新工科背景下《工程金屬材料》課程教學改革探索

王倩倩　沈寶龍

【摘 要】中國建設制造強國的戰略需求推動了“新工科”的產生。在此背景下，本文從教學內容整合、教學手段創新以及教師教學素質提升三個方面，探討適應“新工科”人才培養體系的《工程金屬材料》課程教學改革。本文提出該課程教學內容應平衡廣度與深度，緊密結合最新工程實踐;課堂教學應靈活運用多媒體并且引導學生走上講臺;各高校可通過選派教師進入企業進修實習，以及組織相關領域教師定期交流等提高教師教學素質。

【關鍵詞】新工科;工程金屬材料;教學改革

中圖分類號： G642;TG1-4 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）31-0111-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.31.053

0 引言

改革開放以來，中國制造業迅猛發展，目前已成為世界上制造業規模最大的國家，出口產品穩居世界第一。制造業的蓬勃發展對于提升我國國際影響力功不可沒。但是，目前為止中國制造業仍然存在不可忽視的問題，，自主創新能力、產業結構水平、資源利用效率、信息化程度、質量效益等方面與世界發達國家制造業相比有較大差距，亟待轉型升級和跨越發展。2015年，為了促進我國從制造大國向制造強國轉變，中國政府頒布了第一個十年行動綱領《中國制造2025》，并提出了通過“三步走”實現制造強國的戰略目標，強調要健全完善中國制造從研發、轉化、生產到管理的人才培養體系[1]。我國傳統工科人才培養體系中，學科培養方向較為單一，并且實用性不足，無法滿足建設制造強國的需求。針對此問題，教育部于2017年頒布了《新工科研究與實踐項目指南》，將目前高校設置的電子技術、計算機技術、安全工程、網絡與信息工程、功能材料、新能源等專業納入“新工科”的范疇，通過對相關專業培養方案的整理，建設以互聯網和工業智能為核心，以材料、信息、能源等領域為主干的“新工科”專業，注重電子、信息、軟件等新技術與傳統工科專業的緊密結合，強調學科的實用性、交叉性與綜合性。材料科學作為機械、信息、電子等學科的基礎，是“新工科”建設的重中之重[2]。

《工程金屬材料》是材料類專業核心課程之一，主要面向高等學校非材料科學專業工科學生，例如能源與動力工程專業，機械科學與工程專業等。通過該課程的學習，使得非材料專業工科學生熟悉金屬材料的成分、組織、結構與性能的關系及變化規律，依據實際工作狀況要求，初步具有金屬材料的選型、以及正確選擇一般零件熱處理方法的能力。課程根據與材料相關工科類專業人才培養的要求，以及金屬材料的發展趨勢設置，內容涉及《材料科學基礎》、《金屬熱處理》和《材料力學性能》等，知識面覆蓋廣、理論體系復雜、綜合實踐性強。該課程對培養高質量實用型、交叉型和綜合型人才，促進“新工科”的發展具有重要作用。然而，目前該課程實際教學過程中還存在一定問題，包括教學內容陳舊，教學手段單一，教師教學素質有待提高等。因此，本文以東南大學面向能源與環境學院開設的《工程金屬材料》課程為例，從教學內容整合、教學手段創新以及教師教學素質提升等方面，探索“新工科”背景下面向非材料科學專業工科學生的金屬材料相關課程教學改革。

1 教學內容整合

1.1 教學內容廣度與深度的平衡

《工程金屬材料》以電廠常用金屬材料的組織及性能為主線，培養學生對電廠用金屬材料失效事故分析及處理的工程實踐能力。課程大綱要求的教學內容包括金屬材料緒論（常用性能及指標、晶格類型及結晶過程）、鐵碳相圖及其合金、鋼的熱處理、合金鋼、耐熱鋼、有色金屬及其合金、鍋爐及汽輪機主要零部件用鋼、鍋爐與汽輪機用鋼事故分析等，涵蓋了材料科學專業多門基礎課程的內容，知識面覆蓋廣，理論體系復雜，并且授課對象是沒有材料科學基礎知識的能源與環境專業學生，而培養大綱規定本課程只有32課時。因此，要使學生在有限的課時中既掌握金屬材料相關知識，也能在實踐中靈活運用所學知識進行材料選用及失效事故分析等，教學內容的選擇尤為關鍵，不僅要覆蓋主要知識點，也要有一定的理論深度。

教學內容應有主次之分，重點內容詳細講解，次要內容只需在課堂上提煉概括。金屬材料組織與性能對于材料的選用極其重要，可利用較多課時進行深入詳細講解，這部分內容包括晶體結構及結晶過程、鐵碳相圖及其合金、鋼的熱處理、材料的力學性能等。晶體結構決定宏觀性能，深入淺出講解晶體的常見原子排列方式，使學生充分理解常見的晶體結構及其對性能的影響，晶體結構的微觀結構缺陷對宏觀力學性能的影響，金屬材料結晶過程的驅動力及影響因素等。鐵碳相圖是理解鋼鐵材料組織與性能的基礎，學生應在理解的基礎上熟悉不同碳含量及熱歷史的鐵碳合金平衡組織。熱處理是金屬材料制備的重要過程，決定了材料的最終使用性能，從不同升溫/冷卻過程中原子擴散的角度幫助學生理解熱處理“四把火”對金屬材料組織與性能的影響。不同體系鋼/有色合金也是《工程金屬材料》課程包含的內容，主要介紹各體系金屬材料成分、分類、編號方式、性能及應用領域，屬于記憶性知識點，不應占用過多課時，而應以學生課后自學為主。此外，本課程還包括鍋爐與汽輪機用鋼及事故分析，該部分內容列舉實際案例，分析失效原因，并提出解決方法。然而教材上提供的案例年代久遠，與當前實際缺乏聯系。教師可根據近期實際生產中出現的案例，提出實際問題，安排學生分組討論，運用課程所學知識分析失效原因并提出解決方案，加深學生對課程內容的理解。

1.2 教學內容緊密結合最新工程實踐

《工程金屬材料》課程使用的教材是由宋琳生主編的普通高等教育“十二五”規劃教材《電廠金屬材料》，該課程在編寫的過程中引入了大量電廠實際案例，幫助學生深入理解課程內容。然而，該教材1990年第一版出版至今已近三十年，教學內容陳舊，雖然本課程使用的是2013年出版的第四版，但大部分內容仍與第一版相同，無法幫助學生了解最新工程實踐情況。因此，教師備課時不能只準備教材內容，還應通過查閱文獻、與其他教師或工程師交流等方法，了解最新工程實踐金屬材料選用或使用過程中出現的問題及解決方法，加以整理，引入教學內容。最新工程實踐問題也能更大程度地激發學生學習興趣，提高課堂效率。

2 教學手段創新

2.1 靈活運用多媒體手段

“教育改變人生，網絡改變教育”。信息技術的發展影響了人們生活的方方面面，也包括高等教育教學。東南大學每年都立項改善教室教學環境，目前每間教室都配備有完備的多媒體系統，包括投影儀、電腦、話筒及攝像機，為教師提供多媒體教學的各種硬件設備。信息網絡提供了大量工程實踐素材，教師備課時不應拘泥于教材及書本，可以從網絡上獲取實際工程案例，參考相關課件，豐富、完善教學內容;學習精品課程名師教學視頻，提高授課水平;收集精彩工程應用或動畫視頻，挑選與課程高度契合的視頻在課堂上展示，讓學生“親眼所見”，加深對課堂所學知識的理解。

《工程金屬材料》課程涉及大量鋼鐵企業實際生產工藝，如鑄造、鍛造、焊接、熱處理等，受場地等條件限制，課堂教學無法讓學生切身體會這些工藝，不利于對課程知識的學習和理解。材料科學專業一般會組織學生到相應鋼鐵生產企業，實際參觀學習這些工藝。對于非材料專業的工科學生，由于主要專業內容不是金屬材料，較少有機會去相關企業參觀實習。虛擬仿真軟件提供方便、快捷、高效的“身臨其境”的鋼鐵生產工藝學習手段，能將實驗教學內容的廣度和深度有效拓展，延伸實驗教學時間和空間，并且大幅提升實驗教學質量和水平，是課堂教學的有力輔助。根據教育部發布的《2017-2020年示范性虛擬仿真實驗教學項目建設規劃》，由教育部支持建設了國家虛擬仿真實驗教學項目集中展示共享的平臺---實驗空間。該平臺上展示了多學科虛擬仿真教學軟件，其中包括模擬金屬材料制備過程的“金屬高壓鑄造技術的虛擬仿真實驗”等。學生可在教師的指導下，充分利用該平臺上的模擬仿真軟件，彌補無法親臨工廠一線參觀實習的不足。

2.2 引導學生走上講臺

傳統的“老師講，學生聽”課堂教學模式不利于培養學生解決實際問題的能力[3]。對于部分結合實際案例的章節，例如鍋爐與汽輪機用鋼事故分析等，可引導學生上臺主講。將學生分為若干小組，每個小組指定一個相關項目，各組學生分工合作，查閱文獻資料，設計匯報課件，按照“分析問題-解決問題-總結經驗”的思路在課堂上匯報。教師根據各組的匯報情況，進行總結和點評，并結合課程內容提出一些問題引導學生進一步思考。這種引導學生走上講臺的授課方式，不僅促進學生主動思考，鍛煉發現問題、解決問題的能力，同時也提高了學生分工協作及設計、制作課件的能力[4]。

3 教師教學素質的提升

3.1 選派教師進入企業進修實習

培養實用型高級人才，離不開具有豐富實踐經驗的教師。大部分高校教師長期從事科研教學工作，理論知識豐富，但是工廠實踐機會較少或者幾乎沒有。教學內容需要聯系工程實際時，缺乏實踐經驗，只能從網絡或書本上獲取相關案例，根據自己的理解向學生講述，很難做到生動有趣，鞭辟入里。因此，選派課程授課教師，定期進入企業進修，深入生產第一線，參與解決實際生產問題，在實際生產過程中結合書本上的理論知識，深入理解鋼的熱處理，鐵碳相圖等，了解產業前沿動態，不斷更新教學內容。有了實際企業實習經驗的教師，在課堂上能更加繪聲繪色，有的放矢，吸引學生注意力，提高課堂效率。

3.2 相關領域教師定期交流

大部分高校，尤其是一流高校，對科研的重視遠高于教學，因此高校教師在科研領域的學術交流頻繁，然而教學方面的學術交流較少，不利于提高教師教學素質，提升課堂教學水平[5]。因此，高校應有組織地定期舉辦本校《工程金屬材料》及其他相關材料科學、能環工程課程教師座談會，針對教學內容、教學手段方法等展開交流，不斷完善各課程教學內容，更新教學方法。積極與其他一流高校相關課程任課教師交流，汲取成功經驗，并結合本校實際予以運用。

4 小結

通過對教學內容的整合，教學手段的創新以及教師教學素質的提升，《工程金屬材料》課程有望為國家培養實踐型、交叉型及綜合型的高素質人才添磚加瓦，促進“新工科”目標的實現，為中國實現制造強國的夢想貢獻力量。

【參考文獻】

[1]陳昶，熊志宏，殷赳.新工科背景下《機械工程材料》課程教學的探索[J].科技視界，2017，21：37-38.

[2]呂學鵬，張寶森，巴志新，王章忠.新工科背景下《工程材料》的混合教學模式研究與實踐[J].廣州化工，2018，46（17）： 126-127.

[3]楊敏奇，趙可云.翻轉課堂中數字化教育資源融合策略研究[J].中國教育信息化，2019，02：22-26.

[4]陳孝文，張德芬.新工科背景下《無損檢測》課程的教學方法探討[J].科技創新導報，2017，29：245-246.

[5]李秋紅，李蛟，王衛偉，叢日敏，司維蒙.“互聯網+”背景下工科院校材料化學專業新工科建設探索[J].化工教學，2018，44（11）：167.