面向智能制造工程專業的《工程材料》課程教學改革探討

賈清波

（蘇州大學 機電工程學院，江蘇 蘇州）

一 引言

伴隨著新型信息技術和先進加工技術的快速發展應用，全球制造業布局發生了重要變革，以數字化信息為基礎的智能制造加工成為當今全球制造業發展的新趨勢[1-2]。通過將信息技術與加工技術的深入融合滲透，生產制造過程中的關鍵環節實現了智能化變革，智能制造技術大大改變了傳統制造業的生產和管理模式。通常情況下，智能制造技術以智能工廠為載體，以加工制造數據為基礎，并在互聯網技術的支撐下，促進生產效率和生產效益的大幅提升。目前，世界工業發達國家紛紛提出制造業振興戰略，智能制造技術以其自身顯著優勢受到了廣泛關注。智能制造技術的推廣應用，有望推動生產自動化向智能化、先進集成化和柔性化方向發展，對于越來越多國家制造業升級轉型具有重要作用。

作為支撐加工制造業發展的重要基石，材料在人類社會進步中發揮著至關重要的作用，材料科學的發展也有力地促進了制造業的快速進步[3-5]。材料科學是一門理論和實踐相結合的學科，主要研究材料的化學成分組成、組織結構以及性能之間的關系，并通過加工工藝設計和優化，最終提升材料服役性能以期滿足制造業的需要。作為加工制造業的主要對象，必須掌握材料領域共性規律和基礎理論知識，利用實驗研究材料內部結構與宏觀性能之間的作用關系，最終解決實際生產和復雜工程問題。

近年來，智能制造成為了教育部明確規劃發展的領域之一，并納入了本科生專業培養范疇[6]。加工制造業技術的日益更新，導致智能制造行業對于高端材料需求強勁的同時，對材料類人才的需求也日益增強。事實上，在加工制造行業人才培養諸多環節中，對具有材料類知識人才的培養必不可少。因此，為了滿足社會發展需要，高等院校在智能制造人才培養過程中對材料科學的教育教學提出了更高要求。工程材料是材料學科的一個重要組成部分，其所涵蓋的基礎知識是工程師應當具備的基本素養[7]。然而，在“智能制造”新時代背景下，《工程材料》專業課程教學過程中普遍存在“內容少、教材落后”現象，導致人才培養缺乏與學科前沿發展相融合、缺乏與工程實踐相融合、缺乏與制造業發展趨勢相融合等突出問題。

本文將結合筆者自身的教學實踐經歷，針對上述智能制造專業人才培養問題，重點圍繞智能制造工程專業《工程材料》課程教學內容，對普通高等院校智能制造工程專業《工程材料》課程教學改革方向作探索研究。

二 課程教學特點與突出問題

智能制造工程專業涉及機械工程、自動化、計算機和工業工程等學科門類，是一門典型的多學科交叉“新工科”專業[8]。目前，普通高等院校智能制造工程專業本科學生培養主要目標為掌握機械、電子、控制和管理等基本原理和知識，并要求具有解決智能制造工程領域中復雜工程問題的能力。因此，在上述人才培養要求背景下，智能制造工程專業所開設的《工程材料》課程多以專業基礎課程形式開展教學工作。然而，在教學實踐過程中發現，當前的教學內容和教學方式主要延續傳統機械工程專業《工程材料》課程教學模式，表現出以下突出問題：

1）理論知識傳授不深入問題。在理論知識教學過程中發現，智能制造專業課程體系中機械加工、機械制造等相關專業基礎課程需要頻繁涉及材料學相關概念和知識，例如正火、淬硬層、磨損機制等，而《工程材料》教材多以講述基本概念、基本理論和基本方法為主，對于機械加工制造等專業課程中涉及卻未能涵蓋在《工程材料》課程中的基礎知識，智能制造工程專業本科生在學習過程中無法短時間接受和理解，進而影響整個專業課程學習進度。此外，在工程材料課程基礎知識傳授過程中存在一些比較抽象的概念，這些概念僅通過示意圖展示不能夠很好地被學生接受，導致理論無法聯系實際，在理解材料理論知識的過程中非常困惑。

2）教學內容滯后問題。專業課程建設過程中通常開設新型智能制造工藝相關課程，例如增材制造技術、激光先進加工技術等，這些課程對材料學相關理論知識提出了更高要求。例如，激光與材料作用過程中極快的冷卻速度和極高的溫度梯度，導致加工材料中生成復雜的殘余應力和非平衡凝固組織，使得材料表現出非同尋常的機械性能，給成形構件提出了非傳統的熱處理需求。在日常教學過程中發現，傳統《工程材料》教材對于前沿加工技術涉及材料學知識體系具有一定的滯后性，無法與前沿科學現狀相結合。因此，基于傳統制造工藝而設置的工程材料課程內容無法與智能制造背景下先進加工工藝中的材料知識體系相適應，學生想學習了解更多的材料學知識卻又無從下手。

3）實踐能力培養問題。智能制造工程專業本科生在學習基礎理論知識課程的同時，通常開展機械制造類課程設計、實驗教學及專業實習等內容，以期在培養學生動手能力的同時，對相關基礎理論知識進行實踐檢驗。例如，在機械制造技術基礎課程設計過程中，通常會給本科生安排設計零件加工實驗課程，用以驗證設計構件能否滿足實際使用需求。筆者在上述教學活動開展過程中發現，智能制造工程專業本科生常常表現出對材料科學相關知識（比如剛度、疲勞強度、拉伸強度等）“不了解”或“一知半解”問題，導致學生解決實際問題能力非常欠缺。

4）創新應用思維培養問題。如何能將所學工程材料基礎知識創新性應用于解決智能制造生產實際工程問題，這是檢驗教學質量和教學成果的有效指標。事實上，材料類科學問題在智能制造生產過程中無不涉及，通過結合《工程材料》課程中的專業基礎知識以及智能制造專業課程中的其他理論知識，創新性提出解決智能制造生產問題方案。比如，通過加工工藝設計提升材料性能，進一步優化產品設計，結合精益排產規劃，最終促進生產效率和效益的提升。目前，智能制造工程專業本科生在學習過程中，不能結合各專業課程基礎理論知識間的相互聯系并創新性地應用于實際問題，導致培養學生創新應用思維能力出現嚴重問題。

三 課程教學內容改革探討

針對智能制造工程專業本科生培養的特點以及其中涉及的突出問題，考慮學生知識結構體系以及創新思維能力培養必要性，結合用人企業對于智能制造工程專業人才培養總體需求，筆者基于自身的教學體會以及企業專家建議，提出以下智能制造工程專業《工程材料》課程的改革措施：

立足培養目標，深化專業課程體系建設。智能制造工程專業課程建設體系中指出，制造類相關基礎理論知識的學習旨在培養學生解決實際生產過程中復雜工程問題的能力。工程材料作為制造加工的對象，其相關知識的學習對解決制造加工工程問題非常重要，而材料類科學本身是一門多學科交叉性系統基礎科學，涉及數學、物理、冶金、化學等多個學科分支的有機結合[9]。為此，智能制造工程專業課程體系建設過程中，需要學生在掌握材料基礎理論知識的基礎上，了解材料成分、組織、性能與用途之間的作用關系，理解加工零部件的生產全周期過程，通過工藝優化改進零部件性能和設計，達到解決實際生產過程工程問題的目的。基于上述培養目標，在當前智能制造專業課程體系建設現狀下，加強專業課程體系頂層設計，堅持以學生能力培養為主體原則，以專業特色建設發展方向為指引，提升材料類及制造類專業基礎課程在智能制造專業課程體系中的重要基礎作用，融合材料類專業基礎課程與制造類專業課程培養內容，最終結合學生知識結構體系以及企業人才培養總體需求，構建全面而成熟的專業課程內容體系。

與時俱進，系統拓展優化培養方案。在“新工科”建設和“智能制造”的雙重背景下，以智能制造行業熱點為切入點，結合智能制造新工藝對材料學基礎知識的需求，進一步拓展材料前沿知識體系，同時強化課程培養重點內容，系統優化培養方案。例如，對于當前發展迅速的激光增材制造工藝而言，其非平衡快速凝固、往復循環加熱冷卻等冶金特征與傳統合金材料加工工藝截然不同，導致材料在微觀尺度上成分和組織的均勻性以及宏觀方面上的力學和功能特性，與傳統加工工藝制備的零部件都有非常顯著的差異。上述差異正逐步變工程師對于零部件設計的觀念，材料-結構-性能一體化整體性設計模式正日益體現出增材中制造技術的獨特優勢，并有望變革未來航空、航天、醫療、汽車等領域零部件的設計方式[10]。這就要求專業教師在課程講授過程中，進一步拓展相關基礎知識點，對比分析傳統加工和增材制造技術的冶金特點，將研究內容轉化為課程教學內容，激發學生的學習興趣和創新探索精神。此外，教師在課堂教學過程中，在完成教學計劃設定知識內容的前提下，可以通過知識體系延伸、基礎理論融合以及工程案例拓展等方式，進一步豐富教學內容，保障講授知識體系的完整性和全面性，以期實現從“學生聽得懂”到“學生理解透”的轉變，扎實學生基礎知識，最終提升教學效果。

理論與實踐相結合。以培養學生創新能力、動手能力和解決實際問題能力為出發點，開展基礎知識理論與實踐緊密結合的教學模式，實現從基礎理論到工程創新實踐能力培養的過渡，促進學生將理論知識運用到實踐中去的主觀學習能動性，提升學生創新思維和創新意識。材料類專業具有與工程實踐緊密結合的科學特性，學生可通過實驗、課程設計、創新創業、學科競賽等方式深度參與進來，將所學理論知識得以實踐，并結合實際工程問題提出創新方案解決實際問題。例如，在課程設計及實驗開展過程中，可針對具體使用工況環境下零部件成品率差導致的生產效率低等問題，促使學生基于掌握的《工程材料》理論知識，選擇合理的材料成分和成形工藝，制定并優化生產工藝流程，提出創新解決方案并運用到實踐中去。另一方面，通過邀請智能制造相關企業一線精英參與到課程內容的講授工作中，介紹《工程材料》相關基礎知識在實際生產中的重要作用，增進學生對智能制造工藝生產過程的認識，了解行業發展動向和前沿熱點問題。此外，依托高水平科技競賽活動，如中國“互聯網+”大學生創新創業大賽、全國大學生課外學術活動等，鼓勵學生結合自身所學知識體系設定參賽題目，在解決工程問題的同時，實現對所學知識的鞏固和實踐檢驗，同時提升學生工程實踐能力和創新應用思維能力。

四 結語

綜上，《工程材料》專業基礎課程在智能制造工程專業課程體系中具有十分重要的作用，針對智能制造產業對相關專業人才培養的具體需求，開展《工程材料》專業基礎課程教學內容改革探討非常必要。通過上述教學改革探索，深化智能制造專業課程體系，優化智能制造專業培養方案，促進學生掌握扎實的基礎理論知識，提升學生實踐能力，滿足高速發展經濟社會對智能制造技術人才的需要。在實際人才培養過程中，仍需要對學習成果建立健全的監督制度和具體評價制度，并根據學習成果反饋及時調整教學方法和教學內容，持續推進教學改革工作，培養學生學習能力、應用能力以及創新能力，提升智能制造專業綜合素養。最終，隨著教學內容的深入改革推進，智能制造專業本科生對于制造加工基礎知識的掌握將更加牢固和全面，能更好符合智能制造產業對專業人才的需求，最終服務我國制造業轉型和發展。