強化工科生綜合能力

張梅　張恒華　衛品官　楊弋濤

摘要：本文從金屬材料工程專業本科生課程的案例教學探索中發現，恰當運用案例教學對理論實踐結合的促進作用顯著。以亞溫淬火工藝為例，在講解基礎理論知識后，引入雙相鋼的案例，展開鋼種的成分設計思路、工藝路線設計、組織性能特點、成形特性、焊接特性研究、目前成果和應用現狀等的詳細介紹，教學中的提問環節、討論環節、分析環節，環環相扣、層層遞進，促使學生學習興趣大漲。經驗表明：案例教學有助于顯著提升金屬材料工程專業本科學生的學習積極性、主動性，促進工科生的工程實踐和綜合應用能力。

關鍵詞：案例教學；工程實踐；綜合能力

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）16-0025-02

我國已經連續多年全球鋼鐵產銷第一，同時已連續7年穩居全球汽車產銷第一大國寶座，如今正在向鋼鐵強國和汽車強國邁進。由大變強的過程迫切需要“創新”，同時也需要培養專業人士的“工匠”精神，社會“創新”與“工匠”精神結合，可以使得我們的制造強國之夢變為現實。在課程教學中進行這方面的探索我們工科老師責無旁貸。《金屬力學性能》、《熱處理工藝學》是金屬材料工程專業學生的傳統專業課。《材料與熱加工物理模擬技術》課程是我校于2010年后開設的本科生專業選修課。在工科學生的培養過程中，教學方法方面始終存在是否接地氣并有所創新、能否真正提高學生綜合素養的問題[1，2]。本文總結《金屬力學性能》、《熱處理工藝學》和《材料與熱加工物理模擬技術》課程的教學改革探索經驗，發現案例教學結合實踐機會的鍛煉，有助于幫助學生理論聯系實際，顯著提升金屬材料工程專業本科學生的綜合能力，使得工科生有更強的競爭實力。從2011年開始我們教學團隊就探索結合教師自身應用研究課題的成果和經驗，案例教學與實踐相結合，以全新教學方式探索提升工科生綜合能力的教學改革嘗試。《金屬力學性能》、《熱處理工藝學》和《材料與熱加工物理模擬技術》課程教學改革的嘗試正好契合了培養本科生在實踐中“創新”，并在細微處培養工科生“工匠”精神的目標。

一、主要教學內容和目標

以《材料與熱加工物理模擬技術》課程為例，隨著計算機科學與工程檢測技術的迅速發展，現代物理模擬作為一門新興技術已引起世界各國科學界和工程界的廣泛關注，應用的范圍迅速擴大，并已成為21世紀材料研究的主要方法和手段。課程主要介紹物理模擬技術的基本原理和特點，綜述國際國內在物理模擬試驗裝置的發展歷程，以及全球在物理模擬技術應用與交流方面所開展的工作，并針對我國物理模擬技術領域存在的問題，對今后研究發展的方向進行展望和建議。課程建設中，教學團隊注重理論與實踐的緊密結合，同時結合教師自身應用研究課題的成果和經驗，將典型案例滲透進課堂教學的各環節，并適當給以學生實踐的機會，讓學生初步了解諸如材料高溫性能測試分析、鋼板連續退火模擬研發汽車先進高強度鋼板新品種、材料高溫動態相變特性研究、材料熱變形中的形變再結晶過程和組織演變規律研究、材料的高溫脆性和形成機理、材料的焊接模擬研究等物理模擬技術應用相關的內容等方方面面。通過課程學習，學生對各種金屬材料開發過程和熱加工過程的物理模擬方法有所認識，對物理模擬的主要手段、方法、途徑和效果由了解到理解，再到積極參與實驗方案的設計和優化，親自動手完成方案，進行數據分析處理與總結，最終牢牢掌握2～3項最常用的經典物理模擬技術和研究方法。

二、教學各環節的案例滲透

進入21世紀，汽車鋼研發的工作主要集中在開發新型的高強度鋼，為超輕型車身計劃配套的新型鋼板，如雙相鋼（DP）、相變誘發塑性鋼（TRIP）、復相鋼（CP）、鐵素體貝氏體鋼（FB）、高擴孔鋼（HE）、孿晶誘發塑性鋼（TWIP）、淬火配分（Q&P）鋼、馬氏體鋼（Mart）等。超高強度汽車板中的一些新品種，如Q&P、TWIP鋼、第三代汽車用鋼等，還正在不斷開發、優化和推廣應用中。在象牙塔里的本科生對以上這些新品種鋼種卻缺乏關注或知之甚少。通過課程學習，結合案例，讓學生耳目一新，興趣高漲，進入一個主動學習材料研究方法和應用技術的狀態。

教學中，教學團隊注重理論實踐的緊密結合，可將如下案例引入教學中。

1.亞溫淬火案例與輕量化材料雙相鋼。《熱處理工藝學》之淬火章節，關于亞溫淬火技術，引入汽車輕量化的一大類主導材料——雙相鋼。通過對新品種材料的組織設計，設定亞溫淬火工藝、實施，觀察材料組織，測定其力學性能，最終揭示材料、工藝、組織和性能的變化，分析其演變的規律。

2.動態CCT案例與熱沖壓技術。《材料與熱加工物理模擬技術》課程之材料高溫動態相變特性（動態CCT）研究章節，以汽車輕量化進程中最熱點的熱沖壓鋼應用技術研究為驅動，研究熱沖壓鋼在高溫形變中的相變特性，將方案設計、實施和實驗數據分析導入教學，讓學生了解形變影響材料相變特性的一些規律和注意點。

3.汽車碰撞案例與安全。《金屬力學性能》之金屬的沖擊性能章節，將汽車碰撞案例引入，結合汽車碰撞特性評價辦法和安全法規歷史沿革的介紹，讓學生在震撼人心的血淋淋的畫面引導下開始學習碰撞相關的性能指標、評價方法，并展開思索。

4.焊接物理模擬案例。案例4：《材料與熱加工物理模擬技術》課程材料的焊接模擬研究，結合汽車先進高強度鋼新品種在應用中焊接特性研究的需求，通過應用焊接物理模擬技術，對材料的焊接接頭可能存在的各溫度區域（熔融區、過熱區、重結晶區、部分重結晶區、兩相區、低溫熱影響區、淬火鋼種中的回火區等）的組織演變和性能展開深入的追蹤和分析，揭示接頭各區性能轉變的根本原因是組織演變，控制工藝可以有效控制組織，從而得到良好的接頭性能。

5.連續退火模擬技術案例與新鋼種開發。案例5：《材料與熱加工物理模擬技術》課程之鋼板連續退火模擬技術章節：介紹研發汽車先進高強度鋼板新品種，結合作者所在課題組承擔的國家科技支撐、“973”和國家自然基金重點項目的需求，研究開發系列雙相鋼、系列相變塑性鋼、孿晶塑性鋼等新鋼種。一張張非常簡單的熱處理工藝曲線圖加上一組組材料的金相組織圖片，讓學生體會到材料的組織決定性能，了解調控組織是制備高品質材料的關鍵所在。“卓越工程師教育培養計劃”（上海大學金屬材料工程專業）案例教學的實踐探索發現：典型案例的引入讓工學專業課程的課堂學習氣氛非常活躍，學生自主學習的動力大了，課堂內外師生之間、學生之間的互動交流熱烈了，學生分析問題和解決問題的方法和思路也在互動與交流中得到極大拓展，將大學本科生卓越工程師培養計劃落到了實處。形成了學生課內全神貫注、交流活躍，課外主動花時間檢索資料、拓寬知識面的喜人局面。

三、案例教學與工程實踐有機結合——提升學生綜合素質，培養高素質工科人才

《金屬力學性能》、《熱處理工藝學》和《材料與熱加工物理模擬技術》課程以工程材料性能、熱處理工藝、材料制備工藝路線設計、連鑄連軋以及控軋控冷工藝的物理模擬等研究為主線，進行材料專業知識的教學。引入案例教學，在講清基本理論知識的基礎上，從社會需求驅動以及一個個鮮活的案例中引出問題，引導學生探究、討論、交流互動，再結合教學團隊教師的引導、分析，幫助學生深入理解基本理論、基本原理，有效提高了學生分析問題、解決問題的能力。經過課程的相關原理和理論學習，結合一些生動的工程應用案例，學生掌握的專業知識更牢固，在將所學的專業理論知識應用到實踐中去時，也產生了非常明顯的效果。案例教學結合實踐教學探索中的成功案例不少。例如，趙同學：在本科階段就樂于實踐，很早參與到導師所從事的物理模擬技術應用方向的研究當中，撰寫的大學生科技創新項目設想獲得了市級科技創新項目的支持，主要目標是研究新一代汽車先進高強度鋼板的高溫塑性行為和高溫脆性區的形成機理，研究含Nb鋼中微量鈦添加對改善新品鋼種高溫塑性的作用機制。發現微鈦的加入有利于阻止在原始奧氏體晶粒的晶界上形成對高溫塑性非常不利的微細析出相NbC，鋼種的析出相主要是以NbTiCN顆粒的形式析出，并存在于原始組織中的TiN顆粒上，彌散分布，顆粒的尺寸也相對較大。這種較大尺寸的彌散析出相對高溫塑性的不利影響顯著降低。顯示出其理論實踐兼顧的綜合能力。甘同學更是案例教學結合實踐教學探索中的成功案例。本科階段就專注于超高強度汽車用鋼高溫壓縮變形行為研究的他，在實踐中將物理模擬技術課程中的理論知識鞏固并拓展，工科生綜合能力提升的效果在他身上尤為顯著，自己申請獲批的大學生科技創新項目完成得很出色。該同學直升研究生，在獲知直升消息后，學習與實踐并重，挑起了助研的重任，不斷挑戰新課題和新任務，開動腦筋，思索和分析，動腦動手，率領一眾人馬解決了助研實踐當中不斷遇到的一個又一個新問題，成為了導師的最得力助手。這些學生的綜合素質已經完全符合卓越工程師培養計劃對人才培養的目標，不辜負“卓越”二字。

通過案例教學結合實踐教學的探索發現，兩者有機結合對有效強化工科生綜合能力的效果非常好。在理論教學、案例教學、學生實際動手參與工程實踐、理論實際緊密結合中，金屬材料工程本科學生的綜合素質大為提高。

致謝：本文得到教育部“卓越工程師教育培養計劃”（上海大學金屬材料工程專業）以及“上海市教委”重點課程《金屬力學性能》“等項目的資助，在此表示感謝。

參考文獻：

[1]張恒華.教書育人，為國家培養合格人才[J].上海大學學報（高教科學管理版），2009，（2）：8-9，19.

[2]張恒華，楊弋濤，張梅.淺談網絡教學的重要性[J].教育教學論壇，2012，12（44）：208.