教學理念。新材料、新技術、新工藝方面知識點增加緩慢。

2.現有課程安排中沒有同程的實驗教學環節。學生難以將所學習的知識點與分析、解決生產實際問題相聯系。

3.學生對課程認識不夠，誤認為本門課程就是簡單的記憶。學完課程后往往只有一個“陶瓷”、“塑料”等非常模糊而籠統的概念。

二、改革理念、思路及目標

課程改革理念、建設思路與目標如下：

1.改革教學方法與教學手段。針對“工程材料及熱處理”理論性和實踐性均較強的特點，注重教學內容的精選，著重講清“問題是什么”、“問題的背景是什么”、“問題的性質是什么”、“問題的解決方法是什么”等內容。

2.新建一些實驗設備先進、實驗水平高、與生產實踐結合緊密的新實驗項目，以滿足課程建設的實際需要。

3.以企業典型應用為載體，實現以實例項目為導向的教學模式。以吉利汽車制造廠的實際案例，如以“帝豪EC7模具工藝的改進”為載體，將學習過程轉化為“企業現場情景的再現”，實現“將理論知識轉化為專業技能”的學習目標。

4.將工程中的典型案例引入教學內容，并借助教師的引導、學生的動手實踐和課堂討論，使學生掌握工程材料與熱處理的思路和基本方法；提高學生分析問題和綜合設計的能力。

5.提出復合材料的有限元研究觀念，引入教師在研項目，帶領學生進入科研實踐，掌握分解任務、各個擊破的解決問題方法，為學生今后可能的科研需求打下堅實的基礎。

6.培養團隊協作精神，形成良好的職業能力和職業素養。分組進行教學，按組分配任務，進行討論、查閱資料、分工合作，培養團隊協作精神。

7.強化能力、過程考核，提高學生的學習興趣。改變傳統考核方法重理論輕應用的方式，采取強化能力、過程考核，注重學生的參與，培養學生主動學習和創新能力。加大學生平時成績比重，將期末考核轉變為章節考核。實踐考核與理論考核相互結合，形式上做到有機統一、相互滲透。可以就某一材料或工藝設計問題，例如圍繞“玉兔號”月球車，設定一個與材料或工藝相關的寫作范圍，讓學生自己根據問題去尋找答案。

三、課程改革內容

本課程的主線為：成分—組織—性能—典型材料。常見的章節內容是：晶體結構與結晶、金屬的塑性變形、相圖、鐵碳合金、鋼的熱處理、合金鋼、鑄鐵、有色金屬、非金屬材料簡介及工程材料的選用等。其中重點是相圖、熱處理（包括原理與工藝）和合金化原理。調整課程基礎知識內容、增加實踐模塊環節、融合工廠實例與科研項目，提高學生對相圖、熱處理和合金的運用能力，成為本課程改革的核心內容。結合教改理念、思路與目標，課程改革的具體內容主要如下圖所示。首先，對于基本知識方面，要求學生掌握晶體結構與結晶、金屬的塑性變形、相圖、鐵碳合金、鋼的熱處理、合金鋼、鑄鐵、有色金屬、非金屬材料及工程材料等基本知識點，結合學校現有實驗設施完成基本的實驗環節，考核方式以章節考試為主。其次，增加案例實踐環節。主要結合我校“卓越計劃”的合作單位——寧波吉利汽車公司的工廠實例，如“6σ在焊點質量改進中的應用”、“帝豪EC7模具工藝的改進”、“鼓式制動器及其蹄片切削機設計”等實際工藝環節，展開案例型教學，考核方式以個人實踐考核的形式為主。最后，結合教師的科研項目，提升自主學習能力、增加團隊合作能力。主要結合我國在研的深空太陽天文臺主反射鏡、主桁架結構的材料選擇與工藝設計的科研需求，或者以大家感興趣的神舟十號、嫦娥三號、“玉兔號”月球車等項目對材料與工藝的展開，充分激發學生對工程材料的興趣，鼓勵學生自主調研、通力合作解決問題。在實際項目學習中普及“有限元分析”方法在復合材料設計理念中的科研思想，開闊學生的科研視角。考核方式以團隊式的論文報告為主。基于以上課改內容，結合教改理念、思路、目標，可以解決課堂教學中以下問題：（1）普遍認為本課程“學而無用”——加強學生對課程的宏觀認識。老師在講解過程中，一定要把握好宏觀與微觀，既能把復雜問題簡單化，也能把簡單的現象上升到科學的深度。在本課程緒論環節，應把本課程進行宏觀描述一下。（2）枯燥的學習方式——把課程內容生活化、簡單化。課程當中很多專業的知識點實際上和日常生活做人做事的道理一樣。比如，在講述晶體缺陷時候，就讓學生知道：第一，完美的晶體是不存在的，晶體一定存在缺陷；第二，晶體缺陷不一定是缺點，在工程上有其用武之地。（3）重點知識的掌握——以點帶面，用簡單的思路來講述復雜的道理。根據知識點的連貫性，一定要把基礎知識講清楚，然后逐步延伸。比如，鐵碳相圖是本課程的一個重點和難點，包括共晶相圖和共析相圖等，而共晶相圖和共析相圖的基礎都是勻晶相圖，而勻晶相圖的重點就是兩點：第一，結晶過程中的某具體溫度時刻的液相和固相的具體成分確定（這就是液相線和固相線的另一層含義）。第二，結晶過程中的某具體溫度時刻的液相和固相的相對含量確定（這就是杠桿原理）。掌握了以上兩點，整個相圖就全盤皆活。（4）相關知識容易遺忘——通過滲透材料科技史的方法強化印象。材料科學很多原理和實驗結果經歷了漫長的探索過程，甚至在科技史上還走了彎路。如果僅簡單地就事論事，學生印象肯定不深刻，甚至不理解，即使把原理和理論背下來了，碰到實際問題可能很難靈活運用。所以，以科技史的形式給學生講解，穿插一些材料軼事以及一些小典故，強化學生記憶、增加學習樂趣。比如，講解單晶體的時候，就可以把貝爾在檢查電話系統故障時發現蓄電池電極板表面長出了一些針狀的晶體——“晶須”。這些理想的晶體比現實帶有缺陷的晶體的強度增加幾個數量級。然后再講述晶須的出現如何擴大了金屬材料的應用，目前可以作為增強材料與其他材料組成復合材料。這樣學生印象才深刻，同時還為后面非金屬材料的講解做好鋪墊。

綜上所述，本文分析了現有工程材料及熱處理課堂教學中的普遍問題，針對這些問題提出了該課程的課堂教學改革思路與改革內容，并對其改革的實現提出了相應的方法。通過我們為期近一年的課堂實踐，發現在工程材料及熱處理課程教學過程中實施課堂教學的相關改革，對提示我校機械工程人才培養質量，促進我校工程教育，實現培養高素質機械工程人員具有重要的現實意義。

參考文獻：

[1]高為國，董麗君，吳安如.基于卓越工程師培養的“機械工程材料”課程建設[J].湖南工程學院學報學報，2010，20（3）：74-77.

[2]陳國金.工科類大學生創新教學實踐[J].實驗室研究與探索，2010，（3）.

[3]紀華剛.卓越計劃校企聯合機制的研究與實踐[J].長春工業大學學報（高教研究版），2011，（9）.

基金項目：本文為杭州電子科技大學2013年度高等教育研究課題（No.ZC1301）、杭州電子科技大學機械工程學院2013年本科教學質量工程項目（No.2013-5）、杭州電子科技大學機械工程學院師范中心2012年度教改項目的專項論文。

第一作者：李蓉（1979-），女，講師，博士。