基于OBE理念的《計算機在材料科學與工程中的應用》教學改革
——以熱處理工藝模擬為列

李 偉 趙淑枝 孫士昭 宋 鴿 褚 亮 劉德寶 董治中

（1.天津理工大學材料科學與工程學院 天津 300384；2.天津市威曼生物材料有限公司 天津 301600）

引言

材料科學與工程專業涉及熱處理工藝、相變等教學內容，是我校辦學歷史最悠久的專業之一。目前本專業的熱處理工藝環節仍主要以“講授式”授課，以理論教學為主，而模擬計算實踐能力培養遠遠不夠，與企業迫切需求該領域專門人才方面存在一定脫節問題。

本文通過對《計算機在材料科學中的應用》課程改革與實踐探索，以熱處理工藝模擬為例，通過將理論知識與模擬計算相結合，將學生自學、教師指導與學生實踐相結合，提高學生將理論知識應用到研究實踐中的能力。對培養創新型人才和高等教育的改革有著積極的意義。

一、學科發展中存在問題

《計算機在材料科學與工程中的應用》課程是專為材料類學生開設的，依據高校工科課程特色主要分為兩大陣營，一類是以綜合性大學為代表的材料物理專業，如南開大學等，主要講授Jade、Origin、Chemoffice、Endnote等軟件；另一類是，工科特色鮮明的工科院校，如天津大學等，課程中均涉及熱處理工藝和相變研究，以及溫度場、熱場等的物理建模和模擬[1]，主要講授如Thermo-calc、J. Mat. pro和Deform、Ansisy等軟件。國內很多兄弟院校如西北工業大學等直接設有計算材料學專業。我校的材料科學與工程專業屬于純工科專業，目前存在的主要問題包括：

1）課程教學內容與綜合性大學教學內容類似，較少涉及理論建模及熱處理工藝、相變模擬等方面的知識，與專業設置定位存在一定差距。

2）本課程多以教師講授為主，學生的實際操作訓練學時不足，對學生的實踐能力培養不夠。

二、OBE理念應用型人才培養模式

與傳統的“講授式”、“填鴨式”、“一言堂”模式不同，OBE（Outcomes－Based Education）教學理念的精髓在于教學各環節以“結果”為核心進行逆向設計和安排：一是強調學生學習效果，二是重視學生學習的主動性。以不斷變化的企業需求結果為導向，構建實現學生綜合知識、能力和素養達到企業需求指標的課程體系，及時調整畢業能力要求，完善以學生學習結果為唯一標準的教學質量監控與評價體系。

目前，OBE理念被許多的國家和地區認可，并被引入到教學體系的各教學環節中。在培養應用型人才的新工科背景下，我國眾多的高等院校逐漸認可這種新的教學理念，并在教學改革摸索過程中得到應用[2，3]。其主要優勢主要在于：

1）借助理論建模與模擬預測的優勢，增強學生的實踐能力、提高學生創新能力，適應新工科材料學專業人才培養的要求。

2）及時把最新科研成果轉化為教學內容，加強科研反補教學，激發學生專業學習興趣；

3）為企業培養工程模擬專門人才，具有重要的現實意義。

三、《計算機在材料科學中的應用》這門課程，應從以下幾方面進行教學改革：

（1）教學內容方面：應增加Thermo-calc、J. Mat. pro和Deform、Ansisy等軟件，通過理論模型和計算，預測或設計材料結構與性能，讓學生了解計算機在材料科學與工程領域的應用狀況。

（2）教學手段和方法：采用OBE理念設計教學內容，體現以結果為導向的教學模式。培養學生形成計算模擬的思想方法，運用相關知識建立數學模型，建立材料微觀結構、宏觀性能和實際應用之間的關系。

四、以熱處理模擬為例闡述OBE教學理念

學生在學習完成《熱處理工藝》這門課程及具備熱處理相關理論基礎后，學習Deform軟件中對于熱處理工藝相關建模及分析知識：

1）首先由任課教師提出企業需求結果：為提高產品性能，需對工件進行熱處理工藝優化，因此需要探究工件經滲碳，油淬和回火工藝后的溫度梯度分布狀態，各種影響因素如加熱速度、加熱溫度、保溫時間、冷卻速度和冷卻方式等對組織及性能的影響，如圖1所示。但由于時間關系緊迫，以及成本太高，全部進行實驗是有困難的，因此需對其進行廣泛的模擬實驗研究。這是OBE理念的結果導向的起始點，帶著這一結果去探索問題，可以吸引學生對這一目標的關注，進而才能夠讓學生深入思考相關問題。

圖1 企業需求的溫度場分布狀態圖[4]

2）體現學生主觀能動性：為解決上述問題，學生可自行梳理熱處理相關知識或查詢有關文獻資料，找尋與熱處理溫度梯度分布有關的影響參數，并按照上述知識總結后，繪制相應的工藝路線圖。如圖2所示，傳統教學模式下（圖2（a）），學生對于加熱溫度A，加熱溫度B及加熱過程中組織，性能、晶粒變化等沒有一個感性的認識，對于保溫時間A和保溫時間B的認識也不夠深入。而在OBE理念下計算機模擬模式中，學生對于各個加熱環節、保溫環節，都可以進行及時的模擬，那么組織如何演變的，組織如何影響性能的就會一目了然。

圖2（a）傳統教學模式下的熱處理工藝路線圖和（b）OBE理念下計算機模擬模式下繪制熱處理工藝路線圖

3）教師輔助指導下學生自行討論：對于傳統的熱處理工藝過程，學生們的認識是不夠全面和深入的，教師應提示哪些因素容易忽略，如不同溫度保溫時的熱傳系數不同，工件的對稱面存在對溫度梯度分布影響，以及工藝過程中介質如油、空氣等不同的影響。該過程可以充分調動大部分學生們的積極性，是學生探索知識與發現問題的關鍵環節，應留出足夠時間供其學習。

五、結束語

本文通過闡述我校材料科學與工程專業熱處理方向及《計算機在材料科學中應用》課程特點和OBE理念培養人才模式的結果導向特點，最后以熱處理工藝模擬為列，闡述OBE理念學生深化認識熱處理理論知識，以及理論知識與計算模擬實踐相結合。通過上述教學設計，培養學生形成計算模擬的思想方法，提高學生自我學習主觀能動性及學習興趣，將學生自學、教師指導與實踐相結合，培養符合新工科、適應現代企業需求的高級專門人才。