工程材料及熱處理課程教學模式研究

[摘 要] 針對工程材料及熱處理課程特點，從教學方法、課程綜合實驗及教學評價體系三個方面進行了深入的探討。旨在激發和調動學生的學習興趣，培養學生的自學能力、綜合應用知識的能力，從而明顯提高教學質量。

[關 鍵 詞] 工程材料；教學方法；教學改革

[中圖分類號] G712 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2017）29-0158-02

在機械設計制造過程中，正確選擇材料是提高產品質量、降低成本、節約能源和開發新產品的重要環節，作為一名機械工程技術人員，應具有合理選材、正確使用材料的能力。工程材料及熱處理（下稱工程材料）主要內容包括：材料的結構和性能、各種材料的類型和特點、機械零件的失效與選材原則、典型工件的選材及工藝路線設計等。通過該課程的學習，學生可以具備根據機械零件的主要失效形式、適用條件及性能要求，對結構零件進行合理選材并制訂零件加工工藝路線的初步能力。

工程材料課程所涉及的內容多且龐雜，知識零碎、概念抽象，理論性、實踐性、綜合性強[1]，造成課堂教學中敘述性內容多、繁瑣、易懂、難用且課時少，教師難教，學生難學，教與學問題十分突出[2]。

一、課堂教學方法的改革

教學過程就是教與學的過程，是師生的雙向活動，衡量一節課的好壞不僅看老師怎樣教，還要看學生怎樣學；不僅要看老師講了多少，還要看學生接受了多少。所以，探索教法時，既要研究教師的教法，也要研究學生的學法。在課前要充分調查研究學生的知識結構、認知能力，以便因材施教。教學方法的選擇和組合，要同教學內容、學生的學習特點及老師自身教學的能力聯系在一起，正確靈活地選用合適的教學手段。在工程材料專業課的教學過程中，筆者結合實際主要采用以下教學方法：

（一）實例教學法

工程材料課程是一門實踐性很強的學科，學習理論知識的最終目的是要靈活應用于實際中，在理論教學中引入相關實例，縮短了理論與實踐的距離，激發了學生的學習欲望，培養了他們理論聯系實際、分析解決工程問題的能力。

例如，在講到沖擊韌性對材料性能影響時，可引入“泰坦尼克號”輪船斷裂原因分析，一方面引起了學生的學習興趣，另一方面使學生在學習知識的同時增強了理論聯系分析問題的意識；在講到金屬的硬度時，可以舉例：鑒別玉石的真假的案例；講到加工硬化時，先用由學生彎曲鐵絲，讓學生感到發熱和越來越硬的現象，接著說明變形中材料內部的組織結構的變化，然后讓學生分析由此帶來哪些性能的變化，以此解釋加工硬化的成因[3]；講到同素異構時，可引入沙俄時士兵所領的軍大衣扣子被“貪污”，后被科學家解釋是因為錫具有同素異構轉變，由此講解這個知識點就變得容易且有趣了。關于淬火熱處理工藝的例子更是引人入勝。歷史故事相傳，三國時諸葛亮帶兵打仗，請當時的著名工匠蒲元為他的軍隊制造了3000把鋼刀，蒲元運用了“清水淬其鋒”的熱處理工藝，使鋼刀削鐵如泥，從而打敗敵軍。從這個故事可知，淬火的主要目的是為了提高鋼的硬度；講授熱處理工藝路線的擬定時，采用我校學生金工實習的45號鋼的小錘子，可根據使用要求，給出小錘各部分力學性能指標，制訂小錘的加工工藝路線，設計熱處理方案，選擇實驗設備，確定工藝參數。經過這樣的過程使學生懂得要根據使用條件來確定使用性能合理選材，要提高生產效率，必須制訂最佳工藝路線，對本課程理解會更加深刻。

（二）專題討論法

課程的重要環節采用“自由討論法”“文獻精度法”“攻擂法”。在教學過程中可根據課程的重點和難點，開展類似鐵碳相圖、材料的選擇等專題討論課。教師提前將討論的內容、要求和相關文獻布置給學生，引導學生學習查詢資料的技能，然后由小組形成報告，討論當天由小組選出代表發言，其他小組可以提出贊成或反駁意見，發言加分、不發言扣分。發言小組守不住自己的觀點懲罰方式是繼續準備該討論課題，直到打擂成功。

課堂討論教學法是在教師的指導下，以討論方式完成學生自學、自講的一種教學方法。在教學實踐中，主要是圍繞一些具有啟發性或爭論性的問題來進行課堂討論。在課堂討論過程中，教師及時抓住學生討論時的閃光點加以鼓勵和評價，引導討論不斷深入[4]，在傾聽完學生的討論后會及時進行總結點評。這樣的“教與學”能有效地開發學生的創新思維，增進學習交流，使學生真正成為學習的主人，有利于調動學生的積極性、培養學生獨立思考問題和解決問題的能力。而教師也在此過程中能發現學生學習中的疑難問題，從而使教學更有針對性。

（三）歸納總結法

由于工程材料課程的基本理論知識比較繁雜，學生之前的知識結構中沒有相應的認知同化點，需要理解記憶的很多。為了讓學生能在較短時間內掌握教學內容，在教學過程中采用歸納總結法將教材中分散的內容進行了歸納、比較和總結，便于學生學習理解。

譬如在學習鐵碳相圖時，相圖復雜知識點多、難記憶，講解鐵碳合金組織和性能的變化規律時，為使學生在“成分—組織—性能”之間建立起聯系，給學生提煉了六點、五線、三轉變和兩溫度的提綱后，學生就可以很好地掌握和理解鐵碳相圖；又如C曲線的教學中，如果照本宣科，學生對C曲線的物理意義理解不透。為使學生更好地理解，將C曲線提煉為兩條曲線、三條水平線、六個區域、一個特征和三種類型轉變[5]，通過這樣的分解使學生清楚地了解C曲線的物理意義和工程應用，可取得事半功倍的效果。

（四）翻轉課堂法

傳統的班級授課制的教學有兩個最大的問題，一個是很難激發學習者學習的主動性，另一就是很難按照每一個學習者的學習進度開展教學。翻轉課堂教學模式就是為解決這兩大問題而發展起來的[6]。

首先教師通過Focusky動畫演示及Camtasia Studio錄屏軟件，結合課程PPT及網絡資源制作相關學習內容的微課；第二步創建一個名為“工程材料”的QQ群，作為學生課前學習交流的公共網絡平臺，讓每位學生各自申請一個QQ賬號，并以本人學號+姓名作為群標志名加入QQ群中；第三步教師把錄制好的教學視頻和課前練習上傳到QQ群的群共享，要求學生觀看教學視頻，完成課前練習，并把學習過程中遇到的疑難問題發布到群論壇上面，以便于幫助教師掌握學生的學習情況從而設計出更為科學的課堂學習活動，同時，也方便學生之間分享交流；第四步，課堂上根據課前視頻的觀看，對課程內容進行討論，教師進行適當的引導和總結。

例如，在講合金結晶時原子的擴散理論時，教師可將這個知識點通過動畫演示制作成微課，課前讓學生觀看，并根據內容由簡到難設置了幾個問題：原子的擴散分為幾種，每一種擴散的機理是什么、是如何進行的，原子擴散和晶體形核長大有什么內部關聯性，合金結晶和純金屬結晶有哪些異同點。經過視頻動畫講解，每一個都不太難了。課堂上請一些學生來回答，提問的時候學生都在思考，稍簡單一些的問題學生答對了，對難懂的問題進行必要的解釋。最后，把這些問題串起來解決了這個教學難點。

二、課程實驗教學的改革

“工程材料”的傳統實驗主要是驗證性的，而綜合實驗則更強調學生的主體性，要求學生拿到任務書后，首先進行實驗方案的設計，而設計方案需要理論知識作為基礎，并需要查找相關文獻資料。通過小組討論及教師指導的方式確定方案的可行性，并根據具體條件在實驗中驗證。設計方案的過程一方面調動了學生的積極主動性，另一方面綜合分析應用了所學的理論知識，強化了其理論聯系實際的能力。

例如，可以將碳鋼的熱處理、工程材料硬度測定和碳鋼的熱處理組織觀察三個項目的內容進行整合，改名為碳鋼硬度測定及熱處理組織觀察，即在熱處理、硬度測定的基礎上增加了組織檢測的內容。學生在實驗過程中自行確定工藝參數并進行數據處理和分析，對鋼進行熱處理工藝操作，得到不同熱處理式樣，通過金相顯微鏡觀察組織，硬度計測試試樣的硬度，最終分析組織和性能之間的關系。學生在完成綜合性實驗時，既鍛煉了實踐操作技能，又對鋼的成分、熱處理工藝、組織及性能之間的關系有了較深刻的理解。經過整合，工藝—組織—性能這條主線完整地貫穿于實驗之中，使學生充分認識熱處理工藝、組織、性能之間的聯系。實驗結束后現場給學生進行實操打分，完成實驗分析報告后，安排做PPT進行答辯講解，將制作好的金相式樣圖片展示給大家，根據所撰寫的實驗分析報告和答辯情況做出綜合評價。

三、課程考核方式的改革

課程考核方式改進為多元評價體系，即平時表現（30%）+綜合實驗（30%）+課程綜合作業（40%）。平時表現包括課堂表現、課堂活動參與程度及平時作業情況；綜合實驗考核內容包括方案設計及驗證過程、結果及實驗答辯；課程綜合作業則采取分組做綜合大作業的形式，期末對大作業進行答辯，如讓每組學生選擇某特定機械零件，根據工作環境綜合分析其使用性能要求，結合使用要求進行選材、制訂加工工藝路線、選擇適當的方式強化處理并制訂熱處理工藝規程等。這種多元的評價體系可以幫助學生更好地理解和應用基礎知識，并達到與工程實踐相結合的目的。

四、結語

通過教學方法、課程實驗及考核方式的改變，學生課堂參與度得到了很大的改觀，提高了學生學習材料的興趣，理論聯系實際的能力也得到了一定的提高。

參考文獻：

[1]武曉峰，陳淑英，屈華，等.工程材料及其成型技術課程改革的探索與實踐[J].遼寧工業大學學報（社會科學版），2015，17（1）：103-105.

[2]馬世榜，張洪峰.《機械工程材料》課程教學改革的探索與實踐[J].廣西輕工業，2009（11）：168-169.

[3]鄒慧，紀朝輝，馮日寶.《工程材料》教學中工程能力的培養[J].職業教育研究，2011（5）：88-89.

[4]趙曉棟.《工程材料及成形技術基礎》教學方法初探[J]. 科學時代，2009（2）：216.

[5]陳友偉，高莉莉.金屬材料與熱處理[M].江蘇：江蘇大學出版社，2014.

[6]張金磊，王穎，張寶輝.“翻轉課堂”教學模式研究[J].遠程教育雜志，2012（4）.