機械工程材料課程教學方法探討

曹 霞

常州工學院機電工程學院 江蘇常州 213002

機械工程材料課程是高等院校機械類專業的一門專業必修基礎課程，主要教學任務是從機械工程的應用角度出發，闡明機械工程材料的基本理論，讓學生了解工程材料的成分組成、加工工藝、組織、結構和性能之間的關系，掌握常用機械類工程材料及其應用的基本知識等。通過本課程的學習，學生在掌握機械工程材料的基本理論及基礎知識的基礎上，掌握根據機械零件的使用條件和相關性能要求，對結構零件進行合理選材及制訂零件工藝路線的初步能力。從學生培養目標而言，機械類專業的學生在畢業后主要從事機械產品的設計與制造工作，而選材是整個設計、制造過程的重要環節，在材料科學與工程日新月異的今天，材料的選擇與正確應用愈加成為提高產品質量、降低成本、節約能源和開發新產品的重要手段[1]。因此對于機械工程材料這門專業類基礎課程無論從其與其他相關課程聯系的緊密度還是從其在實際工程應用中的情況而言，其重要性不言而喻。

我院機械類專業的機械工程材料課程共計40學時，其中課堂講授36學時，實驗4學時。該課程課堂講授內容主要包括材料的結構與性能、金屬材料組織和性能的控制、金屬材料、高分子材料、陶瓷材料、復合材料、功能材料、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以及工程材料的應用，實驗內容主要為金相試樣制備及硬度實驗和鐵碳合金平衡組織觀察實驗。從教學內容看，我院機械類專業的機械工程材料課程內容豐富，覆蓋面廣，符合教育部對高等院校此課程的教學要求，但由于受到總體教育學時計劃安排的限制，該課程學時略顯不足，同時受到學校辦學條件限制以及經費欠缺所導致的相關實驗儀器設備短缺的影響，開設的實驗類型較少，如不處理好這些因素的影響，勢必降低整體教學質量。根據我院的實際辦學條件和現有儀器設備，我們對該課程的教學方法和手段進行了探討和研究，從多方面采取相應的措施，以保證教學質量。

1 采用多媒體教學，優化教學內容

隨著計算機技術的發展，教育技術的手段也在不斷發展和更新，其中多媒體教學手段已經廣泛應用于各類課程的教學中。多媒體教學方式與傳統教學方式相比，優勢明顯。在講解金屬材料組織和性能時，如果按傳統的教學方式，教師通常是借助教材上的灰色圖片照本宣讀，雖然也做必要的解釋說明，但這不能引起學生足夠的興趣，學生注意力不集中，難以保證課堂教學質量。單從課程內容而言，機械工程材料是十分枯燥而且難以理解的一門課程，一旦課堂教學效果不好，即使學生想課后自學，也十分困難，僅靠死記硬背的學習方法，學習效果必定不好。如果課堂教學中采用多媒體教學手段，通過視頻、動畫、彩圖、聲音等多種措施，使所講的內容直觀、具體、生動、形象，就可以激發學生的學習興趣，調動學生的主觀能動性，增強其學習的積極性，并且教師能夠很容易地把所授內容講解清楚，學生的理解和掌握也變得相對容易，對該課程的學習自然產生興趣，從而形成良性循環。另外，采用多媒體教學手段，能較為有效地解決學校教學資源不足的問題。例如：在講解材料熱處理內容時，我院沒有相關的熱處理設備。考慮到此部分內容十分重要，我們借助多媒體教學手段中的視頻，把傳統熱處理過程講解得非常清楚，同時介紹了一些先進制造技術，如真空熱處理等，使教學內容更加完善。

多媒體教學方式與傳統教學方式相比具有很多優點，但其僅僅是一種教學手段，具體能否提高課堂教學質量，關鍵在于教師所制作的課件的教學內容。教學內容是決定教學質量的關鍵，正確把握教學內容是提高教學質量和效率的重要前提[2]。從學生最終培養目標而言，學習該課程的目的是讓學生在從事相關機械設計制造工作時，能夠根據實際情況合理選擇相關機械工程材料，因而，教會學生應用是關鍵。在教學中，應根據每個專業的培養目標及課程體系確定教學內容，以應用為核心，以實用、實際、實效為原則，刪減過時、落后的知識，引入材料科學的最新研究成果，使教學內容處于動態優化中；突出成分—組織—加工—性能—應用這條主線，適當壓縮與主線關系不大、理論過強而實用價值小的內容[3]。我院本課程在各部分教學內容的具體學時分配上是有側重的，其中典型工件的選材及工藝路線設計以及工程材料的應用的學時較多，而且其中的教學內容都是教師多年來從相關工廠實際生產中積累的典型案例，學生畢業參加工作后，可以將所學的知識直接應用到工作中，如各種軸承類材料這一案例對于進入軸承類制造公司的學生非常實用。當然，選好教學內容，需要教師花費很多精力，我們正在不斷積累、完善和優化該項工作。

2 采用虛擬技術教學，提高學生學習興趣

虛擬技術是利用計算機可視化技術及網絡技術，對產品的設計、制造、生產和各項實驗進行準確的數學建模和仿真，在產品試制之前就能預見性地模擬出產品的全部制造、運動仿真和部分實驗性能，從而檢測產品的設計正確性和工藝可行性[4]。虛擬技術實現的前提是相關的工程軟件基礎。從一些課程的教學發現，在教學中引入虛擬技術，讓學生學習和掌握一種實用的工程軟件，將大大提高他們的學習興趣，從而提升整體教學質量。例如：采用三維CAD技術，基于UG，Solidworks或Pro/E等工程軟件平臺進行機械制圖教學；采用CAM技術，基于UG等工程軟件進行數控加工教學。實踐證明，讓學生單獨學習枯燥無味的純理論書本知識，學生不感興趣，但若能指導其學習和掌握一種實用的工程軟件，將顯著提高其學習興趣和主動性。工程軟件僅僅是一種解決問題的手段，用到的理論知識源于課本，學生通過學習相關的工程軟件，自然會努力補充其在使用工程軟件時所欠缺的理論知識。

目前，我院在講授機械工程材料課程相關內容時都會通過一個實際工程案例解釋虛擬技術在工程材料中的應用，主要是基于DEFORM平臺。DEFORM是一套基于有限元的工藝仿真系統，用于分析金屬成形及其相關工業的各種成形工藝和熱處理工藝。通過在計算機上模擬整個加工過程，幫助工程師和設計人員設計工具和產品工藝流程，減少昂貴的現場實驗成本，提高工模具設計效率，降低生產和材料成本，縮短新產品的研發周期。如在教學中針對齒輪的熱處理教學，通過齒輪熱處理的模擬分析，通過DEFORM平臺直觀、生動的圖形顯示和相應的模擬分析結果，把所講授的有關熱處理工藝的基本理論形象直觀地表達和解釋清楚，讓學生易于理解和掌握，同時也讓他們產生神奇感，提高學習興趣。通過虛擬技術的應用，有效地解決了教學中的一些難題，緩解了學院在教學中相關實驗儀器設備短缺的矛盾，拓展了學生的思維，有利于發揮其想象力，增強實踐創新能力。由于教學計劃總學時的限制，目前我院對DEFORM軟件并沒有開設對應的必修課程，以教師課后指導，學生自主學習為主，但這并不影響學生學習的熱情和教學質量，反而更有利于發揮其學習的主觀能動性。

3 采用項目討論教學，增強學生實踐能力

項目討論教學法是一種以學生為主，教師為輔，教學互動的教學方法，主要強調對學生實際工程關鍵能力的培養。學習主要分為四個過程——模仿、練習、強化和創新。項目討論教學方式主要是注重后面三個過程，即在具體實施過程中，學生根據教師所講授的實際工程案例，發揮主觀能動性，針對某個具體項目進行深入的學習，理解和掌握所學知識，從而提高發現問題、解決問題的能力，以便培養創新能力。學生還可以根據自身情況，選擇不同難度的項目，這些項目是練習類、強化類還是創新類，由教師把握。當然也可以基于DEFORM平臺建立一些和實際工程問題類似的虛擬型項目，發揮學生的想象力和創造力。學生所完成的項目有齒輪箱零部件的選材、醫療康復器材零部件的選材、機床零部件的選材等，在完成項目后，可以和其他同學討論、辯論、補充，最后，由教師答疑和總結，并做評價。

實踐證明，學生如果能認真系統地完成一個具體項目，其所學到的知識以及對知識掌握的牢固程度是課堂教學不能相比的，可在學生畢業設計答辯時得到驗證。通過完成一個項目，學生能夠知道設計制造所選擇的材料是什么，從哪里可以查到，其性能是怎樣的，常用于哪些場合，與其類似的材料有哪些，與類似材料相比該材料有哪些優缺點等。采用項目討論教學法，必然會增加教師的教學負擔，同時也需要學生較好的配合，要順利開展具有一定的難度。目前，我院主要在“卓越計劃”學生中開展教學方法改革，還處于探索階段，一些具體的項目、實施方法以及評價體系還有待于進一步完善。

4 結束語

多媒體教學手段、虛擬技術教學方法以及項目討論教學法各有特色，應在具體的教學過程中綜合運用，形成互補，更好地發揮它們的綜合優勢。教師應提高備課質量，激發學生學習興趣，引導學生發揮主觀能動性、想象力和創造力，全面提高學生的實踐工程應用能力。今后，我院教師將對課程的實驗教學、實踐環節以及學生評價考核體系作進一步的研究和探索。

[1] 李立明,李富波,路書芬.工程材料課程教學方法與教學手段的改革[J].科技信息,2008(25):149.

[2] 畢鳳琴,張旭昀,王力霞.工程材料課程教學改革的實踐[J].大慶師范學院學報,2006,26(5):41-42.

[3] 史雪婷.工程材料課程教學改革探索[J].科教文匯,2012(12):64.

[4] 張毅,劉柳.虛擬技術在雷達結構設計中的應用[J].雷達與對抗,2005(4):40-49.