工程教育OBE理念下的《材料力學性能》課程教學改革的探討

高文斌 顧小燕 黎文航

（江蘇科技大學材料科學與工程國家級實驗教學示范中心，江蘇 鎮江212003）

0 引言

《材料力學性能》這門課程通過理論教學、實驗教學等環節，從各種機件常見的服役情況和失效方式出發，使學生掌握材料抵抗失效破壞的常用力學性能指標的基本含義及測試方法，了解失效現象的微觀機理，掌握內在因素（成分、組織、冶金質量、殘余應力等）和外在條件（載荷性質、應力狀態、加載速率、測試環境等）對材料力學性能的影響，為材料的開發研制和合理使用提供依據。

工程教育專業認證的基本理念是“以學生為中心，以學習成果為導向，持續改進”，即OBE理念，高等學校的核心任務是培養滿足行業認可的既定質量標準要求的畢業生，評價標準以培養目標和畢業要求為導向[1]。工程教育認證為我國高等院校人才培養提供了明確的目標和方向，近幾年，以工程教育認證為導向的教學改革已經在我國許多高等院校課程中得到了推廣和應用[3-4]。本文以材料力學性能為例，探討了基于OBE理念的課程教學內容、教學方法以及考核方式等方面的課程改革。

1 教學現狀分析

（1）本課程內容多，概念多，理解困難，授課課時少。在我校材料學院最新的2018版課程教學大綱中，本課程開設在大三上學期，總課時為32學時，課堂教學為28學時，實驗教學課時為4學時，包含2次實驗。理論教學部分涵蓋了材料在靜拉伸載荷、彎曲載荷、扭轉載荷、沖擊載荷下的力學性能，也包括材料的斷裂韌性、疲勞現象、應力腐蝕開裂和氫脆、高溫力學性能，平均每章課堂授課課時僅為4學時。2次實驗教學分別為通過沖擊韌性測試研究低碳鋼的低溫脆性和測定不同熱處理狀態的低碳鋼的維氏硬度。

（2）本課程的知識點繁雜，教學難度大，傳統的“灌輸式”課堂講授學生的參與度不夠。每節課學生會接觸大量的新術語和新的力學性能指標，部分內容理論性較強，晦澀難懂，導致學生在有限的學習時間中難以長時間保持學習興趣，學習積極性不高。

（3）傳統的考核方式通常是平時作業（20%）、實驗（20%）、期末考試（60%）三個方面，無法綜合考核學生的應用知識能力。本課程每章教學內容結束后，針對重點內容布置了作業，完成平時作業除要仔細閱讀和理解教材外，還需要查閱相關資料，部分同學認真查閱資料和閱讀教材，較好地完成了作業，但也有抄襲別人的作業的嚴重現象。期末考試方式為閉卷考試，這種考核方式偏重于學生的應試能力，學生在短時間內通過死記硬背取得不錯的成績，但是無法深入理解消化基本知識，在開放性的概念題中表現不佳。

（4）實驗教學環節偏簡單，與課堂理論教學有差距。本課程的兩個實驗為沖擊韌性和硬度實驗，總體而言，這兩個實驗操作簡單，便于掌握，而沒有關于斷裂韌性和疲勞的測試方法和技術的實驗教學，斷裂韌性和疲勞是跟實際結合更加緊密的知識，在科研和工程實踐中應用得非常廣泛，據報道，工程失效案例統計表明，高達80 %的失效為疲勞斷裂，因此，目前的實驗教學并沒有完全體現課程知識的重要性。而且，實驗考試方式單一，以實驗老師的演示和實驗報告的考核為主，無法對學生的掌握程度進行有效的考核。

2 教學內容和教學方式改革

本課程涉及大量的名詞術語和力學性能指標，有些術語晦澀難懂，讓學生非常頭疼，如果按部就班地按照教材內容和常規的教學方式進行講解，往往無法激發學生的學習興趣，導致課堂教學效果大打折扣。但是本學科的一大特點就是，和實際應用緊密結合，每一種力學性能指標的背后都有著大量的案例，不管是歷史上的慘案還是現代設計中預防此類事故發生的成功案例，這些案例（尤其是最新發生的案例）往往沒有體現在學生的教材中，因此，在課堂講授中，老師有意識地通過這些案例來提高學生的學習熱情，在學習每一個力學性能指標之前，介紹其背后的案例和人們如何逐步深入認識此類問題發生的原因和防止措施，對這個力學性能指標的工程意義理解得更加深刻。我們以低溫脆性為例，在講解低溫脆性這個概念之前，給學生播放泰坦尼克號的沉沒視頻，展示100多年前泰坦尼克號上所使用的鋼板及其斷口形貌，指出鋼板存在的低溫脆性，再進一步解釋低溫脆性現象和產生的原因，闡述其發生的微觀機理，這樣既吸引了學生的學習興趣，又加深了學生對低溫脆性的理解，取得良好的教學效果。

另外，在講解各種力學性能指標的微觀機理時，要加強學生對一些重要公式的推導過程的理解。由于教材對一些概念和公式闡述的不夠詳細，老師應該從其他參考書或渠道對其進行補充，把握公式推導的核心依據和推導過程，而不是簡單地展示公式結果，讓學生記住公式，這樣學生無法深刻領會公式背后的意義。以斷裂力學中的裂紋尖端的塑性區形狀的教學為例，教材只是簡單地給出了塑性區的形狀以及相關的公式，并沒有詳細說明塑性區為什么是立體啞鈴形，我們通過查閱其他文獻，先通過Irwin關于裂紋尖端應力場的解析解來計算裂紋尖端各位置的主應力，再通過米塞斯畸變能屈服準則，從而得到關于塑性區形狀尺寸的公式，這些公式和推導過程并不需要學生記憶，但是學生理解了這個推導過程后，學生會更加深刻領會裂紋尖端塑性區的形狀尺寸。

在教學方式上，傳統教學以老師講授為主，學生懶于思考，教學效果較差。采用多媒體和板書結合是目前不錯的教學手段，老師尤其應該注意PPT的教學內容應該及時地更新，做到有趣、有料、有深度，本課程涉及大量的工程案例，應該多展示相關的圖片、動畫和視頻，在輕松的課堂教學氛圍中實現良好的教學效果。老師應當把握好課堂節奏，如果一味地展示講解過多的知識，也會導致學生的學習疲勞，無法集中注意力，這時，可以通過課堂提問，放緩節奏，引導學生積極思考。另外，可以讓學生上臺講解某一個知識點，針對該學生的講解，詢問其他學生是否聽明白、有什么問題提問，既活躍了課堂氣氛，提高了學生的課堂參與度，也鍛煉了學生的表達交流能力。

3 考核方式改革

本課程的考核總成績由平時成績、實驗成績和期末成績三部分組成，平時成績和實驗成績往往出現作業雷同的嚴重現象，而期末考試主要考查了學生的應試能力，無法對學生的綜合能力進行有效考核。老師可以嘗試弱化期末成績所占比例，增加通過分組討論的考核，綜合考查學生查閱文獻、制作PPT、作報告、溝通交流和團隊協作的能力。每4～5人分為一組，制定相應的主題（以力學性能指標為主，結合工程案例說明其工程意義），各組員通過查閱文獻，甄別文獻，選擇合適的案例對該指標的工程意義和應用進行詳細的講解，老師應當指導學生反復修改PPT，指導學生如何做學術報告，團隊中各組員分工明確，協作完成指定的課題，從而對其綜合能力進行評價。這種考核方式增強了學生學習的自主性，培養了學生解決實際問題的能力，更加符合現階段的工程教育認證的培養要求。

4 結語

本文以OBE理念為導向，探索了材料力學性能的課程教學改革，從教學內容、教學方式和考核方式等方面進行了實踐探索，針對本課程概念多難度大和與實際結合緊密的特點，增加案例學習調動學生的學習熱情，通過分組學習討論，鍛煉學生的查閱文獻、團隊協作、制作PPT和做學術匯報的能力，最終實現具有良好綜合素質、自主學習能力和解決復雜材料科學問題能力的培養目標。