基于理論和項目相結合的機械工程材料教學方法探索

金莫輝 王慰祖

摘要：針對當前機械工程材料課程的理論教學存在的難懂和枯燥等問題，文章基于理論和項目相結合的方式，在課程的教學內容和教學方法上做了探索，提出開發虛擬熱處理教學軟件和增設課題項目，增加學生的實踐機會，以改善課程的教學效果，提升學生的參與感和學習主動性。

關鍵詞：機械工程材料;教學方法;課程項目

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2020）15-0224-02

一、背景分析

機械工程材料課程是一門高等院校機械類專業的基礎課。該課程通過研究材料的成分、組織、工藝與性能之間的關系，使得學生初步掌握如何根據應用場合選擇機械零件的材料和制定相應的加工工藝路線，是連接材料科學和機械制造基礎的中間紐帶。從實際的理論授課情況來看，該課程的難點主要在于內容多而繁雜，術語、概念及原理規律抽象且難以理解，容易造成學生的學習興趣缺乏、獲得感較低，課堂氣氛不活躍，理論教學效果不理想[1，2]。具體存在的問題表現為：

1.該課程理論性強、內容覆蓋面廣，含有大量材料學原理規律和抽象的概念[3];同時，課程又與生產實際緊密聯系，需要一定的工程實踐經驗才能更好地理解相關材料加工工藝[4]。然而，該課程常與材料力學和機械制造基礎這兩門專業基礎課同時講授，造成了知識基礎出現錯位，學生難以理解和接受課程的內容。

2.講授的內容以金屬材料及其熱處理為主，對非金屬材料和新興材料僅作簡單介紹，而在實際生產中，非金屬材料及新興材料的應用大有后發趕超金屬材料之勢，容易導致學生認為所學的內容難有用武之地，失去學習的興趣。

3.該課程的實驗具有特殊性，一個零件的熱處理實驗常需要十幾個小時以上才能完成。受到實驗條件的限制，所開設的實驗常為驗證性實驗，如硬度的測量、金相試樣的制備、鐵碳合金平衡組織的觀察、鋼的熱處理展示等。驗證性實驗的特點在于操作簡單、結果明了，但無法滿足學生的求知欲與探索欲，導致學生難以投入。

二、解決方法與措施

為了解決以上問題，需要探索一些新的教學方法，以提高機械工程材料的教學效果，使學生能夠適應日新月異的新材料時代。該課程在教學模式和方法上可做如下探索：

1.優化課程教學內容，突出實用性和前沿性。機械工程材料課程涵蓋的內容廣泛，既有深奧的材料學理論，又有與生產實際密切相關的經驗總結。為適應學時短的限制和應對新工科建設的新挑戰，有必要對該課程的教學內容和安排進行適當的調整。首先，強化結構—工藝—性能這一條主線，重點掌握一些關鍵的概念和理論，如晶體的結構、鐵碳合金相圖、C曲線、CCT曲線、熱處理工藝以及材料的選擇，使學生在這一主線上樹立宏觀而深刻的認識;其次，減少一些過于抽象、實用性不強的理論知識的教學學時，突顯該課程的實用性，如晶體學的理論知識和組織的形成機理等;最后，增加非金屬材料的教學時間，補充新興材料的介紹，以開拓學生的知識面和對前沿知識的了解。

2.改善課堂教學方法，提高學生學習興趣和參與感。傳統的授課方式容易使該課程的教學氛圍變得沉悶，宜采用多樣化的教學方法來改善教學效果。首先，要求學生主動去發現和思考生活中使用的材料，并在每次課預留前十分鐘給學生展示他們所發現的材料，根據自己的認識介紹材料的工況、性能和組織等。這樣可以使學生更加了解日常所見的材料以及它們的組織、性能等，提高他們對材料學的興趣和學習的主動性。其次，通過采用視覺效果更好的圖片和模擬動畫展示材料的結構特點及其組織形成過程，使學生更有興趣地學習抽象的理論知識。最后，對于一些與工程實踐密切相關的知識，多采用案例式和啟發式的教學方法，將理論轉化為實際的工程項目問題，從材料現象和問題啟發學生學習新概念和新方法，提高學生的參與感。

另外，在條件允許的情況下，可基于現有理論和大數據開發可模擬熱處理工藝的虛擬熱處理教學軟件。學生可以通過設定常用的金屬材料、熱處理工藝及其工藝參數，軟件直接通過圖像的方式給出熱處理過程的材料組織變化，以及材料最終的力學性能范圍，使得學生能夠直觀地認識到熱處理工藝對材料組織和性能的影響。這樣的虛擬教學軟件可大大降低實物實驗的時間和成本，給予學生在工藝路線設計上充分犯錯的機會，幫助他們積累一定的實踐經驗。

3.增設課程項目，加強實踐和創新能力的培養。

如圖1所示，增設與整個理論教學過程同步進行的開放性課程項目，替代原有的驗證性實驗，包含以下幾個步驟：（1）要求學生在課程的開始階段自行組成3至5人的項目團隊;（2）隨著理論課程的進行，學生自行選擇一種感興趣的機械零件，并根據所學知識分析其工況、所需的材料性能和組織;（3）項目選題經教師復核過后，學生自行完成熱處理工藝路線的設計，并與教師討論工藝路線的合理性;（4）學生通過熱處理實驗驗證所設計的工藝路線，檢驗所得零件的組織和性能是否滿足最初的設計要求;（5）撰寫項目報告并做口頭答辯。

整個課程項目圍繞結構—工藝—性能這一條主線，與理論教學內容同時進行，是理論教學的補充，兩者相輔相成，可幫助學生更好地體會到材料對機械零件的重要性。通過課程項目可達到以用促學的效果，提高學生的學習主動性，鞏固其所學知識，提升教學效果和學生的獲得感;同時鍛煉學生分析、解決問題的能力、團隊合作能力、實踐能力以及創新意識。

三、結語

文章基于理論和項目相結合的方式對機械工程材料課程的教學內容和方法進行了探索，提出優化現有的教學內容，突出實用性和前沿性，同時改善課堂教學方法、開發虛擬熱處理軟件，提高學生的學習興趣和參與感，最后提出增設課程項目，理論與實踐相結合地培養學生的實際動手能力、團隊合作能力和創新意識。

參考文獻：

[1]羅洪峰，史留勇，林茂.機械工程材料教學創新與改革[J].教育教學論壇，2017，4（1）：143-144.

[2]柴蓉霞，張傳偉，郭衛與楊滿芝.以學生為中心的機械工程材料課程教學改革初探[J].教育教學論壇，2018，17（1）：127-128.

[3]武亞平，李妙玲.應用型本科機械工程材料課程教學方法的探索[J].洛陽理工學院學報：自然科學版，2018，28（01）：94-96.

[4]吳慕春，李捷.金屬工藝學系列課程教學改革與實踐[J].新課程研究：中旬刊，2009，153（06）：28-29.