高校工程材料實驗課程教學與考核方法研究

樊江磊 李瑩 王艷 吳深 周向葵

[摘 要]如何適應當前工程教育認證的要求，強化基礎知識，突出學以致用的知識應用能力和創新能力，是我國高等院校工程材料課程實驗教學中面臨的難題之一。課題組結合鄭州輕工業大學的實際辦學條件，對工程材料實驗課程教學內容、方法以及考核進行了改革和實踐。

[關鍵詞]工程材料;實驗教學;考核方法;教學改革

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2021）05-0068-03

工程材料課程是機械設計制造及其自動化、能源與動力工程、車輛工程、過程裝備與控制工程等本科專業必修的專業基礎課，系統介紹了常見工程材料的成分、組織、結構和使用性能之間的相互關系，培養依據零部件服役特點和性能要求，選擇適當工程材料的能力。該課程作為機械類及近機械類專業必修的專業基礎課，具有教學內容冗雜抽象、原理概念繁雜難懂、理論知識和實踐應用相結合的特點，同時受到教學課時減少和實驗設備數量的限制，本課程的實驗課授課難度較大，學生對本課程知識點的理解和應用能力都有待提高[1]。因此，如何充分地利用有限的教學時間和現有的實驗條件，提高學生對課程教學內容的掌握程度，強化學生的基礎知識應用能力和創新能力，是當前工程材料課程實踐教學中面臨的難題之一。

鄭州輕工業大學原名為鄭州輕工業學院，2018年更名為鄭州輕工業大學，學校現有本科專業66個，其中5個專業通過工程教育認證。學校是教育部第二批“卓越工程師培養計劃”試點高校。機械設計制造及其自動化專業是我校開辦最早的本科專業，2003年獲得碩士學位授予權，2008年專業所屬的機械工程一級學科被評為河南省重點學科，2011年成為河南省特色專業，2016年獲河南省普通高等學校專業綜合改革試點，2019年獲批河南省一流專業建設學科。鄭州輕工業大學在本科專業辦學和教育教學改革方面具有豐富的實踐經驗。學校機械設計制造及其自動化專業于2018年通過工程教育認證，在培養方案、教學方法和工程實踐等方面進行了卓有成效的改革。課題組結合鄭州輕工業大學的實際辦學條件，以及筆者多年來在工程材料課程實踐教學過程中積累的經驗，對課程的實驗教學內容和方法進行了改革和實踐，以期能夠更好地培養學生的創新和實踐能力，為實驗課程的教學改革提供參考和借鑒。

一、工程材料實驗課程教學過程中存在的不足

在中國工程教育認證畢業要求通用的12條標準中，第1～5條標準（關于工程知識、問題分析、設計/開發解決方案、研究和使用現代工具）明確指出針對復雜工程問題的解決，合格畢業生需要具備專業知識應用、使用現代工程與信息工具、分析問題、設計解決方案、得到結論并合理分析等能力[2-3]。而實驗課程的教學工作正是培養學生相關能力的平臺。然而，工程材料實驗課程存在較多的問題，導致教學效果不能很好地適應工程認證的要求。

（一）教學內容偏離專業特點

工程材料課程是機械設計制造及其自動化、能源與動力工程、車輛工程、過程裝備與控制工程等機械類專業本科生必修的一門專業基礎課程，承上啟下，為進一步學習其他專業課程打基礎，既是引導學生進入專業領域的入門課程，又是學生掌握基本專業知識的理論課程，更是培養學生理論聯系實際、獨立分析和解決問題能力的基礎課程。其實驗課程是實現抽象的基礎理論與基體的實驗現象相結合的關鍵環節，給予學生更為立體、翔實的感官認識[4-5]。筆者通過調研現有的工程材料實驗課教材，發現現行的工程材料課教學體系存在較多問題，主要包括：（1） 課時少。為了在有限的學時內完成教學任務，將材料類專業學生所應掌握的知識進行高度壓縮。（2） 材料專業痕跡明顯。大多數的工程材料實驗仍以材料專業的教學系統為主，教學內容主要包括金屬學基本原理、鋼的熱處理原理與工藝，以及常用工程材料的分類、特點與應用等三大部分，未針對專業特點設置特色實驗。（3） 專業特點不突出。機械設計制造及其自動化、能源與動力工程、車輛工程、過程裝備與控制工程等不同專業的實驗項目內容基本相同。當前，工程材料課程實驗教學內容既沒有強調合理對于本專業的重要性，也沒有根據專業特點有針對性地強化學生選材、用材的基本能力。

機械設計制造及其自動化專業的畢業生，主要從事機械設計制造、科技開發、應用研究、運行管理等方面的工作，而工程材料的選擇與加工是其必不可少的重要環節。可見，對材料科學方面的知識需求，從事機械設計方面的工程師與從事材料研發方面的工程師不相同。這種差別體現在需求的深度和側重點上。材料研發工程師的主要任務是通過成分設計、組織調控及制備工藝設計，開發新型材料，因此其必須深入了解工程材料的成分、顯微組織、加工工藝與其性能間的相互關系。而從事機械設計方面的工程師關注的重點是選擇正確的材料，以滿足機械零部件對材料力學及物理、化學性能等方面的要求。他們最應該具備的是與機械設計與制造緊密相關的工程材料方面的知識及其運用能力，在常識性地了解金屬學基本原理、常見工程材料的特點與適用范圍的基礎上，更注重的是掌握各種零部件在不同服役條件下的性能要求及失效形式，選擇既滿足要求又經濟實惠的工程材料，通過合理的選材用材提高質量，降低成本，產生經濟效益。合理地設計和安排工程材料課的實踐教學內容，對于鍛煉學生合理選材、正確用材、選擇加工方法并制訂工藝路線的能力是十分重要的。

為了扭轉當前實驗教學的不利局面，完善學生在材料科學與工程方面的知識結構，提高專業背景下選擇和應用工程材料的能力，適應工程教育認證的需要，亟須對工程材料課程實踐環節進行教學內容改革。鄭州輕工業大學機械設計制造及其自動化專業現行的工程材料課程總課時為44學時，其中理論教學課時為38學時，實驗教學課時為6學時[1]。實驗課程主要內容為鐵碳合金平衡金相組織觀察、鋼鐵材料的硬度測試、鋼鐵材料的熱處理工藝制訂與組織觀察，以及合金鋼、鑄鐵和有色金屬等工程材料組織觀察。該課程是面向機械制造及其自動化、能源與動力工程、車輛工程、過程裝備與控制工程等專業設置的，涉及的專業種類多、學生數量大，而教師在授課過程中卻忽略了各個專業的特點，各專業實驗教學內容幾乎相同。另一方面，該課程的實驗教學總課時較少，大多數實驗為驗證性實驗，實驗內容與工程實踐脫節，不利于學生應用知識和工程能力的培養。因此，工程材料實驗課程現有的實驗項目和內容已經難以滿足“夯實專業基礎，強化工程能力培養”的工程教育認證新要求，必須進行相應改革。

（二）實驗教學方法呆板

工程材料課程屬于機械類專業基礎課，該課程從工程實踐中發展而來，又直接服務于生產實踐。該課程理論繁雜、工程背景多、實踐性強，實驗教學在整個課程體系中起著不可替代的作用。實驗教學是鍛煉學生分析、解決問題，提高學生工程素質，培養學生創新能力的關鍵一環，也是彌補理論教學與實踐教學之間空白地帶的有效形式[1， 6]。然而，目前的工程材料課程的全部實驗是以傳統的材料科學與工程實驗體系為主線開設，雖然這些實驗對學生理解、掌握基本理論和方法起到很重要的作用，但是依然沒有突出專業的差別和工程能力培養的需求。

另一方面，工程材料課程涉及的內容既包括基本理論與原理，還包括大量工程材料的特點及應用。當前，工程材料實驗課仍采用傳統的“知識傳授型”教學模式，所有的知識以課堂講授為主，學生以聽為主，簡單地重復實驗，整個教學過程缺少以學生專業特點為背景的知識點的整合。傳統的教學模式導致學生難以主動地參與教學活動，主觀能動性未能得到有效的發揮，造成了學生不會學、不愿意學的不利局面，難以達到應有的教學效果[6]。因此，如何才能讓學生更好地學習相關專業知識，提高專業技能，是教學工作者必須面對的問題。改進教學方法是提高教學質量與教學效果的重要途徑，工程材料課程實驗課也需要從教學方法和授課形式方面進行改革。

（三）考核方式單一

目前實驗課程的考核大多采用出勤和實驗報告來衡量，不能很好地考查學生的知識應用能力和創新能力，不利于學生綜合能力的培養和提高[7]。

綜上所述，工程材料實驗課程在教學內容、教學方法和考核方式上存在一些不足，需要根據專業特點進行改革。因此，本項目針對上述問題，結合實際教學活動，面向機械類專業本科生，在教學內容和教學方法以及考核方式方面進行探索，以提高工程材料課的教學效果和學生的工程實踐能力。

二、工程材料實驗課程教學改革

（一）教學內容的改革

為豐富工程材料課程實驗教學內容，鄭州輕工業大學機械制造及其自動化專業依據工程教育認證要求對工程材料課程內容進行了調整。把工程材料課程的理論課程與實驗課程分開，調整后的實驗課設置為工程材料及成形技術實踐與創新課程，總學時增加到16課時。實驗內容在原有實驗基礎上，增設了針對機械裝備零部件的液態成形工藝及組織、缺陷觀察與分析，焊接成形工藝及組織、缺陷觀察與分析實驗，以期鍛煉學生的工程實踐能力和綜合分析能力。

（二）教學方法的改革

為了改善現有教學方法中存在的不足，在工程材料實驗課程的教學實踐過程中，要遵循“學生是教育教學活動的主體”的原則，并有針對性地進行相應的教學改革。

第一，采用問題導向教學方法。由工程問題引出實驗目的和教學內容，從而引起學生的興趣，吸引其注意力，提高學生參與、設計實驗的積極性。實驗課程的教學過程應不僅僅局限于實驗原理的講解和實驗步驟的演示，可以嘗試以問題為導向、以學生為中心[8-9]，引導學生針對所提出的問題找出解決方法、設計實驗方案，并結合實驗設備，解決該問題，使學生由被動實驗、重復實驗，變為主動實驗、創新實驗。以問題為導向的教學方法，把傳統的以教師為中心轉變為以學生為中心，在教師引導和啟發下，使學生處于一種主動積極的學習狀態，提高其學習效果。

第二，充分利用先進教學模式。現代化教學手段日新月異，授課教師可以借助虛擬課堂、網絡輔助教學視頻等，引入虛擬操作、教學動畫、工程實例等[10-12]，通過圖、文、聲相互作用，增強學生的感性認識，讓學生更好地理解和掌握相關實驗的基本原理和實驗過程。

第三，積極采用智慧教學。與傳統的教學方式相比，智慧教學以更加多元、高效、開放的特點，促進教師與學生之間更加通暢、深入地交流，把課程預習、實驗操作、考核以及教學效果的評價等融入智慧系統中[13-14]。利用智慧校園、智慧課堂等信息化技術和資源，開展教學活動，使學生在實驗結束后，仍能夠通過智慧教學系統進行相關內容的學習和討論，從而使學生在任何時間、任何地點、基于任何設備都能獲取所需教學資源，享受無處不在的學習服務的學習過程即所謂的泛在學習。

（三）考核形式改革

學生的學習效果，不能機械地根據一次考試成績進行評價，學習效果不僅應包括課程相關知識的理解和掌握情況，還應該包含使用相關知識解決工程問題能力。所以，工程材料實驗課程的考核，也不能僅僅依靠實驗報告進行評價，而應該采用多形式、全方位的綜合考核方式。

第一，實驗報告內容改革。可以適當減少在實驗指導書中顯而易見的內容，例如實驗目的、實驗方法等內容。加強對實驗原理、實驗方案的考核內容，強化學生對實驗思路的理解。增加多種實驗方法對比、實驗方案改進等開放性討論內容，讓學生在討論中加深對基本原理的理解，提高學生分析問題、解決問題的能力。

第二，降低實驗報告成績在考核中的比例。降低實驗報告成績比例，增加實驗過程學生操作能力、實踐能力和創造性能力的考核，促進學生應用知識解決工程問題能力的培養。采用多種考核形式進行測評，可有效減少或消除因實驗報告抄襲而造成的成績評價不合理的現象。

第三，適當增加課堂測試。通過引入課堂測驗的考核方式，強化學生實驗操作水平和工程實踐能力，同時提高學生的實驗主動性，有效杜絕了一部分學生不做實驗，抄襲他人實驗結果的現象。

三、結束語

工程材料實驗課程是促進學生應用知識解決工程實際問題的重要環節。以工科為主的高等院校，應積極開展實驗課程的教學改革，不斷地探索和完善人才培養方式，并以工程教育認證為契機，持續改進教學內容、教學方法和考核方式。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 吳深，樊江磊，高紅霞.基于“卓越工程師教育培養計劃”的工程材料與熱處理教學改革探索[J].河南教育（高教），2017（4）：67-69.

[2] 范圣法，黃婕，張先梅，等.基于“產出導向（OBE）”理念的本科教學培養體系探究[J].教育理論與實踐，2019（24）：6-8.

[3] 李擎，崔家瑞，楊旭，等.面向工程教育專業認證的自動化專業持續改進[J].高等工程教育研究，2019（5）：76-80+96.

[4] 安毅，程欣，章敏.鋼結構設計課程實驗教學的實踐與研究[J].大學教育，2019（11）：54-56.

[5] 孟昭霞.實驗教學在學生創新能力培養中的作用[J].現代大學教育，2018（5）：92-97.

[6] 樊江磊，王通，王霄.工科院校理論力學教學方法與考核方式的改革與研究[J].河南教育（高教），2016（2）：99-101.

[7] 楊瑩，徐立，代靖華.互換性與測量技術課程多元化成績評價體系的探討[J].大學教育，2019（11）：66-68.

[8] 萬愛蓮.“以學生為中心”的大學課程結構調整：關系與誤區[J].現代大學教育，2019（2）：101-109.

[9] 張安富.項目化教學是提高工程型人才培養質量的有效之法[J].高等工程教育研究，2019（3）：166-169.

[10] 靳玉樂，羅莎莎.高等教育中電子教學媒介的泛化現象及其治理[J].現代大學教育，2019（2）：95-100+112.

[11] 黃炯，葉偉巍，王茹佳.數字時代創業智慧培養模式研究[J].高等工程教育研究，2019（1）：171-177.

[12] 鄭鯤，周晶，王卓崢.基于復雜工程的創新實踐情境設計與評價[J].高等工程教育研究，2019（3）：170-174+194.

[13] 王薇，向潔，王衛東.高校開放式課堂教學研究：基于學生視角的實踐問卷分析[J].現代大學教育，2018（2）：96-102.

[14] 蔣海云，溫輝，金繼承.創新型新工科人才培養大鏈的構建及實踐[J].現代大學教育，2018（3）：103-110.

[責任編輯：鐘 嵐]