“工程材料與機械制造基礎”課程知識體系研究

孫康寧+張景德+傅水根

摘??要：本文按照產品制造流程的邏輯關系構建了“工程材料與機械制造基礎”課程的知識體系和能力要求。該體系的構建將為進一步修訂課程基本要求（或制定課程標準）、編寫教材、加快與工程訓練課程的協同創新提供重要基礎，為本課程教學提供參考。

關鍵詞：課程知識體系和能力體系;工程材料與機械制造;機械制造實習

“工程材料與機械制造基礎（金工）”課程因知識面寬、理論與實踐密切結合，在相當長一段時期內，為我國工科人才的培養發揮了不可替代的作用。但是，隨著科學技術的不斷發展，越來越多的工程材料及其制造技術在工程領域的應用，使得原課程的知識體系與實習教學體系已經不能完全滿足現有各專業人才培養和知識構成的需求，難以為后續學習奠定必要的知識基礎，導致該課程在工科人才培養中的實際作用趨于弱化，基礎地位下降，課堂與實踐學時不斷被壓縮，教學效果和質量受到不同程度的沖擊。因此，重新構建“工程材料與機械制造基礎”課程知識體系就顯得十分必要，也十分緊迫。在教育部機械基礎課程教學指導委員會和工程訓練教學指導委員會聯合立項的教研項目支持下，課題組基于近實踐類課程的教學理念，本著與國際工程教育認證標準接軌、與院系專業人才培養深度融合的目的，聯合國內六所高校，在充分調研的基礎上，對該課程新的知識體系進行了構建，對課程的知識點、能力點進行了匯集，并取得了預期成果。

一、“工程材料與機械制造基礎”課程現狀與存在的問題

“工程材料與機械制造基礎”課程原名“金屬工藝學”。歷經教育部機械基礎課程教學指導委員會金工課程指組近三十年的辛勤工作，先后修訂制定了“九五”“十五”“十一五”三個版本教學基本要求。分析這些教學基本要求可知，雖然課程名稱已從金屬材料拓寬到工程材料，但其知識體系仍基本圍繞金屬材料及其制造展開，相關知識點在各教學基本要求中只是得到粗線條展示，缺少系統性與完整性的整理。

“十一五”以后，隨著新材料、新技術、新工藝的不斷出現，制造技術出現了前所未有的發展變化，產品制造所涉及材料已不再僅以金屬材料為主，無機非金屬材料、高分子材料、復合材料的快速發展，正在不斷替代金屬材料而獲得廣泛應用。制造技術也不再局限于金屬材料的冷熱加工，其中涉及各種工程材料制造的液態成形技術、塑性成形技術、連接成形技術、粉體成形技術、快速成型技術，以及各種特種加工技術、先進制造技術也在不斷地獲得廣泛應用。各專業不僅對制造技術基礎知識的需求在發生相應的變化，對課程的功能和教學目標也在不斷地進行調整。卓越工程師培養標準、專業認證標準都不同程度地反映了這些變化。比如，本科層次卓越工程師培養標準[1]明確提到，要“了解生產工藝、設備與制造系統，了解本專業的發展現狀和趨勢”，在第3條中提到了要“具有良好的質量、安全、效益、環境等意識”，要“具有較好的環境適應和團隊合作的能力等”。顯然，這些標準條款與本課程設定的教學性質、教學任務和教學目標是吻合的。又如，目前國際工程教育有兩大互認體系，一是以“華盛頓協議”為代表的工程教育互認體系，另一個是以歐洲大陸為代表的工程教育互認體系[2]。其中，歐洲大陸工程教育互認體系有12條專業認證標準，第3條就明確要求所培養的學生要“了解所在工程領域的工程實踐知識以及材料、部件和軟件的屬性、狀態、制造與使用”。該要求與本課程所涉及的教學內容和所提供的教學目標也是完全吻合的。目前，“工程意識、工程素質、實踐能力、創新意識”，加強團隊精神，熟悉相關領域的新材料、新工藝、新設備，具有環境保護和可持續發展等方面的意識，能夠綜合考慮經濟、環境、法律、安全、健康、倫理等制約因素，掌握工程實踐中基本工藝操作等各種技術、技能，具有使用現代化工程工具的能力，已經成為各專業人才培養的基本要求。

雖然從整體看，人才培養環境有利于本課程的發展，但是當前課程發展也存在一些不可回避的問題。首先，現有專業人才培養目標和培養基本要求的制定更多局限于各專業人才培養自身的特點和教學需求，缺少基于工科和復合型人才培養所需的頂層設計和統一指導，對材料與制造知識對人才培養的先導性、基礎性認識不足。其次，目前課程教與學中缺少對產品制造的整體認知，教學內容更多地集中于“金屬材料的制造，而不是工程材料的制造”，使課程提供的知識落后于專業的發展需求。第三，過多強調知識的傳授，忽視對能力的養成，對綜合能力和創新能力的訓練強調不夠，使教學目標對能力點的達成缺乏明確要求。第四，教學內容不斷增加、學時不斷減少的矛盾突出，缺少對核心知識的凝練與梳理。上述問題都是課程發展過程中不可回避的問題，需要在充分調研的基礎上加以解決。

二、構建課程知識體系的思路和方法

1.?思路

工程教育有自己的認知規律。首先，獲取工程知識的過程始于認知實習，遵循“認知實習—理論學習—實踐—再學習—再實踐—探索性認知實踐”這一規律性，具有多層次循序漸進的特點。其次，獲取工程知識的最佳方式是理論學習與實踐相結合，但實踐是第一位的，實踐獲取知識比理論學習獲取知識更快捷、更可靠。因此，將實踐與理論知識密切結合，構建實踐與理論一體化的新知識體系是值得深入探究和可行的。

在知識體系構建中，本研究將理論課的知識體系與機械制造實習知識體系、實驗課體系進行了交叉融合，使能力的實現不僅體現在對知識的把握上，同時也更強調通過對基本工藝和基本理論的實踐過程，加深對知識的應用和理解。

（1）跳出原金屬工藝學課程以金屬材料及其制造技術為主線的知識體系，基于不同專業人才培養對該課程知識的需求，匯集凝練不同專業人才培養所需的工程材料和機械制造技術基礎知識點和能力點。同時，結合專業認證和卓越工程師培養標準，按照各知識點的邏輯關系調整面向各專業人才培養的課程知識體系（含理論教學和實習部分），并在此基礎上制定相應的教學基本要求。

（2）按照完整的產品生產制造流程搭建知識體系框架。知識體系按照模塊化設計，包括工程材料、材料改性、材料成形、機械制造基礎、課程實驗、機械制造實習等模塊，盡可能地與國際工程教育認證標準接軌，以滿足不同專業人才培養的需求。

（3）為避免理論與實踐、知識與能力相互分離，按照近實踐類課程特點，對課程知識和能力體系進行協同構建。

（4）知識點的征集要面向不同類型的學校與專業，使知識點具有選擇性。知識體系要分類設計，有充分的代表性。知識點的最終達成要體現在能力點上。

2.?方法

一是結合我國專業認證和人才培養目標，緊密結合國際工程教育發展趨勢，深入調研和研討機械類、近機類各專業人才培養目標對本課程的知識需求，匯集凝練出人才培養所需的各部分教學基本要求。在教學基本要求基礎上構筑課程知識體系;在課程知識體系基礎上，構筑能力體系;在知識體系和能力體系基礎上，匯集知識點和能力點。

二是結合非機類專業對材料與制造技術的跨學科知識需求（或復合型人才培養需求），匯集各種相應的理論與實踐知識。

三是按照各種知識點、能力點的合理邏輯關系，構筑面向專業人才（或復合型人才）培養的課程知識體系（含理論與實踐教學），在此基礎上制定或修訂原有教學基本要求。

三、課程知識體系和能力要求的構建

“工程材料與機械制造基礎”課程經過近三十年的不斷建設和發展，雖然已構建了較完整的理論、實踐、知識、能力、素質教學體系，但隨著科學技術的進步，以及專業人才培養要求的不斷變化，課程知識體系、教學性質、教學任務、教學目標、能力培養仍然需要進一步調整。課程知識體系應真正從圍繞金屬材料及其制造向圍繞工程材料及其制造過渡，調整后的“工程材料與機械制造基礎”課程知識體系應基于產品整體的制造過程（而不是單個機械零件的制造過程），教學內容不僅要體現知識的傳授，更要強調能力的培養;實踐能力的訓練應進一步向綜合能力的訓練與創新能力的訓練轉變;為了培養復合型人才，應為不同專業提供“了解所在工程領域的工程實踐知識以及材料、部件和軟件的屬性、狀態、制造與使用等基礎知識”;為了培養合格的工程師，應讓學生了解、實踐必要的生產工藝、設備與制造系統。為緩解教學內容不斷增加、學時不斷減少的矛盾，應進一步加強對核心知識的凝練與梳理，使匯集的知識點具有可選擇性。有鑒于此，課題組擬將課程知識體系作了以下調整。

1.?課程知識體系

課程知識體系按專業認證的知識需求和產品制造流程中的核心內容，基于以下邏輯關系加以構建：材料與制造簡論—材料基礎與選材—材料成形—機械制造工藝—材料改性—機械制造實習（含零件的組裝調試）—產品。每一部分不僅涉及基本要求和知識點，同時還賦予了能力點的要求。

“材料與制造簡論”部分主要介紹材料與制造的歷史、現狀與發展，介紹本課程涉及的主要內容和制造工藝過程，目的是使學生在開始課程學習以前從整體上了解材料與制造技術前沿，了解本課程在工科人才培養中的重要作用和定位，以及本課程所涉及主要教學內容，提升學生的學習興趣。“材料基礎與選材”部分主要給學生提供材料性能和材料學的基礎知識，為產品選材、零件改性、材料成形和產品制造提供材料基礎知識。“材料成形”部分主要為學生提供各種形狀產品或毛坯的外形制造技術，使學生了解產品制造首先是對外形的制造，材料成形是產品制造過程中不可或缺的制造技術，理解各種成形工藝在產品制造中具有多樣性、可替換性和選擇性，材料成形的技術基礎與材料和選材部分密切相關。“機械制造工藝”部分主要介紹毛坯的切削加工與精加工技術，以及特種加工與先進制造技術，該部分與材料成形和毛坯生產部分緊密銜接，是產品獲得所需幾何尺寸和精度的重要生產方法，機械制造工藝在產品制造中同樣具有多樣性、可替換性和選擇性。“材料改性”部分涉及零件整體性能或表面性質的改善，與毛坯和零件在不改變形狀和尺寸精度情況下改善性能的方法緊密相關，材料與選材部分是材料改性的知識基礎（為教學方便，該部分也可以放在材料與材料成形部分之間實施教學）。“機械制造實習”部分涉及零件的組裝調試，其前期知識基礎和實習內容來自材料成形、材料改性、機械制造工藝，在機械制造實習中不僅要對前面所涉及工藝技術進行實操，而且要對分散的零件進行組裝，并對組裝后的產品進行調試，直至產品出廠。該過程將涉及學生的實踐、創新、工程安全、工程意識、工程能力的綜合性訓練，也是融會整門課程的重要環節。

此外，課程中將同時涉及各種制造技術的工藝性問題、結構工藝性問題、工藝規程制定、工藝選擇、經濟性分析和環境保護、實際操作能力等重要的共性問題，從整體上體現和構成對能力點的把握。

2.課程能力要求

課程能力體系在課程知識體系基礎上構建。其中，“材料與制造簡論”部分要求學生能掌握、材料與制造有關的基本概念，了解材料與制造的現狀與發展趨勢，能把握產品制造整體工藝流程，能理解本課程知識體系及邏輯關系，清楚本課程在人才培養中的作用和特點。“材料基礎與選材”部分要求學生能理解材料力學性能的物理意義及其用途，判斷在何種條件下材料會破壞與失效，能結合材料學基礎知識，分析理解工程材料的組織、結構、性能、工藝四者之間的內在關系，會運用這些關系解釋材料性能和加工中的問題，能讀懂材料的牌號及含義，能了解各種材料的主要用途，熟悉材料選材原則，會為產品或零件選材。“材料成形”部分要求學生能用材料成形基礎知識分析不同材料或成形件的工藝性好壞;在了解各種工藝特點的基礎上，能為成形件或產品選擇合理的成形工藝;在熟悉各成形工藝特點的基礎上，會判別工件結構設計的合理性，改進構件不合理之處;具有制定簡單成形工藝規程的能力，以及利用所學知識解釋成形件缺陷產生的主要原因及質量問題的能力。“機械制造工藝”部分要求學生會運用機械加工基礎知識分析典型零件表面加工工藝性能好壞，制訂簡單件工藝方案;能制定或選擇典型零件合理的機械加工工藝，讀懂工藝圖紙;會判別機械零件結構設計的合理性，改進構件設計的不合理之處;能初步分析判斷機械產品制造工藝的經濟合理性和環境污染問題。“材料改性”部分主要要求學生能理解材料改性的目的、方法、價值和意義;熟悉熱處理工藝的目的和基本工藝;能讀懂基本的熱處理工藝，能為簡單零件制定熱處理工藝;了解表面工程技術用途，能區分不同表面工程技術;能結合產品性能及成本，為產品或零件提供合理的改性建議。“機械制造實習”部分要求學生較熟練操作規定的設備或基本工藝技術;能讀懂工藝圖紙和工藝規程;能辨別產品制造過程中的常見缺陷;在綜合工藝訓練基礎上，具有一定的創新能力;具有安裝調試產品的初步能力;具有必要的安全意識、團隊精神和工程意識。

參考文獻：

[1]?教育部?中國工程院關于印發《卓越工程師教育培養計劃通用標準》的通知[Z].?教高函[2013]15號，2013-11-28.

[2]?張文雪，王孫禺，李蔚.?高等工程教育專業認證標準的研究與建議[J].?高等工程教育研究，2006（5）.

[本文是在教育部機械基礎課程教學指導委員會“工程材料與機械制造基礎”課指組調研報告的基礎上寫成的。參加課題組的專家有孫康寧、張景德、李愛菊（山東大學），傅水根（清華大學）、朱華炳（合肥工業大學）、邢忠文（哈爾濱工業大學）、張遠明（東南大學）、羅陽（四川大學）]

[責任編輯：夏魯惠]