工程材料學研究性教學模式的探索與實踐

王彥芳 石志強 曹 寧 王引真 何艷玲中國石油大學(華東)材料科學與工程系 山東青島 266580

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工程材料學研究性教學模式的探索與實踐

王彥芳 石志強 曹 寧 王引真 何艷玲
中國石油大學(華東)材料科學與工程系 山東青島 266580

摘 要：研究性教學通過教師的引導、啟發和幫助，使學生能自覺地發現問題、分析問題、解決問題，培養創新能力。本文從課程內容體系、教學方法、考核方式和課程實驗等多方面進行了改革嘗試，探索了研究性教學在工程材料學課程中的應用，培養學生的創新能力。

關鍵詞：工程材料學；研究性教學；教學模式

工程材料學課程是材料科學與工程專業(Materials Science and Engineering，簡稱MSE)的一門專業核心課程。該課程的基本教學要求是：掌握合金化理論的基本知識，了解材料成分設計的基本依據；熟悉生產中常用的材料及其熱處理工藝、組織、性能與應用及環境之間的關系，根據零件技術要求，能正確地選擇材料和制訂工藝，并初步具備新材料開發的能力。學生學完材料科學基礎、材料工程基礎、材料性能學等基礎理論課后，頭腦中堆滿了有關材料科學的概念和現象，但是在遇到實際問題時往往無從下手。工程材料學就是從材料科學和實際應用相結合的角度出發，根據學生已有的材料科學的基礎理論，建立整體統一的概念和體系，闡明它們之間的內在關系，幫助學生學會分析問題和解決問題的方法，培養在實際工程中正確地選擇材料和使用材料的能力。本課程不僅要把重要的工程材料及其合金化原理及熱處理介紹給學生，更重要的是要把材料研究的基本思路和基本方法傳授給學生，培養學生綜合運用所學理論知識和實驗技能獨立分析和解決實際問題的能力，以適應社會對材料人才的需求。

工程材料學是MSE專業本科教學計劃中的最后一門專業主干課程，是學生走上工作崗位后應用最多最直接的課程，在專業知識結構中占有非常重要的位置。在工程材料學課程中開展研究性教學，可充分利用課程特點，培養學生綜合分析問題的能力和工程應用能力。本文結合工程材料學教學改革的實踐經驗，對在課程教學中開展研究性教學的模式進行探索。

1優化和整合課程內容 構建油氣特色課程體系

課程選擇哈爾濱工業大學王曉敏教授編寫的《工程材料學》為教材，該教材在鋼的合金化基礎和常用材料方面介紹的非常具體全面。但材料的發展迅速，一些新材料、新技術、新工藝在原教材內容中沒有得到體現，同時對行業特色院校，缺少相關案例。我們在課程教學中，在教材基礎上，根據學校特色，進行了如下改革：

(1)根據材料學科發展，增添了一些新材料、新工藝和新技術。如微合金非調質鋼、新型模具鋼、塑料模具鋼、大鍛件鋼、非晶態合金、鎂合金等內容。

(2)根據我校的“油氣”特色，整合部分選修課程的內容，適當增加油氣專用金屬材料的內容。如油氣管道用材、鉆桿及抽油桿用材、油氣鉆采工具用材等；并在課堂案例教學中增加“油氣”用材的案例比例。

(3)增加“選材”模塊。課堂講授著重闡明材料成分與處理工藝的特點, 強調材料組織與性能及應用之間的關系, 使學生掌握各類材料成分設計和制訂工藝的依據。選材模塊主要以課堂討論、課后作業等形式出現，讓學生從應用出發，根據具體工況，選擇材料，制定強化工藝，形成“零(部)件-工作條件-性能要求-合金化-熱處理-組織-性能-應用”的材料研究與分析思路，對知識點做到融會貫通，培養學生分析問題和解決問題的能力。

2構建多位一體的研究性教學方法

課堂教學、實驗教學和課后作業是培養學生的重要手段。為了既能把專業基礎知識系統地傳授給學生，又能使學生掌握材料研究的基本思路和基本方法，我們在以下幾個方面構建了多位一體的研究性教學方法。

(1)抓住課程主線，講清思路，提高課堂教學效果。采用傳統的課堂教學方法把合金化與熱處理原理系統地傳授給學生，在講授過程中注重展示原理的形成過程，以激發學生的學習興趣和探究意識，培養學生的創新精神。在課堂教學中緊緊抓住“服役條件-性能要求-合金化原理-熱處理強化工藝-組織/結構-性能-典型牌號-應用”的主線，讓學生掌握材料研究與分析的思路和方法，提高課堂教學效果。同時，運用歸納、小結的方法將分散的內容集中、繁雜的內容高度概括，教給學生分析思路。不僅讓學生理解和掌握材料的內涵，達到學活、學好的目的，而且提高學生分析問題和解決問題的能力。

(2)采用教師為主導，學生為主體的模式，開展課堂討論。為了從根本上克服滿堂灌、學生圍著教師和書本轉的弊端，使學生成為教學的主體，充分發揮學生的主觀能動性，在課程教學中設置3～4次課堂討論課。教師提前布置討論題目和要求，學生查閱資料，完成討論提綱。課堂討論課采取分組討論的形式，首先小組內進行頭腦風暴，形成小組解決思路。然后各個小組匯報解決方法，選出較優方案。最后教師做課堂總結，指出存在的問題及在今后學習中應注意的事項。課堂討論的形式，既提高了學生的學習興趣，又增加了學生對知識點的深入理解。課堂討論課的難點是開放性討論題目的設計及如何提高學生的參與度。

(3)布置大作業，撰寫小論文，培養學生思考和表達能力。工程材料學是專業基礎理論知識和生產實際應用知識之間的橋梁，課程的內涵是專業知識的融會貫通。布置大作業，撰寫小論文不僅可鞏固學習效果，在科學研究基本訓練、提高綜合實踐能力與素質等方面，有不可替代的作用。課程組在課堂講解完一定章節，學生初步理解了材料學課程的“主線”后，布置了與石油石化行業緊密相連的4個題目：海洋平臺用鋼、壓力容器用鋼、輸送管線用鋼和耐H2S腐蝕油氣管桿材料的成分設計。將學生分成若干小組，針對題目，查閱相關資料，根據服役條件，分析其性能要求，設計合金成分(合金化途徑)，并制定工藝規范。通過綜合作業，不僅培養了學生獨立思考、分析總結和書面表達的能力，并且真正使該課程起到學校(專業基礎理論知識)和企業(生產實際應用)之間的橋梁的作用。

3開設綜合設計性實驗項目

工程材料學課程實驗教學作為理論聯系實際的橋梁和紐帶，是培養學生工程意識、動手能力和實踐能力不可缺少的教學環節。以前實驗內容主要包括典型合金鋼組織觀察、常用鑄鐵組織觀察和有色金屬組織觀察三部分。實驗主要是針對標準樣品進行組織觀察，拍攝金相照片。這種實驗教學無法使學生了解處理工藝對組織、性能的影響，也無法通過實驗真正建立起材料的成分-工藝-組織-性能之間的關系，在培養學生動手能力、分析和解決問題能力以及創新能力等方面明顯不足。課程組在三個組織觀察實驗基礎上(必修)，又增設了齒輪、軸類零件及工具類零件選材的綜合設計性實驗項目，供學生分組選做。實驗要求依據設定零件的形狀、尺寸及力學性能指標要求，選定一種典型零件進行選材、制定合理的熱處理工藝規范和實施方案、選擇合適的熱處理設備和硬度檢測設備，并協作完成熱處理操作、硬度測試、金相樣品制備、組織觀察和分析。通過綜合實驗，讓學生了解正確選材、制定工藝規范、選擇實驗設備的一般原則，掌握金屬材料化學成分-熱處理工藝-顯微組織-力學性能之間的關系。綜合實驗作為課堂教學和實驗教學的延伸，培養學生分析問題和解決實際問題的能力，為學生畢業后從事技術工作打下良好基礎。

4多元化、分層次的考核方式改革

工程材料學課程理論性和實踐性都很強，若單一地采用“知識立意”的閉卷考試或“能力立意”的開卷考試，都缺乏考試的科學性、全面性的評價功能。課程組采用了“多元化、分層次”的考核方式改革。課程考試改革主要以科學合理衡量學生知識與能力的真實水平、正確引導學生養成良好的學風為理念，課程總成績由理論考試(閉卷，60%)+小論文(開卷，20%)+實驗(10%)+平時成績(10%)構成。理論考試，采用閉卷形式，主要考察學生的基本概念和基本理論知識掌握的程度。大作業是針對某一類材料的綜合性問題，學生查閱資料，撰寫小論文，采用開卷形式。實驗成績主要根據學生的實驗技能和實驗報告的撰寫，由實驗教師給出。平時成績由任課老師根據上課出勤、課堂討論課發言積極性及課后作業綜合給出。通過考試改革，使學生不斷改進學習方法，全面提高能力和素質，激發學生創新思維，學以致用，理論聯系實踐，解決材料工程中的實際問題；同時也促使教師不斷總結、探索創新，以考試改革理念為“指揮棒”，進一步改進教學方法，提高教學質量，全面培養學生的綜合能力、實踐能力。

5結束語

研究性教學的目的是引領學生在主動探索、主動思考、主動實踐的過程中吸收知識、應用知識、解決問題，從而培養學生的創新精神和創造能力。研究性教學目前已成為世界各國本科教育共同追求的一種科學的教學方式，但由于各個學校專業特色、科研特色等方面各有不同，研究性教學的模式和體系也存在較大差異。筆者在工程材料學課程教學中在課程體系、教學方法、考試改革和實驗改革等方面做了一些嘗試，希望在為培養學生的學習能力、解決問題的能力和創新能力方面發揮積極作用。

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Exploration and Practice of Research-based Teaching in Science of Engineering Materials

Wang Yanfang, Shi Zhiqiang, Cao Ning, Wang Yinzhen, He Yanling
China University of Petroleum (East China), Qingdao, 266580, China

Abstract:Research-based teaching is a kind of teaching activities, which teachers pay attention to guiding, inspiring and helping students try to find questions, solve problem on their own initiative. In this paper, some reform measures, such as curriculum system, teaching methods, examination methods and experiment, are carried out in the Science of Engineering Materials course. The research-based teaching mode can fully mobilize students’ enthusiasm, initiative and creativity, and better promote the teaching effects.

Key words:science of engineering materials; research-based teaching; teaching mode

基金項目：山東省工程材料精品課程建設項目；中國石油大學教學改革項目(編號：YK201407)。

作者簡介：王彥芳，博士，副教授。

收稿日期：2015-07-02