新工科建設背景下“材料失效分析”的教學思考

何秦川，賈若男

（成都理工大學材料與化學化工學院，四川 成都 610059）

“新工科”建設是基于國家戰(zhàn)略發(fā)展需求的高等教育改革方向，強調對傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級改造，注重人才的全面發(fā)展和學科的交叉融合[1]。成都理工大學材料科學與工程本科專業(yè)作為得到中國工程教育認證的專業(yè)，為更好培養(yǎng)滿足工程教育認證目標的專業(yè)工程技術人才，積極推動專業(yè)學科順應教育現代化的潮流，應該對專業(yè)內各主要學科進行系統(tǒng)、持續(xù)地教學改革思考和建設[2-3]。

“材料失效分析”是成都理工大學材料科學與工程本科專業(yè)金屬方向的一門必修課程，是一門不斷發(fā)展、多學科交叉的綜合性學科，在對基礎材料的制備、新材料的設計研發(fā)、安全生產培訓、事件預防預測、事故責任認定等方面有著重要的科學意義和社會效益。該課程共2學分，32學時。在先修完“材料科學基礎”“材料工程基礎”“材料物理性能”“材料力學性能”“材料測試技術與研究方法”共5門課程后，該課程在大三第二學期開課。課程支撐了2個畢業(yè)要求，分別是指標點2-3，即能夠應用文獻研究和專業(yè)知識綜合分析復雜工程問題和指標點4-2，即能夠基于專業(yè)知識，針對材料設計與制備、材料應用過程中的復雜工程問題，選擇合適的研究手段和方法。其課程的教學目標是通過講授機械零件常見的失效形式、失效原因及失效分析的思維方法和技術，使學生掌握失效分析的基本知識，掌握應用文獻研究和專業(yè)知識綜合分析與判斷失效形式、失效原因，并能夠基于專業(yè)知識，選擇合適的研究手段和方法，分析解決材料失效復雜工程問題和提出預防措施的初步能力。本文以“材料失效分析”這門課程為例，根據目前教學現狀與存在的問題，從教學改革目的、教學改革內容以及教學改革方法等方面進行了思考[4]。

1 “材料失效分析”教學現狀與存在的問題

“材料失效分析”又被稱為“金屬界的福爾摩斯”，它是經過觀察失效現象，根據失效模式，通過分析和驗證，模擬重現失效現象，找出失效原因，挖掘失效機理的過程。所以“材料失效分析”的學習不只是單純的理論學習，更應注重實際案例的解剖分析。然而長期以來，相當多高職院校在處理教學三要素（學生、教師、教學內容）的相互關系時主次不夠明確。課堂作為學習場所應，是激起大腦風暴的地方，而實際中的課堂大多沉默寂靜，不夠活躍，教師過分強調自己在課堂上的主導作用，而作為課堂教學主體的學生往往不能被足夠重視，教師與學生對教學內容缺乏有效交流；知識的傳授往往局限于教材和教學課件，極少有配套試驗和現實分析案例，使學生缺少對這門課程的感性認識，不益于學生對學習內容的直觀了解，也不益于調動學生的學習積極性。更為重要的一點，高等教育在很大程度上強調自由學習與生活，這里的自由本應指氛圍自由、思想發(fā)展、敢于批判、超越的一種學習生活狀態(tài)，而相當一部分學生實際表現出的“自由”是行為自由、身體放松的一種享樂狀態(tài)。究其原因可能是這些學生在高考前的學習生活中接受教師管束、家長監(jiān)督，久而久之自身不具備學業(yè)規(guī)劃和自主學習能力。而傳統(tǒng)的考核制度僅限于對一些教材知識的考核，教師講解和劃定考試范圍，給了學生臨時抱佛腳的機會，學生更關注的是考試能否通過而不是掌握知識的程度，不能體現出教學效果。這些既存問題包括但不限于“材料失效分析”這門課程。在“新工科”建設背景下，為了符合國內高等教育不斷提升人才培養(yǎng)目標要求，結合智慧教育時代下不斷涌現的新技術，從本校現有教學條件出發(fā)，積極探索專業(yè)學科教學改革新出路[5-6]。

2 教學改革的目標

教學目標是教學過程不可或缺的組成部分，體現了教學單位的育人理念。教學目標包括3個維度，分別是知識與技能目標，即“什么是值得學習的”或關于“是什么”的目標；過程與方法目標，即關于“怎樣習得特定的知識與技能”的目標；意義與價值目標，即“通過此過程習得特定的知識與技能對學生有何意義”的目標。

根據“新工科”建設背景的要求，明確教學主體，以學生為中心，以培養(yǎng)綜合創(chuàng)新型人才為目的，結合本校現有教學條件和學生基礎素養(yǎng)，制定了以下三維目標：①知識與技能目標。讓學生在熟練掌握“材料失效與分析”課程知識的同時能夠對失效分析產生濃厚的興趣，并能達到一定的現實運用水平。②過程與方法目標。以課后實踐分析作業(yè)為例，通過小組研究討論，收集、共享信息，培養(yǎng)學生的信息搜集能力和解決問題能力，即在課堂學習基礎上，通過查詢學校圖書館資源、網絡平臺和專業(yè)書籍等途徑完成對知識框架的梳理。③意義與價值目標。通過教師講解、興趣引導、小組合作、具體問題考核等方式，培養(yǎng)學生誠實守信、積極探索、互幫互助、敢于挑戰(zhàn)的精神。

3 改革教學內容

目前，成都理工大學材料科學與工程本科專業(yè)金屬方向”材料失效分析“課程采用的主要教材是由哈爾濱工業(yè)大學出版社出版、劉瑞堂主編的《機械零件失效分析與實例》一書，補充教材為由北京機械工業(yè)出版社出版、孫智主編的《失效分析基礎與運用（第二版）》一書和由機械工業(yè)出版社出版、胡美些主編的《金屬材料失效分析基礎與應用》一書。其中，主要教材的教學內容包括失效與失效學的背景、意義，機械零件失效形式及診斷，材料零件失效原因概述，常見失效形式及特征和診斷，失效分析的思路與方法，裂紋與斷口分析，材料、設計、工藝等因素引起的失效等。教材通過失效分析的基本知識和常見失效形式的規(guī)律、失效判據及診斷技術，失效分析的思路和處理問題的程序、方法及裂紋斷口和材料冶金因素的影響，系統(tǒng)地介紹了機械零件的各種失效形式、失效原因及失效分析的思維方法和技術。不足之處是書中雖有大量的理論知識和描圖實例講解，但是缺少真實圖例，使學生對具體實例的分析缺少直觀的認識。同時注意到，本課程共32學時的理論課程，實驗課程的學時為0，這就意味著學生對課程內容的認知完全依賴于教材，這樣很難達到對知識的理解，更不用說運用復雜工程問題和提出解決方案。再者，本教材內容共有8個章節(jié)，分配在32學時完成教學，則每個章節(jié)只有4學時的教學時間，前面提到失效分析是一門交叉性的綜合類學科，涉及到的理論知識多且雜，教師很難在這么短的時間內將教學內容講解得細致完備，學生也很難將抽象的理論知識學習透徹。

根據以上幾點，提出如下教學內容思路：①側重點。“材料失效分析”綜合性較強，需要大量的理論知識提供支撐，且教材內容繁雜，理解記憶難度較大。教學過程中應適當刪減部分教學內容，突出側重點，由易到難、由淺入深講解，讓學生深刻理解失效分析的基礎理論知識，分析思路與方法。②做實操。實驗是一種直觀的教學手段，通過實踐操作可以幫助學生理解理論知識。相對于枯燥、抽象的理論知識，它可以使學生更輕易地掌握教學內容。因此擬對課程內容側重點進行改變后，增加8學時左右的實驗課程。③加實例。對于有些實驗，若現有教學條件達不到，可以通過圖像、影視、文印等演示形式向學生展示一些工程作業(yè)中的實際案例。

4 改革教學方法

4.1 分組討論結合讀書指導法

該法是一種具體的、綜合性的實施方法，其內在意義是將教學的理論知識鏈接到小組任務中。學生們分組選題，根據查閱教師推薦的圖書、期刊、文獻，經過組內討論研究，最后對具體問題作出匯報或講解。例如，學生分組討論“曲軸疲勞斷裂失效”這一問題，通過對斷裂失效曲軸的案例圖片的研究，觀察分析斷口宏觀形貌，對斷裂面做出工圖描述和應力分析；查閱資料，找到最初裂紋源，分析失效原因，是材質不良還是加工不當引起的失效；針對原因對制件做出改善提案，如何盡可能避免同一問題再次發(fā)生以及預防預測其他問題；最后組內選定一名學生進行匯報。這種教學方法可以改善傳統(tǒng)講授法教師過分主導課堂教學的局面，使學生積極參與到課堂教學內容的學習和思考中，將教學方式從教師主動“教”向學生主動“學”轉變。而且這種教學方法可以鍛煉學生的學習和分析能力，學生通過完成一系列小組課題，經過信息收集、知識梳理、問題分析等過程，既系統(tǒng)地梳理了知識體系，又提高了其分析問題、解決問題的能力。

4.2 多媒體教學法

“材料失效分析”是緊密聯(lián)系實踐的課程。但因現實教學條件的限制，學生沒有直接接觸工程問題的機會，所以，多媒體教學在教學內容的補充方面就顯得尤為重要。值得注意的是，多媒體教學手段已經覆蓋了高校幾乎所有課程，但是如何利用好多媒體進行教學是個值得仔細思考的事情。多媒體教學不是教學內容的平鋪直敘，應意識到形式是服務于內容的，所以教師在制作或選取多媒體課件的時候應當考慮課件是否簡明扼要、突出重點；是否能夠引起學生對問題的思考，而不是單純進行理論知識陳述；是否能夠圖文搭配合理，字體字號協(xié)調；是否過分花哨，使學生難集中注意力。同時應當將板書和多媒體課件結合起來，合理調節(jié)教學節(jié)奏，避免學生沉迷于課件形式。激勵學生積極參與到課件的制作過程和操作過程中，會極大改善課堂效果，學生參與意識空前高漲，對學習到的知識自然會記憶深刻。

4.3 網絡教學平臺法

隨著網絡信息技術的快速發(fā)展，網絡成為人們交流溝通、協(xié)同工作、共享資源的重要平臺。在2020年新冠疫情爆發(fā)期間，全國范圍內網絡教學興起，學生可以在中國大學MOOC、超星學習通等網絡教育平臺搜索到大量免費學習資源。由于學生們對學習內容的接受程度不同，有些學生也不愿意線下請教教師學生，這就可能導致教學效果參差不齊，因此教師可以提前上傳教學課件，學生可以提前預習或課后對不懂的問題進行重點學習。充分利用網絡教學資源，既可以節(jié)省搜集學習資料的時間，又可以極大提高師生之間的交流。

5 改革考核方式

課程考核是課程教育的重要組成部分，是檢驗學生對所學課程知識的掌握程度以及運用能力的手段，也是衡量教學效果的標準[7]。考核方式分為閉卷、開卷、口試、文獻綜述、調查報告等方式方法。一般必修課程的考核方式為“平時成績+期末成績”的加權得分，其中期末成績是主要部分；選修課程側重考察平時表現，也有“平時成績+期末成績”的模式，其中平時成績占比例更高。傳統(tǒng)的考核方式例如“材料失效分析”的閉卷期末考核，由于學科特性，用于分析的理論知識偏向記憶性，這就給了學生考前突擊、臨時抱佛腳的機會，他們只需在期末取得高分數就可以通過考試。而這些短期突擊記憶得來的內容，浮于表面，達不到教學要求。蔡元培在1917年北大就職演講中說：“平時則放蕩冶游，考試則熟讀講義，不問學問之有無，惟爭分數之多寡；試驗既終，書籍束之高閣，毫不過問，敷衍三四年，潦草塞責，文憑到手，即可借此活動于社會，豈非與求學初衷大相背馳乎？光陰虛度，學問毫無，是自誤也。”由此看出，這種平時不學，最后突擊的學習方式不是特定時期的問題，它長期存在于各個高校的各個學科。為了改變或者改善這種局面，真正培養(yǎng)學生，除了對教學內容、方法進行改革，考核制度的革新也至關重要。

以“材料失效分析”課程為例，根據學科特性、教學現狀以及教學內容、方法改革后的預期效果，提出如下改革思路：①調整期末考核內容。期末考核應重點突出學生對于問題的思考，考核內容摒棄對教材內容的直述，出題時緊密結合實際問題。②調整課程考核模式。結合教學內容、方法改革，適當降低期末考核權重。按照“平時+小組匯報+實驗操作+期末考核”模式考核，其中平時成績包括出勤、課堂問答等，占25%；小組匯報占20%，實驗操作占25%，期末筆試考核占30%。

6 總結與展望

通過對“材料失效分析”課程的教學內容、教學方法和考核內容的教學改革，有效提高了學生的學習效率、積極性和參與感，也極大提高了教師的教學效率。但教學改革是一個持續(xù)、發(fā)展的過程，在后續(xù)的教學實踐中，還要積極發(fā)現問題、提出對策、解決問題，努力推進教學水平全方位、多層次的發(fā)展。鼓勵學生積極參與課題研究和線下實習，產研結合、創(chuàng)新發(fā)展，為培養(yǎng)高素質的社會人才貢獻力量。