新工科背景下《材料成型原理》課堂教學模式改革*

習小慧，王金亮，張世健，王 貴

(廣東海洋大學機械與動力工程學院，廣東 湛江 524088)

為了應對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)革命的戰(zhàn)略行動，2017年2月以來，教育部積極推進新工科建設，先后形成了“復旦共識”、“天大行動”和“北京指南”，全力探索形成領(lǐng)跑全球工程教育的中國模式、中國經(jīng)驗，助力高等教育強國建設[1]。在新工科建設的大背景下，高校教育更強調(diào)學科的實用性、交叉性與綜合性，新工科人才應該具備較強的工程實踐能力、創(chuàng)新能力和國際競爭力，是能夠引領(lǐng)未來技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的高素質(zhì)復合型人才。

在材料類專業(yè)人才的培養(yǎng)過程中，作為專業(yè)基礎核心課程之一，材料成型原理將材料成型理論與工藝融為一體，綜合介紹各種材料成型技術(shù)的基本原理、工藝方法和技術(shù)要點。通過該課程的學習，能夠讓學生掌握材料成型過程中凝固成型、焊接成形、塑性成形過程的基本原理技術(shù)，從而掌握材料成型缺陷的預防措施，使學生對課程中涉及的原理技術(shù)有較為深入的理解，扎實該領(lǐng)域的基礎知識，為后續(xù)專業(yè)課的學習打下堅實的理論基礎。通過知識傳授和能力培養(yǎng)的相互滲透，使學生能把握材料成型過程的共性，熟悉材料成型特點。因此，探討材料成型原理課程的教學模式，培養(yǎng)學生運用材料成型基本原理分析實際生產(chǎn)問題的能力，對豐富本科專業(yè)課程教學及改革的內(nèi)容、深化材料成型及控制工程專業(yè)教育教學改革具有重要意義。

本文擬從新工科的視角，結(jié)合材料成型原理課程的教學實踐，針對目前材料成型原理傳統(tǒng)課程教學體系和教學方法存在的不足，對新工科背景下的材料成型原理課堂教學模式改革進行探索，以期對提高教學質(zhì)量具有一定意義。

1 材料成型原理課程教學存在的問題

1.1 學生學習興趣有待提高

學生的學習興趣受多種因素的影響，其中有些因素是存在于課堂外的。隨著科技的發(fā)展，電子產(chǎn)品以及伴隨著的附加產(chǎn)品(如游戲、動漫、影視、直播等)日益增多，大大吸引了學生，將學生的興趣引向電子附加產(chǎn)品，而嚴重喪失了對課本學習的興趣。這直接導致課堂中學生拿手機玩游戲、看直播的現(xiàn)象泛濫。

材料成型原理是材料專業(yè)的基礎核心課程，由相對獨立的四部分組成，分別是液態(tài)成形理論基礎、連接成形理論基礎、金屬塑性加工力學基礎和塑料成型理論基礎，有若干概念、原理、機理所構(gòu)成。課程內(nèi)容多、信息量大、抽象、理論性較強。想要掌握本課程，學生除了需要具備材料專業(yè)的工程材料基礎或金屬學與熱處理課程的基礎知識，包括Fe-C相圖、二元合金的凝固以及塑性成形等，還要求學生對課程內(nèi)容有提綱挈領(lǐng)性的整體掌握，并建立前后知識點間的聯(lián)系。由于部分學生工程材料基礎或金屬學與熱處理課程的基礎知識薄弱，剛學習材料成型原理課程時難度較大；而且，本課程每一獨立篇章內(nèi)的內(nèi)容又是相互銜接，前邊的知識內(nèi)容理解不透徹，將導致學生對后邊的知識理解難度加大，因此逐漸失去了對材料成型原理的學習興趣。

材料成型原理課程是大三上學期的課程，學生經(jīng)過前兩年的學習和了解，對本專業(yè)的就行形式持有悲觀態(tài)度，對來校招聘的企業(yè)不滿意，對將來的就業(yè)環(huán)境不滿意，失去學習本專業(yè)課程的興趣。有的學生會自行選修其他專業(yè)的課程學習，或者有的學生在學校自行創(chuàng)業(yè)，不愿意學習本專業(yè)課程。

1.2 教學方法有待改革

材料成型原理課程涉及內(nèi)容廣泛，涵蓋了凝固、焊接、材料成型力學、塑料成形等多方面知識。課程內(nèi)容共14章，但是受到專業(yè)課學時的限制，只有48學時(理論+實驗)的課程安排，致使學生學習該課程的學時較少。因此，如何在短時間內(nèi)將課程知識傳遞給學生，并讓學生能夠消化重要知識點，增強學生的主觀能動性，是材料成型原理課程的教學關(guān)鍵。

此外，材料成型原理是一門和生產(chǎn)實踐結(jié)合緊密的課程，可用于指導生產(chǎn)實踐。但是，由于兩者之間的思維方式差別較大，想在課堂中建立兩者間的直接聯(lián)系較難。而且，傳統(tǒng)教學手段單一，沒有將生產(chǎn)實踐案例較好的引入材料成型原理課程的學習中，往往使學生學習枯燥、乏味，難以滿足新工科背景下應用型人才的培養(yǎng)理念。本門課程的學習，除了掌握基本理論知識外，更重要的是能應用所學理論知識解釋生產(chǎn)實踐中的現(xiàn)象，并能夠解決實際工程問題，建立基本的工程思維方式的能力。因此，如何在課堂教學中培養(yǎng)學生主動學習和主動探究的能力，是一個值得深入探討的問題。

1.3 考核體系有待完善

針對材料成型原理課程教學，傳統(tǒng)的考核方式一般包括平時成績和期末試卷成績，分別占比30%和70%。其中，期末試卷的考核內(nèi)容主要是課堂講授的知識點，重點關(guān)注學生對基本概念的記憶[2]，基礎理論知識的理解以及塑性成形過程的力學計算。平時成績的考核主要關(guān)注學生的出勤率和平時課堂作業(yè)的上交情況。然而，材料成型原理課程是服務于實際工程生產(chǎn)的課程，在新工科背景下，學習該課程的目的應該是使學生掌握用專業(yè)理論解決實際生產(chǎn)問題的方法，培養(yǎng)學生獨立思考、獨立解決問題的能力。傳統(tǒng)的考核方式會促使學生在臨近考試的一周時間，利用短期突擊方式瞬時記憶課程知識點，應付考試。而且，在日常上課過程中，學生也只是保證出勤，并不能保證課堂聽課質(zhì)量。這樣導致學生僅僅是考試期間熟記了考試知識點，無法做到對所學知識融會貫通，并應用于生產(chǎn)實踐。因此，材料成型原理課程的傳統(tǒng)考核方式存在諸多不足。在新工科背景下，為了培養(yǎng)創(chuàng)新型、實用型人才，必須對傳統(tǒng)考核方式做出改革。

2 新工科背景下生產(chǎn)實踐知識在教學過程中的重要作用

材料成型原理是服務于生產(chǎn)實踐的一門核心專業(yè)課，教學過程應該與生產(chǎn)密切相連。學生學習過程中沒有充分感受到所學課程與生產(chǎn)實踐的關(guān)系，這也是學生學習興趣下降的一個原因。針對此問題，教師在該課程的教學過程中，如何讓學生認識到課程的重要性，以及學好該課程對于自己將來的職業(yè)發(fā)展的益處是至關(guān)重要的。生產(chǎn)實踐知識是讓學生通過理論知識認識生產(chǎn)實踐的重要橋梁，是學生認識社會的重要知識體系。通過生產(chǎn)實踐知識的學習，學生一方面可以將理論所學知識進一步鞏固，加深理解；另一方面可以讓學生充分了解所學知識在將來的社會實踐工作中的用處，增強學生學習主動性、興趣的同時，培養(yǎng)學生學習的主觀能動性。此外，生產(chǎn)實踐知識的傳授有利于培養(yǎng)學生的愛國情懷和工匠精神。目前，與歐美一些發(fā)達國家相比，我國在工業(yè)和科技上尚有一定差距。例如，我國的精密加工技術(shù)與德國還有一定差距，芯片的制造技術(shù)也是制約我國科技發(fā)展重要瓶頸問題。這些技術(shù)存在差距的一個主要原因是工匠精神的缺失。在授課過程引入一些大國工匠的生產(chǎn)實踐案例，讓學生有所感，有所想，逐漸培養(yǎng)對本專業(yè)的熱愛，提高對未來職業(yè)發(fā)展的自信心和自豪感。

3 新工科背景下的課程教學方法改革

3.1 案例教學法

案例教學具有工程實踐性和趣味性，使枯燥的理論知識具體化、形象化，便于理解和掌握。它對學生的認知水平、分析問題的能力、研究問題的能力、解決實際問題的能力都有明顯的提高作用，同時有助于發(fā)展學生的創(chuàng)新能力和培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作精神[3-4]。例如，講解鑄件凝固組織的形成與控制中，可引入電影《指環(huán)王3》中精靈公主為阿拉貢鑄劍的片段，講述寶劍的鑄造過程，引發(fā)學生學習興趣，然后再引入鑄件凝固過程不同組織的形成過程，加深學生理解。講解鑄件中樹枝晶的形成過程，可引入自然現(xiàn)象中雪花的形成過程，通過播放雪花形成過程的視頻，讓學生更加直觀的理解鑄件中樹枝晶的形成，從而引發(fā)學生思考，去進一步探究樹枝晶形成背后的機理。

3.2 實踐教學內(nèi)容的改革

加強實踐教學環(huán)節(jié)的建設，提高學生分析問題和解決問題的能力[5]。傳統(tǒng)的實踐教學過程都是按部就班地依照理論課程設置實驗內(nèi)容，多為演示性的[6]，讓學生通過模擬軟件觀察鑄造過程以及塑性成形過程(如軋制和沖壓)，綜合設計型實驗和研究創(chuàng)新型實驗較少，實驗內(nèi)容單一，不能培養(yǎng)學生綜合能力及創(chuàng)新意識。因此，為了培養(yǎng)學生的工程實踐能力和創(chuàng)新意識，鼓勵部分學有余力的學生加入教師的科研項目中。例如，讓學生參與鋼種成分的設計以及鑄造和軋制工藝的制定，并對經(jīng)過不同工藝處理的樣品進行組織觀察，建立工藝和組織間的關(guān)系。將課堂所學知識與實踐相結(jié)合，鞏固課堂所學知識的基礎上，掌握鋼鐵材料的組織觀察技術(shù)。此外，還可以讓學生參與教師科研中力學性能的檢測中，具體包括拉伸性能和沖擊性能。學生可以自主進行不同材料的拉伸實驗和沖擊實驗，總結(jié)力學性能數(shù)據(jù)，結(jié)合課程中的應力應變知識分析不同材料的塑性變形特征。

3.3 案例教學與翻轉(zhuǎn)課堂耦合式教學

“翻轉(zhuǎn)課堂”是讓學生在課堂外自主學習知識，再在課堂中內(nèi)化知識的教學方式[7]。在課堂外，學生帶著教師所給布置的任務有目的地進行自主學習，并記錄下自己在自學過程中遇到的問題；在課堂內(nèi)，學生針對自己所學向教師進行匯報，教師根據(jù)學生的學習情況進行答疑，歸納總結(jié)呈現(xiàn)出課堂所學的知識脈絡。針對材料成型原理課程，基于授課對象是材料類專業(yè)學生，所以我們在選擇案例的時候要和本專業(yè)切合。案例教學和翻轉(zhuǎn)課堂的耦合教學模式舉例如下：

章節(jié)名稱：液態(tài)金屬的凝固形核

教學目標：掌握凝固熱力學原理，會對比分析均質(zhì)形核和異質(zhì)形核的臨界形核半徑和臨界形核功

根據(jù)教學目標，我們選擇如下案例：以煉鋼過程為例，純Fe靜態(tài)凝固過程臨界形核半徑和臨界形核功的計算，不銹鋼凝固過程臨界形核半徑和臨界形核功的計算，對比分析兩者的異同。

將案例發(fā)布給學生，同時發(fā)布以下任務，引導學生學習本章節(jié)知識點。

任務1：從熱力學角度分析液態(tài)金屬的形核條件？

任務2：從表面能和體積能分析均質(zhì)形核的條件，并推導出臨界形核半徑公式。

任務3：從表面能和體積能分析異質(zhì)形核的條件，并推導出臨界形核半徑公式。

任務4：對比分析均質(zhì)形核和異質(zhì)形核的相同點和不同點。

在課堂中，讓學生回答所列任務點問題，教師針對學生回答進行歸納總結(jié)答疑，完整呈現(xiàn)出所涉及的課程知識點。

在這個過程中，學生的認知過程是從理論到實踐，再從實踐回歸理論的過程，最終實現(xiàn)了學生對課本知識點的充分吸收和消化，顯著提高課堂教學效果和學生自學能力。

3.4 改進課堂考核機制，建立全過程課堂評價體系

加大平時課程的考核力度，考慮學生在學習實踐過程中的各個環(huán)節(jié)，消除對最終考試成績等知識掌握最終評價指標的依賴性，建立學生學習過程的全方位評價。將平時成績比例由30%提高至40%，除了常規(guī)的出勤情況、平時作業(yè)納入平時成績外，還要充分考慮對學生進行過程與方法、實踐與態(tài)度的評價，如表達與交流能力、自學與思考能力、與老師的溝通能力等。其中，常規(guī)的出勤情況、平時作業(yè)占比20%，過程評價占比20%。全過程評價需要從學生的課前預習、課堂互動、課后交流等方面進行評價。全過程評價體系的建立可以讓學生充分真正地融入課堂中，讓學生有真正的參與感和較強的體驗感，而不僅僅是坐在講臺下的一個被動的接受者。這不僅有助于教師和學生之間建立一種良好的關(guān)系，還可以很好地鍛煉學生的整體素質(zhì)。

期末考試占比60%，主要側(cè)重材料成型原理基礎知識的考查。然而，目前的考試方式是考試前老師畫重點，學生按照范圍復習，即使平時不認真聽講的學生也能順利通過考試，這一現(xiàn)象嚴重打擊了部分上課認真聽講的學生的積極性。因此，在考試試題的設置上，必須將試題的靈活性、多變性及綜合性體現(xiàn)出來，讓學生能夠活學活用。

4 結(jié) 語

材料成型原理是材料類專業(yè)必修的主干課程，在新工科背景下建立新型的教學體系已勢在必行。通過對課堂教學、實踐教學和考核方式的改革，調(diào)動和激發(fā)學生學習的主動性和積極性，為學生奠定堅實的專業(yè)理論基礎，同時培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識，不斷提升教學質(zhì)量，是新工科建設下培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要途徑。