淺議工程材料課程教學與大學生自主學習

鞏前明姚可夫邵 洋朱宏偉劉 源張華堂吳運新　張 弓朱張校.清華大學材料學院　北京　00084 2.清華大學新型陶瓷與精細工藝國家重點實驗室　北京　00084 3.清華大學先進成形制造教育部重點實驗室　北京　00084 4.清華大學機械工程系　北京　00084 .清華大學航天航空學院　北京　00084 .清華大學國際交流與合作處　北京　00084

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淺議工程材料課程教學與大學生自主學習

鞏前明1,2,3姚可夫1,3邵 洋1,3朱宏偉1,3劉 源1,3張華堂5吳運新6張 弓3,4朱張校1
1.清華大學材料學院北京100084 2.清華大學新型陶瓷與精細工藝國家重點實驗室北京100084 3.清華大學先進成形制造教育部重點實驗室北京100084 4.清華大學機械工程系北京100084 5.清華大學航天航空學院北京100084 6.清華大學國際交流與合作處北京100084

摘要：在初步分析工程材料課程特點、教師教學現狀和學生學習階段特點的基礎上，結合自身的教學經歷，粗淺地探討了引導、激勵學生自主學習的必要性和可行性。其中，通過教師引導學生學會課堂總結、恰當利用多媒體資訊、結合教師自身科研拓展學生視野、改革和完善評價機制等方式激勵學生自主學習尤為重要。通過教與學的改革，有理于全面培養學生的科研素養和綜合素質。

關鍵詞：工程材料課程；自主學習；多媒體教學；評價考核機制

工程材料是一門專業基礎課，它主要介紹材料的成分、組織、性能和應用之間的關系。要求學生學完這門課后不僅掌握一些材料科學的基礎知識，全面了解工程領域常用到的工程材料，更重要的是讓學生學會利用學到的知識分析零件的失效機制，從而學會合理選材、設計加工工藝等。因此這是一門增強工科學生基本素養、培養學生解決工程實際問題的重要課程。盡管各個高校采用的教材不同，教學的偏重點也不同，但這門課的一個共同特點是內容繁多、教師授課難度大，學生掌握起來也不容易。尤其是經過高考指揮棒下培養的學生習慣性地只關注學習內容與考試重點、考試成績之間的關系，這個根深蒂固的慣性在大學課程學習里也總是時常出現。而工程材料這門課要求掌握的知識點非常多，如果僅以考試為導向，僅僅依靠老師的課堂教學，這門課很難學好，學生必須培養自主學習的精神和自主學習的能力，這在業界也已形成共識[1-4]。

1　工程材料課程特點

盡管工程材料課程的教學要求簡單明了，即需要學生掌握一定的材料科學的基礎知識、全面了解工程材料，并學會選擇和利用工程材料；但涉及具體的教學內容，則十分繁雜。以清華大學所采用的教材為例，前兩章以金屬材料為主線，以鐵-碳合金為對象，介紹了金屬材料的微觀結構、結晶、熱處理的基本原理及相應熱處理工藝。隨之在后續的5章里分別介紹了金屬材料、高分子材料、陶瓷材料、復合材料和功能材料及新材料。在此之后，進一步介紹了零件的失效分析與選材原則、典型工件的選材及工藝路線設計，最后落實到了工程材料的應用。從宏觀上看，課程內容的邏輯性還是比較清晰的，但實際上，教材里的內容或多或少涉及材料科學基礎、金屬學、熱處理原理、熱處理工藝、高分子材料、陶瓷材料、復合材料、功能材料、表面工程及不同專業的機械設備等課程(如化工機械設備)等，這樣使得工程材料這門課至少具有以下幾個特點。

1.1 內容繁多 知識點多 但局部內容的內在邏輯關系弱

每一個章節可能就是完全獨立的知識點或學科分支，不利于教師組織教學，也不利于學生自學，因為不易前后聯系總結歸納，這不同于數學或物理，整本書的內容銜接一般較嚴密。

1.2 內容寬泛但不深入

每一章的內容如果從最基本的物理、化學基礎開始構建，這門課的深度可能會提高，但不可能包容在這一門課里面。因此這門課在大多情況下只是介紹了結論性的基本規律，學生容易感到知其然而不知其所以然，如果在教學中不能很好地把握理論深度，則易導致學生將其歸為科普課。

1.3 不可或缺性

在清華大學，這門課是機械大類的平臺課。汽車、熱能、機械、精密儀器、航空航天等專業學生的必修課。對機械大類的學生而言，不管以后從事工程工作還是從事應用基礎研究，材料都是最基本的元素，是信息或功能的最基本的載體。因此這門課具有不可或缺性。

工程材料這門課的特點決定了它不易成為受學生歡迎的課程，這不僅與這門課的教學現狀有關，也與需要選修這門課的學生自身所處的學習階段有關。

2　工程材料課程教學現狀與本科生學習階段特點

不同高校的教學側重點不一樣，不同教師的授課風格也有一定的差異，但總體來說，這門課的教師授課面臨新時代的挑戰。目前的教學現狀既有進步的一面，也有讓人擔憂、亟須改進的一面。如以清華大學的工程材料教學為例：現在大家都采用很多多媒體技術，包括動畫、視頻、網絡互動等教學手段，可激發學生的學習興趣；采用雙語教學，這樣更有利于學生進一步深造時易于與國際接軌；設計并開發了新的實驗教學內容，如從力學性能測試開始，全面檢測金屬材料的硬度、成分、微觀結構，讓學生在實踐中學會分析材料成分、結構與性能之間的關系；開發實踐教學課堂，如清華大學工程材料課組會組織學生現場參觀汽車碰撞實驗室、航空發動機實物展、生物材料快速成型實驗室等，拉近了課堂與工程的距離，讓學生有更多的感性認識的機會。這些都是積極、有益的，但目前的課程教學也面臨一些問題，如教材的更新需加快，因為新材料的發展日新月異，新材料相關的各種網絡信息對學生而言都唾手可得，教材的內容往往滯后很多，如中國當前的航空航天、航海技術、國防相關的部分材料發展已達國際先進水平，這在教學中如何實時體現出來？教師在組織課堂教學時，如果不善于挖掘知識點、與理化基礎知識結合，不善于設問、引導的話，不僅讓學生興味索然、感覺課程淺顯無味，也達不到激發學生課后自主學習的目的。而實際上很多知識點不僅有內涵，而且可以用學過的知識嘗試解釋。如熱處理基本原理中的“C曲線”為什么有個小“鼻尖”？碳含量與殘余奧氏體含量關系的內在原因是什么？這些問題是可以激發學生深入探討的。

還有一個必須重視的問題是工程材料教學在某種程度上也體現了教師本身的素養和積累。國外這門課與國內類似，更重視實踐性，上這門課一般是在大二下學期或大三，上這門課的教師一般都是科研突出的教授，他們將科研前沿與這門結合起來，不僅能拓展學生的知識面，更重要的是激發學生的學習興趣，這可能也是當前不足或需要進一步加強的地方。

從學生的角度看，選這門課的學生大多為處于大二下或大三的學生，他們大多剛剛修完高等數學、力學等邏輯嚴密、且以解題水平為考核依據的課程，一下子轉到內在聯系相對松散且與做數學題風格迥異的課程里，學生很難適應。曾有學生就認為這么課沒有著力點，不知道從哪兒下手。另一方面，進入高年級后，學生的學習習慣和成績排序相對穩定，導致容易出現兩極分化，一部分學生能迅速調整學習方法，積極自主學習，這在課堂教學中互動過程能充分展示。也有一部分繼續局限于做數學題的思路，直到期末也進不了狀態，只好倉促記誦，成績不理想、學習效果也不好。所以這時更需要教師的幫助，引導學生盡快走到自主學習的道路上。

3　大學生在工程材料課程中自主學習的必要性和可行性

葉圣陶先生說：教育就是要培養習慣[7]。那培養什么樣的習慣？自主學習無疑是最重要的品質或習慣。自主學習出自施爾曼聞名于世的認知學習實驗，即認知范式理論，這一理論要求學習者作為一個積極的參與者出現，學習不是機械的記憶信息，而是理解信息的過程。自主學習通常是指主動、自覺、獨立的學習，它與被動、機械、接受式學習相對[5,8,9]。它既受智力因素的影響，也受非智力因素的影響。從宏觀上看，大學教育的人才培養目標應該定位在培養學生成為具有“獨立思考能力和實踐應用能力”的人，應該讓學生“學會做人、學會學習、奠定基礎、掌握技能”[4]。具體到工程材料的教學，由于課堂時間的限制，教師不可能在課堂上講全、講透所有的知識點，而且教材中很多知識點的介紹也是簡單一帶而過，沒有課外的補充學習，是不可能掌握知識點基本原理和內在聯系的。

教材的更新肯定跟不上材料的發展速度，而且當今信息渠道廣泛，有利于學生迅速獲得最新的資訊。因此無論從教師教學還是學生自身學習的角度看，都必須大力培養學生的自主學習的習慣和能力。

盡管高考選拔機制導致學生考上大學后，尤其是考上比較理想的大學后往往失去目標，將人生里一個小的節點當成了奮斗的終點，缺乏人生規劃與學習生涯的規劃，缺乏學習的內在興趣與動力，缺乏自主學習與研究的主動性與能力，但經過教師的引導和一定的培訓，這個自主學習能力是可以提高的。首先是最基本的信息搜索能力和總結提煉能力[5,6]。一般高校都開設了文獻檢索課程，學生們可以利用數字圖書館的各種數據庫查閱信息，這可與開放的互聯網互補，但自主學習能力培養的可行性不止于技術層面的培養，更多的應該是教師在課堂教學中有意識地引導，幫助學生培養高效、積極的有針對性的自主學習習慣。

4　結合課堂教學與引導自主學習

對于工程材料的課堂教學，業界也已形成了很多共識，如注意教學語言的提煉[1]、啟發思維、激發興趣、注重創新、聯系實際等[2]?？鬃釉诙Ф嗄昵熬鸵庾R到啟發思維的重要性：不憤不啟，不悱不發[2]，也就是大家一致認同的“授人以魚不若授人以漁”，也就是讓學生學會學習。但具體到工程材料的課堂教學，則見仁見智，筆者僅以自身粗淺的體會拋磚引玉，以期有益于培養學生的自主學習能力。

4.1 在課堂教學中注意總結教學內容的內在邏輯性

如在講授材料的基本性能到結晶知識點以及將結晶、塑性加工、熱處理等幾個知識點串聯起來時，嘗試從礦石的源頭開始，以控制組織結構為主線，將它們從邏輯上有機串聯起來(如圖1、圖2所示)，盡管不十分嚴謹，但有利于啟發學生自己學會總結歸納，自己從書本上找到邏輯關系。這樣不僅有利于它們復習相關知識點，也有利于啟發他們的宏觀思維，學會高屋建瓴地分析問題。

圖1　結晶相關知識點邏輯關系示意圖

圖2　從控制組織結構的角度串聯三個知識點示意圖

4.2 與時俱進 充分利用各種資訊和多媒體手段

使用多媒體的目的一方面是使得基本原理更清晰明了；另一個目的則是激發學生自主學習的興趣。但需要在應用過程中有選擇地將多媒體與課程的知識點有機結合起來，隱喻其中而不是嘩眾取寵。如本人在講授熱處理時曾嘗試從武俠世界中兵器特性講到我國熱處理的發展歷史，尤其是三國時代對淬火工藝的深刻認識，同時結合收集的一些科學視頻內容(如圖3所示)加以編輯，穿插設問，引入知識點，啟發同學分析，取得了了較好的教學效果。學生不僅迅速掌握了知識點的核心，而且有些學生還嘗試寫了小論文，如柳XX同學寫了《古代鐵質刀具探微》、徐XX同學寫了《中國古代鋼鐵熱處理技術》、蔣XX同學的《淺析日本刀》等，這些小論文盡管沒有發表，但在這個過程中同學們的自主學習的興趣和能力都大大提高了。在此過程中學會了查閱資料、收集信息和利用所學知識分析問題，這都是可喜的進步。

圖3　視頻資料與課程知識點的結合

4.3 結合自身的科研 拓展視野 激發學生對本專業的認識

當前高校都強調教學應該和科研相結合，將科研的成果轉化為教學資源，這有利于把學生迅速帶進一定科研領域的最前沿，有利于拓寬學生的國際化視野，也有利于激發學生對自己的專業探根求源。筆者主要研究方向之一為碳納米管、石墨烯的應用研究，在介紹鑄鋼鑄鐵這一節里，筆者從碳原子的結合方式穿插介紹了非晶碳、石墨、富勒烯、碳納米管乃至最新的石墨烯。介紹了這些新材料被發現的過程、可能應用的領域和最新的研究進展，也結合自身的研究課題，探討了一些技術關鍵和科學問題。尤其是石墨烯偶然被發現的過程及該研究獲得諾貝爾獎的背景故事對學生的觸動很大，使學生們認識到了科研深邃嚴謹但也有平凡的一面。更重要的是改變了中小學以來一直訓練的以解題為終極目的的教學模式。讓學生們體會到科研不單需要嚴謹的邏輯思維，更需要來自多學科、多領域交叉帶來的靈感。以此為契機，鼓勵學生結合工程材料所學的知識，對自己專業領域或自己感興趣的領域進行調研，探索該領域里所用工程材料的最新發展趨勢。學生們在大量查閱文獻的基礎上也總結撰寫了小論文，如劉XX同學的《手機外殼材料分析》、王XX同學的《從高技術鐵路發展看鐵路用鋼的現狀和未來》、史XX同學的《汽車材料的探索與研究》、馬XX同學的《淺談燃氣輪機葉片》等，都寫的有一定廣度和深度。尤其是一位學生結合工程材料課程中關于失效分析、選材的知識，剖析了“泰坦尼克號”遇難的內在原因，較好地體現了這門課的教學效果。

4.4 完善和改革評價機制 激勵自主學習

因為工程材料課不同于數學、物理，不是一類題型一種解法，而是需要將整個的知識串起來分析問題、解決問題，需要學生在教師課堂教學之余大量閱讀和實踐，自主學習應占有相當的比例，所以對應的對學生學習效果的考核和評價也應該調整和完善。

評價體系具有教學改革的導向功能，可以推動或阻礙教學改革[4]。對于學生，既然給了他們自主學習的選擇權，對應的考核就需要考查學生是否閱讀了有關參考文獻、教材和參考書，是否有自己的新觀點、新方法等，這不僅可以在小論文、大作業中體現出來，也可以在課堂討論中體現出來，需要教師認真鑒別并作為平時成績的一部分評分。當然，布置習題作業也是體現教學效果、檢驗學生對關鍵知識點掌握與否的重要手段，但對于自主學習占一定比例的教學，學生的最后成績絕不應僅僅限于期末考試的卷面成績，而是平時課堂討論、課外小論文、大作業、小測驗等的綜合評估。這些需要不斷調整修改，從而構建相對完善和科學的評價體系，有利于引導學生自主學習，更重要的是潛移默化地培養學生的獨立思考、創新思維和自主學習等重要的科研素質。

事實上，美國一些名校的課堂上，教師的授課本身不一定都非常精彩，但他們非常注重教師授課、學生自學、獨立思考與實踐、師生和學生之間的交流討論等的結合，這樣非常有利于全方位培養學生的科學素養。我們也應該取他山之玉，改革教與學，從激勵自主學習開始，培養真正的高素質人才。

5　總結與展望

工程材料這門課盡管很重要，是工科學生的基石，但內容繁雜、知識點多但不夠深入，所以教師授課難度大，學生也很難掌握。尤其是對習慣以解題為學習目標的低年級學生而言，必須調整學習方法，大力開展自主學習，才能真正從材料成分、結構和性能之間的關系基礎上，全面了解工程材料、學會選擇和利用材料。教師在教學中也應該調整授課方式，引導學生總結知識點的內在邏輯關系。教師應結合自身科研優勢，變科研經歷為教學素材，善于有選擇地利用多媒體信息資源，將概念和問題融于其中，并基于自主學習改革評價、評分機制，從引導、激勵學生自主學習，在工程材料教學的平臺上培養優秀的科學素養。

參考文獻

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A Brief Discussion about the Relationship between Teaching of Engineering Materials and Self-Directed Learning by Undergraduates

Gong Qianming1,2,3,Yao Kefu1,3, Shao Yang1,3, Zhu Hongwei1,3, Liu Yuan1,3, Zhang Huatang5, Wu Yunxin6, Zhang Gong3,4, Zhu Zhangxiao1
1. School of Materials Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084, China 2. State Key Laboratory of New Ceramics & Fine Processing, Tsinghua University, Beijing, 100084, China 3. Key Laboratory of Advanced Materials Processing of Ministry of Education, Tsinghua University, Beijing, 100084, China 4. Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084, China 5. School of Aerospace Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084, China 6. International Cooperation and Exchange Office of Tsinghua University, Beijing, 100084, China

Abstract:Based on the analyses of the characters of Engineering Materials, current level of teaching, learning features of undergraduates at certain stage and teaching experience, the authors discussed the possibility and necessity of leading and inspiring self-directed learning for undergraduates. Generally, it is possible to cultivate good scientific quality for undergraduates by training students to figure out the intrinsic logic relationship among different key points by themselves, explaining complicated concepts in textbooks by means of multimedia references, encouraging self-directed learning with well designed homework assignments and modifying evaluation and examination rules.

Key words:engineering materials course; self-directed learning; multi-media teaching; evaluation and examination rules

作者簡介：鞏前明，博士，副教授。姚可夫，博士，教授。

收稿日期：2015-07-02