構建《機械工程材料》高效課堂的幾點建議

王清周,閆殿然,孫繼兵,武建軍

(河北工業(yè)大學材料科學與工程學院,天津 300130)

構建《機械工程材料》高效課堂的幾點建議

王清周,閆殿然,孫繼兵,武建軍

(河北工業(yè)大學材料科學與工程學院,天津 300130)

本文針對《機械工程材料》教學中存在的具體困難和不足,結合教學實踐對如何提高《機械工程材料》的課堂教學效果提出了一些實用的方法和建議。

教學效果;學習興趣;多媒體;實踐;課堂演示

《機械工程材料》是機械制造與設計類專業(yè)的技術基礎課,是制定選擇材料及制定熱加工工藝的重要依據。學習本課程的目的是使學生對金屬材料的化學成分、組織結構與性能之間的關系及其變化規(guī)律建立比較系統(tǒng)的理論基礎,從而掌握強化材料的幾種手段、掌握合理選用金屬材料、選擇熱加工工藝、安排工藝流程的基本知識,基本技能。該課程具有“三多一少”的特點,即內容頭緒多(含金屬學與熱處理工藝、金屬材料、非金屬材料等),原理規(guī)律多(涉及原理規(guī)律幾十個),概念定義多(涉及概念定義三百多個),理論計算少(除相對量計算外,基本沒有計算的內容)[1]。另外該課程大量涉及材料的微觀結構,內容抽象、繁雜而難于理解和掌握。龐雜的課程內容與有限的授課學時形成明顯反差,給教學帶來了困難。因此,教師如何利用有限的時間,提高課堂教學效果,使學生很好地掌握、理解該課程,是一個值得探討的課題。筆者根據自己及同行的教學經驗和教學實踐,總結了一些教學方法,愿與各位同行教師共同探討。

一、講好緒論課,激發(fā)學生的學習興趣

緒論課是一門課程的開端,而“良好的開端是成功的一半”,講好緒論課對于整門課程的學習都將會有事半功倍的效果。愛因斯坦曾經說過:“興趣是最好的老師”。著名物理學家楊振寧亦說過:“成功的真正秘訣是興趣”?？梢?學生在課堂中的學習興趣是構成學習動機中最現實、最活躍的成分,講好緒論的首要任務就是要成功激發(fā)學生對本門課程的學習興趣。緒論的講述可以從冶煉的歷史及我們的祖先在金屬材料使用和熱處理方面的杰出貢獻講起,如可列舉秦始皇兵馬俑二號坑出土的青銅劍,介紹其不可思議的鉻鹽氧化處理工藝(青銅劍表面竟涂有一層厚約10微米的氧化膜,其中含鉻2%。這種鉻鹽氧化處理是近代才掌握的先進工藝)及青銅劍所具有的令人瞠目結舌的韌性(青銅劍被陶俑壓彎超過45度,當150公斤重陶俑移去后依然能夠反彈平直、自然還原)[2]。還可告訴學生我國是最早生產鑄鐵的國家,比歐洲早2000多年,漢朝時熱處理就達到了相當高的水平,有“水與火合為淬,清水淬其鋒”之說。借助這些史料說明我們的祖先早已認識到金屬材料的性能與其成分、工藝流程及其結構之間的密切關系。通過這樣的講述,學生們會馬上對這門課程充滿興趣,并可激發(fā)起他們?yōu)榱烁淖兾覈斍安牧峡萍悸浜笥诎l(fā)達國家而努力學習的斗志,在這種狀態(tài)下去教學,自然可取得良好的效果。

二、抓住主線,融會貫通

教材明確指出:“通過本課程的學習,學生必須掌握材料的化學成分、組織結構、性能、應用及熱處理方法之間的關系及其變化規(guī)律,并具有根據實際情況,正確合理選用工程材料的初步能力”。材料的化學成分及熱處理辦法決定了材料的組織結構,而組織結構決定了材料的性能,進而性能又決定了材料的用途。其中熱處理導致組織的變化是教學中的重點與難點。在教學中對整門課程的內容進行細致分析與歸納,時時不離“化學成分+熱處理→組織結構→性能→應用”這條主線,把看似知識點凌亂的各章節(jié)有機結合起來,幫助學生理清頭緒,將所學知識融會貫通。只有這樣學生才能輕松而又扎實地真正學好這門課程,領悟到本課程知識的本質,收到事半功倍的教學效果。

三、開發(fā)多媒體教學

為了適應當今機械類本科人才的培養(yǎng),隨著《機械工程材料》課程所設計的內容增多,課堂教學學時的減少,傳統(tǒng)“黑板+粉筆”的教學形式在很大程度上已經不能完全滿足教學的節(jié)奏和教學內容的實施,也難于達到課程教學大綱的基本要求。這樣教師在教學中可能會只挑選重點而忽略掉非重點內容,進行不完整教學;或是一味加速教學進程,所講知識點淺嘗輒止,這樣并不能使學生真正掌握多少內容。另外隨著材料科學的迅猛發(fā)展,許多新型材料逐漸在機械行業(yè)里涌現出來,教學內容若仍然僅僅停留在以往的金屬材料方向上,已不能滿足培養(yǎng)新時代機械專業(yè)本科生的要求。對于新型材料,絕大多數的學生幾乎沒有任何的感性認識。正是上述原因,使得機械工程材料課程更加難講難學。對此各高等院校在本課程建設和教學改革中已獲得了一定的成功經驗,普遍開發(fā)了多媒體教學,即充分利用和開發(fā)各種現代化教學設備,集成文字、聲音、圖形、影像、動畫等多媒體技術,使教學立體化,流動化。這樣不僅增加了課堂教學的信息量,使得在有限的時間內教學質量和效率得到了明顯的提高,而且能夠加深學生對課堂內容的理解,提高學生的學習興趣。例如在講金屬的晶體結構時,對于抽象的空間立體結構,學生普遍反應很難想象,通過多媒體技術配以動畫,可將金屬的各種晶體結構清晰地展現在屏幕上,可使抽象、復雜的內容變得可視化、形象化,從而可取得良好的教學效果。

四、重視課堂演示實驗的作用

《機械工程材料》這門課中,一些基本概念和規(guī)律都具有非直觀性的特點,以往的抽象講述,常導致學生對理論不理解,甚至聽不進。因此,教學中盡可能想辦法進行一些演示性實驗,這對于提高學生的學習興趣很重要[3]。如講到金屬結晶的過程時,由于金屬或合金不透明,無法直接觀察其結晶過程,學生由于缺乏直觀認識對于形核和核長大兩個過程的交替進行似懂非懂。考慮到晶體都有共同的結晶規(guī)律,教師在講述這部分內容時可借以觀察其他透明物質如鹽類晶體的結晶,來幫助學生了解金屬結晶的過程。例如,在玻璃片上滴一滴飽和的氯化銨溶液,然后放在投影儀上同學生一起觀察它的結晶過程。隨著液體的蒸發(fā),結晶首先從液滴的邊緣處開始,逐漸向中間擴展。結晶的第一階段是在液滴的最外層形成一圈細小的等軸晶體,然后以這些等軸晶為核心開始向各個方向生長柱狀晶。那些向液滴中心生長的柱狀晶由于容易及時得到液體的補充,發(fā)展較快。晶體除了向液滴中心生長外,在垂直于柱狀晶主軸的方向上還會長出二次、三次晶軸,形成了典型的平面柱狀樹枝晶。隨著結晶過程的進行,最后在液滴的中心部位形成不同位向的等軸狀樹枝晶。鑄錠的結晶過程和組織與此實驗非常相似。通過這樣一個演示性實驗,可使學生在課堂上注意力高度集中,在饒有興趣之中加深了對金屬結晶規(guī)律及一些重要概念的理解。教師在教學過程中通過這種邊講授理論知識,邊通過實驗演示的方式,使課堂教學由教師傳遞信息為主的過程變成師生共同對信息再加工、接受的過程。這樣可極大增加學生的感性認識、激發(fā)學生的學習興趣,同時可把書本知識和實際事物聯系起來,使學生比較牢固地掌握住課本中的基本理論和規(guī)律,教學效果可得到明顯的提高。

五、加強實踐環(huán)節(jié)

本門課程除了如前所述的“三多一少”的特點以外,其各章、節(jié)的內容雖有共同的金屬學方面的理論基礎,但彼此之間又具有較大的獨立性,如“工業(yè)用鋼”、“鑄鐵”、“有色金屬”等都是各為一章,成分、組織與性能都各不相同。尤其是“工業(yè)用鋼”涉及到了大量的鋼種,每種鋼種又各有其獨特的特點,這對于本科生來講,感覺內容之間似乎聯系不大,較難推理與掌握。該門課的另一特點是,教材內容所涉及的自然科學方面的理論都有較強的實踐性及工業(yè)技術背景。這對于初學材料的大學生來講,由于他們缺乏對材料方面的感性認識,普遍感覺對內容難以想象。金工實習是工科學生一個重要的實踐環(huán)節(jié),但金工實習實際大多只是涉及機械加工部分,而忽略了材料和熱處理部分。對此筆者所在學院在學生們學習本門課程之前,在他們的認識實習中刻意安排了金屬材料及熱處理方面的實習內容,同學們通過實地參觀與考察金材的各種熱處理方式、制成零件的具體過程,對本門課程有了一個基本的感性認識,這就可以使學生們在學習這門課程的內容時容易掌握所學知識,覺得不抽象,而又記得牢固,從而獲得了極佳的教學效果。

六、引用實例激發(fā)學生的學習興趣

著名心理學家皮亞杰曾說:“青少年的好奇心不完全取決于一個東西的物理特性,而要看它和主體的過去經驗的關系如何。”也就是說,學生對貼近自己生活和經驗的內容更易產生興趣。因此,教師上課時應靈活地多引用一些學生們所熟悉的實例,把所學知識直觀化、實用化、興趣化,以刺激他們的學習興趣和求知欲望。比如講到選材問題的時候,可穿插講述巨輪“泰坦尼克號”的沉沒之謎[4]。電影《泰坦尼克號》估計學生們都已看過,在課堂上老師重提此事并從材料學角度去科學分析,學生們自然充滿興趣。20世紀初遠洋客輪“泰坦尼克號”,除了極盡豪華外,還進行了單獨密封,根本不會漏水。當時專家估計,即使發(fā)生不測,如兩船相撞,客輪也只是會單間漏水,而且至少要過兩三天才會沉沒,因此該船號稱是“不沉之船”。然而正是這樣的一艘巨輪卻于首航沉沒于冰海,成了20世紀令人難以忘懷的悲慘海難。船為什么會沉學生們都很好奇。科學家從材料學角度回答了這一問題,“泰坦尼克號”采用了大量高硫鋼板,這種鋼板在低溫時脆性很大?！疤┨鼓峥颂枴弊矒舯胶髮е落摪灏l(fā)生了脆性斷裂,海水大量涌入,致使巨輪迅速沉沒。通過講述這樣的生活中的實例,學生們饒有興趣,并會馬上意識到選材的重要性。這對于激發(fā)學生對這部分專業(yè)知識的強烈求知欲將大有裨益。

七、考核方式的改進

《機械工程材料》課程的傳統(tǒng)考試方式存在嚴重弊端,比如在很多學校學生的總成績都是由平時成績加期末考試卷面成績組成的。而考試題目則主要是由名詞解釋、填空、選擇、原理闡述及Fe-Fe3C合金相圖等需學生死記硬背的片面知識點組成,學生為了應付這樣的考試而背誦的都是相互獨立的“點”,沒有通過理解而連成“線”,對知識的相互關系、相互影響及如何應用所學知識解決具體問題,學生并沒有掌握,而這些恰恰是本課程教學的主要目的之所在,也是學生進入實際生產環(huán)節(jié),當面對如何選材、如何設計工藝路線時所必須掌握的技能。要想達到這樣的教學目的必須對現有課程考核方式進行大膽改革和嘗試。比如可在現有考試形式上加上實踐環(huán)節(jié)的成績,鼓勵學生在實踐中真正開動腦筋,充分利用學過的知識解決實際生產中的問題。另外也可采用“一紙”開卷的形式進行考試,允許學生在一頁紙上將他們認為最重點的內容記下來考試時參考。學生在做這樣的準備時實際上進行的是對本門課程的理順、總結與歸納,這樣對學生抓住本門課程的主線,真正將所學知識融會貫通很有幫助。

總之,“教學有法,但無定法”。在《機械工程材料》這門課程的教學實踐中,教師應采用靈活多變的教學方法,注意激發(fā)學生的學習興趣,在師生的共同努力下必能取得令人滿意的課堂教學效果。

[1]崔占全,高聿為,趙品,荊天輔,付瑞東.工程材料課程教學改革措施及成效[J].教學研究,2005(4):341～343.

[2]尤芳,靳紅玲.《機械工程材料》課程教學方法初探[J].中國科技信息,2008(6):248～249.

[3]謝春生.淺談《機械工程材料》課程教學效果的提高[J].華東船舶工業(yè)學院學報,1999(5):79～81.

[4]劉新妍.如何提高學生對《機械工程材料》課的興趣[J].文化教育,136.

Several Advices for Construct ing Efficient Class in Teach ing the Course ofMechanical Eng ineer ingMater ials

WANG Qing-zhou,YAN D ian-ran,SUN Ji-bing,W U Jian-jun

(School ofMaterial Science and Engineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300130,China)

In view of the actual difficulties and shortages in teaching the course ofMechanical Engineering Materials,combining the teaching practice of the authors some practicalmethods and advice are proposed in this paper for the enhancement of class teaching effect.

teaching effect;learning interest;multimedia;practice;class demonstration

G424

A

1674-7356(2010)01-0029-04

本課題得到河北工業(yè)大學精品課程建設經費及教學改革立項重點項目(編號07008)與09年一般項目的資助。

2009-10-15

王清周(1978-),男,博士,河北工業(yè)大學副教授,主要從事金屬材料及金屬基復合材料方面的科研與教學工作。