工程材料力學性能課程教學改革思考與探索

葉芳霞

摘 ?要 為了推進工程材料力學性能課程教學改革，提高教學水平，從材料科學與工程專業的特點出發，對工程材料力學性能課程的教學進行探索與思考，從教學內容及教學方法優化、教學手段改進、實驗的科學設置及過程考核強化等方面，探討該課程教學改革思路及在教學中的實踐。通過教學實踐，學生的學習熱情得到提高，知識運用能力得到加強，工程實踐能力和創新能力也得到一定程度的提高。

關鍵詞 工程材料力學性能;教學改革;實驗;教學方法;SPOC;網絡教學平臺

中圖分類號：G642.0文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）18-0076-03

Consideration and Exploration on Teaching Reform of Mecha-nical Properties of Engineering Materials//YE Fangxia

Abstract In order to promote the teaching reform of mechanical pro-

perties of Engineering materials course and improve the teaching level， this paper considers and explores the teaching of mechanical properties of engineering materials according to the specialty charac-

teristics. The teaching reform ideas and practice of this course are

discussed from the aspects of optimizing teaching contents， optimi-zing teaching methods， improving teaching means， setting up expe-riments scientifically and strengthening process assessment， etc.. Through teaching practice， students learning enthusiasm have been improved， and their ability of knowledge application， engineering practice and innovation have been strengthened.

Key words mechanical properties of engineering materials; teaching

reform; experiments; teaching methods; SPOC; Network teaching platform

1 引言

工程材料的力學性能是關于材料在外加載荷（外力）作用下或載荷和環境因素（溫度、介質和加載速率等）聯合作用下表現的變形、損傷與斷裂的行為規律及其物理本質和實驗測試技術的學科。與材料的物理性能、化學性能一樣，材料的力學性能是材料科學與工程四大基本要素之一的材料性能的重要組成部分，是各類材料在實際應用中都必須涉及的共性問題。材料力學性能課程是材料專業的基礎課，該課程既是材料科學基礎課程的延伸，也是失效分析等課程的基礎[1]。

在金屬材料專業中，材料力學性能課程同樣起著承前啟后的重要作用，是工程應用中材料力學性能檢測、選材和失效分析的基礎，其工程實際意義是顯而易見的[2]。通過學習該課程，不僅有助于學生掌握材料各種力學性能指標的工程物理意義及材料強度的研究思想和方法，而且有助于學生掌握各種因素對材料力學性能指標的影響，可直接用來解決工程應用中的技術難題和指導生產。

本文從優化教學內容、優化教學方法、改進教學手段、科學設置實驗和強化過程考核等方面，思考并探索工程材料力學性能課程的教學，提出相應的改進措施。

2 優化教學內容

根據教學大綱，本課程選擇的教材為束德林主編的《工程材料力學性能》。該教材共11章，可分三部分進行講授：

第1～4章為第一部分，主要闡述材料在靜載荷及動載條件下的變形和斷裂過程，其力學性能指標用于評價零件的抗過載失效能力及其安全性;

第5～8章為第二部分，主要論述疲勞、環境效應、磨損和蠕變等失效形式，零件的壽命也是由材料對這幾種失效形式的抗力決定的;

第9～11章為第三部分，主要介紹聚合物材料、陶瓷材料和復合材料的力學性能[3-4]。

該教材中的重要概念和一些定律是從工程力學和材料科學基礎等課程衍生而來的，同時，部分內容也為后續的“失效分析”等課程奠定一定的基礎[4]。

“工程材料力學性能”課程由于課時較少，再加上內容比較抽象，涵蓋的范圍較廣，要想系統且深入地把教材中所有的內容都為學生講解是很難做到的[4]。所以，以激發和培養學生的學習興趣為出發點，在教學過程中必須深化、優化教學內容。同時，根據專業特色和專業需求，對相關內容進行強化和弱化。西安文理學院材料科學與工程專業只涉及金屬材料，所以需要強化課程中金屬材料在靜荷載下力學性能、應力腐蝕和氫脆斷裂、磨損及金屬高溫力學性能等章節內容，弱化陶瓷、聚合物及復合材料等的力學性能，即將專業涉及相對較少的章節內容進行弱化，這樣可以留出一定的空間讓學生進行自學。

3 優化教學方法

案例教學，堅持理論聯系實際 ?將日常生活中的事例加以充分利用，把理論與實踐結合起來，激發學生積極思索與探討，以啟發式的教學方法引發他們的好奇與疑問[5]。這樣不僅有助于學生對知識的理解與內化，而且有助于學生對知識的豐富及應用。比如引入實際生產、生活中橋梁用鋼、建筑用鋼、曲軸等各種斷裂案例，有助于學生對金屬斷裂內容（認識、理解各種斷口）的理解，可以使學生從材料學角度分析材料失效的原因、機理，并結合服役條件提出改進措施[6]。

再如講到“低溫脆性”這個知識點的時候，以往的講解內容是直入主題，先講低溫脆性的概念，再講低溫脆性的本質，最后講影響低溫脆性的因素及預防措施。按照這樣的教學內容和教學思路講起來，學生不僅覺得枯燥無味，而且覺得機理分析方面深奧難懂。在新的教案和教學內容中，筆者以《泰坦尼克號》《日瓦戈醫生》等經典影片的相關片段作為問題的引入：為什么在寒冷的冬季，船體在觸礁后和鐵路在遭受一定的沖擊力之后會發生脆斷呢？帶著這樣的問題學習“低溫脆性”這一內容，學生會對接下來的講課內容更加感興趣。在教學內容方面，把泰坦尼克號船體材料的成分、組織、外界環境溫度等綜合因素進行列表分析和掃描電鏡照片組織分析，不僅使低溫脆性的本質淺顯易懂，而且使學生對影響低溫脆性的因素理解更加深刻。

在講到金屬的理論強度與實際強度之間相差1000倍的差值時，筆者引入掰彎鋁的實驗演示，提出問題：理論值與實驗值之間1000倍的差值去了哪里？這個問題困擾了材料學家好多年，即使在20世紀那樣一個大師輩出的年代，依然沒有得到解決。接著用兩層地毯滑移動畫演示、毛毛蟲蠕動演示，形象地解釋位錯理論。通過位錯及位錯理論這個橋梁，就找回金屬的理論強度與實際強度之間相差的1000倍的差值。通過對課程教學內容的優化，不但使所學知識得到鞏固，而且使學生分析問題和解決問題的能力得到提高。但是，筆者在教學過程中又犯一個不小的錯誤，就是沒有留白。因此，在教學中，講課內容要少而精，重點、難點要多角度、深層次講深講透;事實性知識少講或不講，留足空間給學生自助探究、想象、領悟、內化。

與學科發展前沿相結合 ?學生的學習在過去一直是被動的，即教學以教師的講解和學生的接受性學習為主，教師講解知識、技能、概念、原理，學生預習、模仿和做題。這樣對學生學習的主動性極為不利，學生只會滿足課本知識，創造性不能得到很好開發[5]。鑒于此，教師在教學過程中要適當地介紹學科前沿的發展情況，并將自己的科研與課程教學內容結合起來。如當講到材料的硬度這個知識點的時候，不僅僅局限于教材中的幾種硬度的測量原理及應用范圍，通過查閱、跟蹤一些最新的參考文獻，發現原來顯微硬度還是可以測量材料的斷裂韌性的。筆者將這種科研思路融入教學中的這個知識點，不僅使學生對“材料的硬度”這個知識點能夠更好地掌握，而且使學生學會主動探索知識和應用知識，提高了解決問題和分析問題的能力，使學生的眼界也開闊了許多。

增強自主學習能力 ?倡導以學生為主是優化教學方法的有效途徑，培養學生具備自我學習的能力，強調學生是學習的主人，引導學生自己查閱資料與釋疑并加以總結。教師要在這個過程中充分發揮引路人的作用，使學生的積極性與主動性充分調動起來。以“復合材料的力學性能”為例，說明如何進行教學方法的優化。

第一步：教師讓學生上網查閱“復合材料耐磨性”的相關資料，并就“顆粒增強金屬基復合材料的耐磨性”的提出、原理及發展現狀寫一篇綜述性報告，在下一節課讓學生自己講解。

第二步：教師結合自身的科研及備課內容，給學生進一步講解“顆粒增強金屬基復合材料”的制備方法及相關工藝特點。

第三步：教師引導學生根據自己查閱的相關資料和授課內容，對自己的綜述報告進行補充和完善。

這樣的“三步式”教學法，不但使學生的學習積極性得到提高，而且使學生對知識掌握得更加深刻和牢固。同時，學生的視野得到拓展，科研興趣和自我獲取知識的能力也進一步增強了。

4 改進教學手段

為了實現教學目標，完成教學內容，除了使教學方法得以優化外，還應采用適當的教學手段?！肮こ滩牧狭W性能”不僅課程內容比較多，而且學時有限，圖表和圖片較多。在課程內容教授過程中，金相組織及斷口形貌的特點、變形過程及實驗現象的變化過程與變化規律等，很難通過語言表述清楚。而采用動畫、視頻等多媒體輔助教學手段，在授課學時減少的同時，使教學信息量增加了，豐富了教學過程，使教學效果有了明顯增強。此外，在多媒體課件中收集大量的Flash、視頻及圖片等資源，如有關強度、硬度、低溫脆性、韌性等的動圖和視頻，使抽象的概念變得生動形象，使學生對相關知識點的理解和記憶更加深刻[6]。

同時，要引導學生采用多樣化學習方式，在課后還要使學生學習的自主性得到激發[2]。隨著信息技術與科技的發展，網絡信息資源逐漸成為一種新型的教學資源。隨著網絡教學的開展，學生的學習越來越多地受到網絡的影響，這是由網絡環境的開放性、資源的易獲取性和內容的豐富性等特征決定的。目前，課程網絡平臺建設是我國課程體系改革的主要手段及內容之一，也是教學的發展趨勢。

“工程材料力學性能”網絡教學平臺的構建，是材料科學與工程專業對人才培養的需求，可使教學資源相對靜態的問題得到較大程度的解決，同時可解決學科快速發展與工程實踐交聯薄弱之間的矛盾。西安文理學院引進泛雅網絡教學平臺，教師在授課的同時，可建立相應章節的在線視頻、PPT以及習題等;學生可以通過網絡課程開展自主性學習，解決課后仍存在疑惑的地方，仍有疑問的可以在線提問，由教師在線進行解答。學生自主學習的時間和空間利用這種線上線下相結合的混合式學習方法得到拓展，教學效果明顯改善。

此外，在平臺中建立材料新動態模塊。隨著科學技術的發展，材料的發展速度越來越快。對新材料、新技術，如一些新型的功能材料，由于授課時間的限制，課堂上來不及展開講述的內容放到網絡平臺上。同時，為了保持網絡內容的超前性，還可以將材料的最新研究動態及發展趨勢放到網絡平臺上，拓寬學生視野，激發學生的開拓創新意識。在后續的SPOC建設中，要整合各類教學資源，使自己的SPOC更加有趣、有啟發性，更加精彩。如借助中國大學MOOC，拷貝一門已經結課的MOOC的學期內容，刪減或新增補充內容;也可借鑒網易公開課程或參考其他網絡資源等。

5 科學設置實驗

通過改變實驗所用材料和實驗條件，從而得到不同的實驗結果，讓學生掌握試樣的制備、儀器的操作、數據的處理等方面的能力。對于參與教師科研項目和大學生創新訓練項目的學生，可親身體驗科研實踐，如當項目中需要做拉伸、彎曲、硬度、沖擊、磨損和疲勞等各種性能實驗時，可利用自己制備的試樣，從而使發現問題、分析問題以及解決問題的能力得到提高。此外，可以杜絕實驗報告相互抄襲的現象[6]。

此外，為了進一步增強學生的動手能力，還可以通過增加綜合性、設計性的實驗，加深學生對整個材料科學體系的理解，在學生的思維得到啟迪的同時，使學生的綜合應用能力、創新意識和創新能力得到提高。

6 強化過程考核

在期末試卷的設計上，要減少對記憶性知識點的考核，增加應用型主觀題量[1]，將命題重點放在考核學生對知識點的理解和綜合運用能力上，這樣才能更好地反映學生對知識的掌握能力和應用能力，讓學生能夠根據自己所學的知識進行自由發揮。同時，必須注重教學環節的過程考核，使學生能夠重視過程學習，積極參與教學活動和教學過程。最終的成績由平時考核、實驗考核和期末考試三部分組成，其中平時考核包括到課情況、線上自主學習情況及課后作業;實驗則根據學生試樣準備、設備操作、實驗報告等情況進行綜合考核。通過對本門課程的考核方式進行改革，學生的學習積極性有了很大提高，為后續專業課的學習及將來工作以后從事材料的研發和生產奠定很好的基礎。

參考文獻

[1]陳剛，范培耕，周安若，等.應用型工科類本科院校材料力學性能課程教學研究[J].中國冶金教育，2017（3）：21-23.

[2]陳逸，程亮，張云龍，等.應用型本科高校金屬材料類專業“材料的力學性能”課程教學改革探討[J].高教學刊，2018（17）：122-124.

[3]束德林.工程材料力學性能[M].3版.機械工業出版社，2016.

[4]王永東，李柏茹，徐家文，等.應用型本科材料力學性能課程教學改革與實踐[J].中國冶金教育，2014（5）：16-17，21.

[5]白允強，王章忠，周衡志.應用型本科“材料力學性能”課程教學改革[J].中國冶金教育，2010（3）：49-51.

[6]彭紅兵.應用型人才培養下《材料力學性能》課程教改實踐[J].科技創新導報，2017（32）：222-223.