基于專創融合思想的機械工程材料課程教學探索

胡海霞，劉志衛，袁長頌

(安徽理工大學 a.機械工程學院 b.礦山智能裝備與技術安徽省重點實驗室，安徽 淮南 232001)

0 引言

創新是推動社會發展進步的重要力量，創新方法是自主創新的根本之源。高校創新教育是一種全新的教育理念，旨在增強高校學生的創新意識，培養工科學生創新能力，構建創新體系，以培養創新型人才為主要目標[1,2]。發明問題解決理論(Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch，TRIZ)是重要的創新方法理論，是人們創造性地發現問題和解決問題的方法、工具。培養高校學生的創新能力僅靠開設創新方法課程還不夠，還需要通過具體課程教學來實現。因此，應將創新方法與專業課程相融合，將探索創新方法作為創新能力的核心要素融入到創新人才培養體系中，建設完整的、具有專業特色類的創新課程體系，培養學生的實踐與創新能力[3]。

機械工程材料是機械類和近機械類專業學生必修的重要技術基礎課程之一，是引導學生進入專業領域的入門課程。課程知識結構層次分明，具有較強的實踐性，對培養和訓練高校學生的獨立分析能力、創新能力具有積極作用。隨著21世紀創新教育實施地逐步深入，創新方法教學的日益普及，各高校都著力推進創新教育，服務國家創新發展，創新課程建設也日益被關注[4]。在專創課程建設的浪潮中，教學改革勢在必行，要利用創新思想重構專業課程的教學內容，使機械工程及相關專業學生以機械工程材料知識體系為基礎，系統地形成創新思維知識體系，養成創新思維能力。培養滿足社會需求的專業人才以適應社會發展需要是當前高校專業課程教學改革的一個重要方向[5]。

1 機械工程材料課程教學改革途徑

1.1 課程建設方法

機械工程材料課程內容豐富，理論性和實踐性都較強[6]。高校學生畢業后從事機電產品的開發設計、加工制造、維修售后等機械相關領域工作時，需要了解并掌握機械工程材料及其成型方面的知識。隨著國家創新創業教育政策地推進，為了培養學生的創新能力，各高校開設了越來越多的創新課程。根據TRIZ理論體系和人才培養的需要，高校結合前期教學經驗，系統分析TRIZ創新理論的方法體系和解決問題的基本流程，收集機械工程領域相關具體案例并進行剖析。梳理課程知識脈絡，制定課程標準，編寫TRIZ創新思維和方法并與專業課程相融合，課程主要章節配有課后習題，類型豐富，綜合性強，重點考查學生運用知識分析問題、解決問題的綜合能力。完善相關課程大綱、教學計劃、教學總結等教學資源建設。

將創新方法融入機械工程材料課程教學，有利于改變學生思考問題的方式，激發和培養學生發現問題、思考問題并解決問題的積極性和主動性。機械工程材料課程教學由理論教學和實踐教學兩部分組成，是一門應用性和實踐性都較強的專業基礎課。機械工程材料課程的教學目的是讓學生將所學知識由了解、理解，到應用，再到改進創新，實現知識的內化吸收。理論教學要重點培養學生的創新思維，課程依托本校工程實訓中心創新實驗室平臺，將課堂教學轉移到課程實踐平臺上，引導學生開展創新活動，提高學生對創新方法的應用能力，有效提升學生的創造力，培養具有創新思維與創新實踐能力的人才[7]。結合本專業特色整理并分析案例，提高學生對創新方法課程的理解及應用，為傳統課程教學提供新思路、新方向。

1.2 教學方法選擇

機械工程材料課程涉及的基礎理論微觀且抽象，傳統課堂教學以教師講解為主，如果照本宣科，將工程材料的內容作為孤立的知識點講授，學生對一些物理意義和工程應用仍然理解不透。課程主講教師不能停留在傳統教與學的教學方式上，應當構建創新方法與專業課程相融合的課程體系，靈活運用探究式、討論式、案例式、師生合作等多樣化的教學模式，培養學生的創造性思維，激發學生創新靈感。例如，針對金屬的塑性變形這一教學內容，可以采取案例式教學模式，將行星軋壓法的發明作為教學案例，將創新方法融入到工程案例講解中，提升教學效果。介紹塑性形變定義、塑性變形特點和對材料性能及加工工藝的影響等內容，利用金屬在外力作用下所產生的塑性變形，可獲得預期形狀、尺寸、組織和機械性能的金屬零件。

軋壓法是金屬材料塑性加工的主要工藝之一，廣泛用于金屬板材的成型加工。傳統的軋壓法是將金屬坯料送到兩個旋轉方向相反的軋輥之間，在軋輥壓力的作用下，使金屬坯料產生塑性變形，依靠兩個軋輥的轉動和原料板的推進將金屬坯料軋制成板材，如圖1(a)所示。該方法壓制變形量較大，適用于延展性能良好的鋼材，但塑性較差的金屬原料在軋制中會出現裂紋。為了解決這一技術難題，日本一家特種鋼廠的工程師潛心研究，一天他無意中發現妻子在面板上用搟面杖搟蕎麥面的過程是連續漸進的過程，于是他借鑒妻子搟蕎麥面的姿勢和方法，用大輥帶動小輥取代支撐輥，使金屬原料處于三向壓應力狀態，從而研究出了軋制鋼板的新方法——行星軋壓法，如圖1(b)所示，成功解決了軋制鋼板生產中因板材產生裂紋而造成大量產品不合格的問題。

圖1 (a)傳統軋輥裝置和(b)行星式軋輥裝置示意圖

在本案例中技術人員通過運用形象思維，激發了聯想、類比和創新能力，行星軋壓法就是由形象思維激發聯想而獲得成功的。在工程技術創新活動中，形象思維是一種基本的思維方式，工程師在構思新產品時，從外形設計、內部結構到工作原理設計，形象思維都起著重要作用。通過案例教學法，將課程內容展現在實際案例中，從理論過渡到實際應用，使學生建立起塑性加工工藝與金屬材料組織和性能之間的關系。案例教學法是實現教學與實際應用相結合的有效手段，有利于幫助高校學生樹立創新理念和創新思路，拓展創新思維，培養創新意識，對提高學生的實踐與創新能力具有重要意義[8]。

1.3 課程體系優化

課程體系的構建對于創新方法的推廣效果具有重要影響。機械工程材料專創融合課程建設教學計劃應圍繞培養學生創新意識和創新能力，掌握和運用創新理論與方法進行制定，形成科學合理的、符合創新方法推廣的教學內容體系[9]。

機械工程材料課程具有較強的實踐性，涉及的知識面較廣。由于學生對工程實際問題的接觸不多，學習動力不足，學習效果不理想。因此，教師應精心組織教學內容，強調重點內容的物理意義及其在工程中的實際應用，提高學生的學習興趣[10]。理論教學力求與創新方法和實用性相結合，適當淡化教材中過于深奧的理論，強調其實用性，加強學生實踐能力的培養[11]。此外，導入案例式教學也能有效提高學生學習本門課程的興趣，幫助學生運用材料知識解決設計與制造過程中的相關問題，提升教學效果。

在課程教學過程中，要注重培養學生理論結合實踐的能力，可以安排多種形式不同層次的實驗內容。實驗環節作為高等教育教學的重要組成部分，在培養學生創新能力方面起著重要作用。同時，整合學校實踐資源開展教學，包括學科競賽、創新實驗室、大學生創新創業活動及夏令營等項目。將運用知識分析和解決問題的綜合能力作為考核重點，將專業學習中的創新能力作為主要考核指標。

在參考國內知名高校機械工程專業課程大綱、教學課件及企業案例的基礎上，有針對性地選取面向高等院校機械類的典型工程案例，通過翻轉課堂、微課、視頻及動畫的形式呈現給學生。相關教學案例已經應用于2018級機械工程及相關專業機械工程材料課程的教學實踐中(32學時)。將案例庫引入教學中，從理論過渡到實際應用，通過課堂教學中的動畫和視頻演示增強了學生的場景沉浸感，將課程內容展現在實際案例中，能夠使學生更加深入地了解制造業相關專業知識，對提高學生的實踐與創新能力具有重要意義[8]。實踐證明在機械工程材料課程教學中結合企業經典案例，可以營造活躍的課堂教學氛圍，提高學生的學習興趣，增強先進設計方法及制造技術應用水平，提高學生創新能力和創新意識，教學效果良好。

2 結語

掌握創新方法是創造性地解決問題的前提，構建創新方法與專業課程相結合的課程體系是高校培養創新創業人才的重要組成部分。將創新方法融入機械工程材料課程教學中，引入企業經典案例，案例的選擇既要有代表性又要體現出明顯的專業針對性和使用性。教學環節突出創新思維方法，使教學變得更加生動、具體，引導學生學習創新方法，激發其創新潛能。開展機械工程材料課程教學改革，提高了學生的學習興趣，提升了學生的工程實踐能力和創新應用能力，提升了教學效果。