現(xiàn)代教育理念和“工程材料及其成形技術(shù)基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革

雷 聲，龔 雪，李 云，吳躍波，楊啟耀

(安徽建筑工業(yè)學(xué)院，安徽合肥230022)

“工程材料及其成形技術(shù)基礎(chǔ)”是高等院校機械、材料等類學(xué)科必修的一門主干技術(shù)基礎(chǔ)課程。作為技術(shù)基礎(chǔ)課程，教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法在多年的實踐中已得到了較好的提煉與升華。但隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，教學(xué)改革與國際接軌，本課程的性質(zhì)也在逐漸發(fā)生變化。

人類社會正從工業(yè)時代走向信息時代，社會的深刻變化，必然導(dǎo)致大學(xué)的教育理念的變化。為了充分體現(xiàn)先進制造技術(shù)、材料科學(xué)與工程、現(xiàn)代信息技術(shù)等學(xué)科的交叉與融合，使理論、實踐與創(chuàng)新結(jié)合在一起，應(yīng)當(dāng)對本課程教學(xué)體系進行改革，使本課程教學(xué)體系更加完整、系統(tǒng)。對本課程教學(xué)體系的改革，筆者從以下幾個方面進行了探索。

1 課程教學(xué)的時代性

本課程的教學(xué)目的在于探討如何將材料應(yīng)用到工程實踐的各個領(lǐng)域中，闡述材料及材料成形技術(shù)的相關(guān)原理。本課程的教師授課應(yīng)理論聯(lián)系實際，結(jié)合學(xué)科前沿，理順教學(xué)內(nèi)容與科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的關(guān)系，教學(xué)內(nèi)容應(yīng)有一定的深度，教學(xué)方式應(yīng)富有啟發(fā)性，有利于學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力的培養(yǎng)。

原課程體系不僅內(nèi)容陳舊，所覆蓋的知識面也相對較?。?］。本課程應(yīng)當(dāng)在總學(xué)時減少，內(nèi)容增加的情況下，改革教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段，使之具有先進性和前瞻性，能體現(xiàn)現(xiàn)代教育思想的發(fā)展趨勢。

中國正在向制造業(yè)大國迅速發(fā)展，材料科學(xué)與工程對國家經(jīng)濟及社會的興旺發(fā)展至關(guān)重要。學(xué)習(xí)本課程時，應(yīng)立足于科技進步和社會發(fā)展，去理解本課程的基礎(chǔ)性和重要性。近幾十年來，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展促進了材料領(lǐng)域的迅速發(fā)展。沒有高純度的半導(dǎo)體材料，就沒有微電子技術(shù);沒有耐數(shù)千度高溫的耐燒蝕材料和涂層材料，人類遨游太空的夢想就無法成為現(xiàn)實。先進材料及先進材料工藝對國家的生活水平、安全及經(jīng)濟實力起著關(guān)鍵性的作用。先進材料是先進技術(shù)的奠基石，當(dāng)材料按特定方式加工時，技術(shù)才得以發(fā)展，才能促成社會進步。先進的材料和工藝方法已成為改善生活質(zhì)量、提高工業(yè)生產(chǎn)率以及經(jīng)濟增長的基礎(chǔ)［2］。

不斷開發(fā)和使用材料的能力是任何一個社會發(fā)展的基礎(chǔ)之一。材料也是處理諸如環(huán)境污染、自然資源的不斷減少和回收利用等一些緊迫問題的工具。材料科學(xué)與工程的一個關(guān)鍵原則——組織結(jié)構(gòu)、性能和加工工藝是緊密相關(guān)的。對應(yīng)用于各個不同工程領(lǐng)域的不同種類的(固體)材料，我們都將介紹材料的結(jié)構(gòu)、性能及工藝之間關(guān)系的重要性。近年來，精確地控制材料的成分和組織結(jié)構(gòu)的加工合成工藝的發(fā)展，使電子設(shè)備和系統(tǒng)的微型化、低能耗成為可能，并帶來了電子技術(shù)革命，生產(chǎn)出了計算機、移動電話和智能手機等產(chǎn)品，并且這一技術(shù)革命將繼續(xù)影響現(xiàn)代生活的各個方面。給學(xué)生講解這些內(nèi)容，有利于學(xué)生認識本課程的重要性。

2 課程改革的主要措施

2.1 課程內(nèi)容的現(xiàn)代化

本課程的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)當(dāng)適合現(xiàn)代社會的需求，因此必需適時更新。課程內(nèi)容的拓展主要體現(xiàn)在教學(xué)內(nèi)容緊密結(jié)合材料科學(xué)及材料成形技術(shù)的前沿，在教學(xué)中，應(yīng)及時借鑒和吸收與本課程有關(guān)的最新科研成果并及時講授給學(xué)生，讓學(xué)生了解本課程國內(nèi)外的最新動態(tài)，以開拓大學(xué)生的知識面。

社會所需要的是既滿足特定性能又符合經(jīng)濟、成形加工和環(huán)境要求的材料。這就要求培養(yǎng)的學(xué)生要面向各類材料、具有材料科學(xué)與材料加工方面比較全面的綜合知識。我們原先使用的教材有很大局限性，原因是它們幾乎主要都是針對某一類材料編寫的，而能夠跨越某種材料類別劃定的界限、能全面反映各類材料知識的高質(zhì)量專業(yè)教材較少。

本課程以材料的成分、工藝、組織和性能的關(guān)系為主線強調(diào)材料學(xué)的共性［3］，國內(nèi)把工程材料一般分成3 類:金屬材料、非金屬材料和復(fù)合材料，或分成4 類:金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料和復(fù)合材料。而國外有些學(xué)者把工程材料主要劃分為:金屬、陶瓷、聚合物、復(fù)合材料和半導(dǎo)體。盡管金屬材料仍是使用量最多的材料，但本課程教學(xué)內(nèi)容應(yīng)當(dāng)涉及材料科學(xué)與工程的廣闊領(lǐng)域，論及各種類型材料，包括金屬、半導(dǎo)體、陶瓷、聚合物以及由這些材料構(gòu)成的復(fù)合材料。尤其是將各類材料有機地融合在一起，全面、系統(tǒng)地論述材料的結(jié)構(gòu)、物理性能(包括磁性、電性、光學(xué)、力學(xué)和熱學(xué)方面的性能)及化學(xué)性能。應(yīng)當(dāng)將金屬材料、無機非金屬材料和有機高分子材料等不同類型材料的共性部分有機地融合在一起，大幅度增加新材料、新技術(shù)、新工藝的內(nèi)容，形成完整的“工程材料及成形技術(shù)基礎(chǔ)”教學(xué)體系。

材料成形部分教學(xué)內(nèi)容也在原來的熱加工(鑄造、鍛造、焊接)基礎(chǔ)上增加快速成形技術(shù)、激光立體成形技術(shù)、陶瓷材料成型加工、高分子材料成型加工等內(nèi)容。

人類社會的未來應(yīng)該建立一種以物質(zhì)閉環(huán)流動為特征的經(jīng)濟，即循環(huán)經(jīng)濟，從而實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展所要求的環(huán)境與經(jīng)濟雙贏(即在資源環(huán)境不退化甚至得到改善的情況下促進經(jīng)濟增長)的戰(zhàn)略目標(biāo)［4］。制造業(yè)的先進制造技術(shù)和生產(chǎn)模式將與社會和環(huán)境融為一體，形成一個面向循環(huán)經(jīng)濟的制造系統(tǒng)。所以，本課程教學(xué)內(nèi)容還應(yīng)當(dāng)涉及材料工程的經(jīng)濟、環(huán)保、再生等問題。材料所處的環(huán)境是必須關(guān)注的因素，因為它對材料的性質(zhì)及其變化的方式有很大的影響。我們知道材料與它們的環(huán)境之間有很多相互作用的方式，比如腐蝕機制、紫外線對聚合物的降解以及對材料性質(zhì)產(chǎn)生負面影響等。我們不僅要關(guān)注環(huán)境對材料的影響，也應(yīng)關(guān)心材料對環(huán)境的影響，關(guān)心由污染和循環(huán)使用所引起的問題。機械和材料工程師在尋找一種既能滿足各項特定的性能又能滿足經(jīng)濟、加工和環(huán)境要求的材料時，將要考慮到各種材料。

2.2 不斷開拓新的教學(xué)資源

為了獲得一流的教學(xué)效果，我們在原有教學(xué)基礎(chǔ)上不斷開拓新的教學(xué)資源，對教學(xué)內(nèi)容、實物照片、動畫和視頻資料都進行了大幅度擴充，形成了立體化教學(xué)模式。本課程基本素材庫內(nèi)容多達4G 左右，課程內(nèi)容非常豐富，插圖如彩色金相顯微組織的圖譜，包含了大量國外原版同類教材上的插圖、照片、Flash動畫和近百段教學(xué)視頻等資料。這些內(nèi)容既直觀、形象、生動，又節(jié)省教師的講解時間，同時也加深了學(xué)生的理解和記憶，并且可以提高學(xué)生對本課程的學(xué)習(xí)興趣。實物照片來源于相關(guān)電子雜志、國外原版教材、企業(yè)資料，有些則是任課教師自己拍攝的。教學(xué)視頻資料來源于國家精品課程以及各名牌高校精品課程。我們還針對課程的重點、難點，制作出部分知識點的動畫、結(jié)構(gòu)圖、視頻等。

材料成形加工技術(shù)的內(nèi)容與實際生產(chǎn)緊密聯(lián)系，具有很強的實用性，各種加工過程僅靠單純講解很難使學(xué)生弄懂。將材料成形過程的知識通過圖片、動畫、視頻等生動地展示在學(xué)生面前，增強了工程背景知識，拉近了課堂教學(xué)與生產(chǎn)實踐的距離。本課程幾乎所有主要熱處理過程、材料成形過程都有視頻資料，因視頻資料總時數(shù)太多，故上課時僅放映一部分，大部分提供給學(xué)生課外觀看。比如講解鑄造中機器造型的工藝原理和過程，由于過程復(fù)雜，學(xué)生單憑課本中幾幅原理圖在短時間內(nèi)很難理解，用動畫或視頻演示則使學(xué)生非常容易理解和記憶。學(xué)生觀看這些視頻，對實際生產(chǎn)過程會有所了解，從而較容易建立起完整的材料成形加工的概念。

傳統(tǒng)和現(xiàn)代的2 種教學(xué)方式可以揚長避短、相得益彰。最近高等教育出版社和機械出版社出版的工程材料及成形技術(shù)方面的教材，對教學(xué)內(nèi)容進行了更新，在精選傳統(tǒng)加工工藝方法的基礎(chǔ)上，較大篇幅地引入現(xiàn)代材料成形技術(shù)和材料成形工藝自動化等學(xué)科前沿領(lǐng)域的最新成果。教師應(yīng)對本專業(yè)有豐富的實踐經(jīng)驗，并且授課時要結(jié)合自身的科研成果，多講實際應(yīng)用例題，給學(xué)生留下深刻的印象。

2.3 教學(xué)改革與國際接軌

美國麻省理工學(xué)院等國外名校的優(yōu)質(zhì)開放教育資源對擴展人們的知識面、提高個人素質(zhì)、傳播和共享社會知識、推動高等教育的全球化等方面做出了重要貢獻。發(fā)達國家對于開放課程資源的項目建設(shè)和應(yīng)用研究已經(jīng)積累了許多成功經(jīng)驗［5］。網(wǎng)絡(luò)是教師和學(xué)生獲得國內(nèi)外本專業(yè)和課程教學(xué)資源的重要工具。

為了適應(yīng)時代的發(fā)展，實現(xiàn)與國際接軌，本課程在教學(xué)內(nèi)容上還參考了國外幾本最新的同類教材，內(nèi)容全面、新穎，授課時可使學(xué)生了解國外教材的體系和內(nèi)容。通過幾年的努力，我們吸取了發(fā)達國家同類課程的經(jīng)驗，對教學(xué)內(nèi)容進行優(yōu)化整合，逐漸形成新的并符合我校師生的教學(xué)內(nèi)容體系。

通過選用合適的外文原版教材和資料，引進國外先進的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，可以加快傳統(tǒng)課程的現(xiàn)代化改造步伐。本課程參考教材主要選用英文教材《the Science and Design of Engineering Materials》(James P.schaffer 等著)，該英語原版教材結(jié)合了很多在機械、航空、電子及化工等領(lǐng)域的技術(shù)進步的最新案例，可有效避免我國教材內(nèi)容陳舊等問題，并充分體現(xiàn)了材料、機械、控制、管理與計算機等學(xué)科之間的交叉和融合。

本課程在教學(xué)中還把國外原版教材或外文資料作為課外讀物推薦給學(xué)生，多媒體課件中對所有重要概念、詞匯均用中、英2 種文字進行描述，課程的部分板書和大部分講解均為英語，在該課程結(jié)束時，參加學(xué)習(xí)的學(xué)生已經(jīng)具有相當(dāng)強的工程材料領(lǐng)域外文資料閱讀能力。目前國內(nèi)有很多企業(yè)使用進口鋼材，講授鋼鐵材料時，課件中還包括中、美、俄、日、德鋼材對照表，在給學(xué)生講授國內(nèi)鋼材的品種和類別的同時還講授各國鋼材分類編號的基本原則。

2.4 案例教學(xué)

案例教學(xué)作為一種教學(xué)方法在國外已有悠久的歷史，而在我國的課程教學(xué)中采用還不普遍［6］，研究它有助于彌補傳統(tǒng)教學(xué)方法的缺陷、提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。所謂案例就是為了一定的教學(xué)目的，圍繞選定的一個或幾個工程問題，以實際過程為素材對某一實際問題的客觀描述。

我們把“挖掘機的設(shè)計”這個案例作為一個主線貫穿整個教學(xué)過程。在教學(xué)內(nèi)容的相關(guān)部分(基本原理、微觀結(jié)構(gòu)演化、材料選擇和功能設(shè)計)，都涉及到與挖掘機設(shè)計有關(guān)的幾個材料問題，這些問題只能用該部分闡述的概念來理解。這種教學(xué)方法使學(xué)生能夠做到先見森林后見具體的樹木。所討論的案例也使我們能夠?qū)⒋蠖鄶?shù)學(xué)生已經(jīng)熟悉的課程內(nèi)容中的各個重要知識點聯(lián)系起來。對于多數(shù)學(xué)生而言，案例研究能幫助他們理解教材內(nèi)不同知識點的關(guān)系，能使他們把全部內(nèi)容和知識點“貫穿成一個整體”。

教師在授課時不僅應(yīng)把本專業(yè)的基礎(chǔ)知識、最前沿的技術(shù)發(fā)展動態(tài)講授給學(xué)生，更重要的是將如何進行創(chuàng)新性思考和怎樣尋求解決問題的方法傳授給學(xué)生。在課程教學(xué)中，通過一些實際例子將前章節(jié)所介紹的原理與實際應(yīng)用結(jié)合起來，以解決實際生活中那些基于材料的工程問題。因而，教學(xué)中引入的每一個概念，教師應(yīng)盡力為學(xué)生介紹他們所熟知的技術(shù)方面的重要應(yīng)用。在多數(shù)情況下，教師從描述一個熟悉的事件開始討論主題，然后就為什么會發(fā)生那樣的結(jié)果提出問題。這種方法啟發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)，使他們能夠?qū)局械母拍罴由罾斫?，增強學(xué)生解決問題的能力，在這個過程中使他們對學(xué)習(xí)產(chǎn)生興趣。課前先給出綜合性的分析題，課上讓學(xué)生各抒己見、廣開言路，課堂氣氛十分活躍。

解決一個具體的問題，如材料選擇問題，需要學(xué)習(xí)、了解材料領(lǐng)域的知識。如果學(xué)生能通過他們經(jīng)歷過的應(yīng)用和例子來不斷地充實、強化自己，他們就能更好地理解材料和工程的理論。教師還可通過生活中有趣的情景為學(xué)生介紹課程中的重要思想。通過剖析更貼近現(xiàn)實情況的具體案例，讓學(xué)生把所學(xué)的理論知識運用于現(xiàn)實的“實踐活動”中，以提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析和解決實際問題的能力。

教材中的概念和基本原理是固定的，是很難更改的，而那些開放的設(shè)計型問題，是沒有所謂的“唯一正確答案”的，學(xué)生們可以放開想象，提出有效的解決方案和“正確”的答案。筆者認為，大多數(shù)工程問題都有多個合理的解決方案，并且還必須考慮到環(huán)境和經(jīng)濟性。在大多數(shù)情況下，一種材料的選擇是一個反復(fù)權(quán)衡的復(fù)雜過程，對給定的問題極少有唯一的“正確”答案。對一個挑選材料的問題，通常有多個“正確”的答案，實際工作中必須在研究幾個可行的方案后作出最后選擇，如汽車油箱材料，采用鋁合金、不銹鋼、工程塑料都可以認為是合適的選擇。通過解決這些綜合性設(shè)計型問題，有益于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力。

3 結(jié)束語

為了適應(yīng)21世紀(jì)人才培養(yǎng)的需求，本課程在內(nèi)容和課程體系上作了較大的改革和創(chuàng)新，但好的效果還需經(jīng)過多次教學(xué)實踐驗證才能得以實現(xiàn)。以后應(yīng)當(dāng)進一步對課堂教學(xué)的內(nèi)容、方式、方法進行探索，提出更加有效的實施方案。構(gòu)建一個具備現(xiàn)代材料科學(xué)發(fā)展的時代特征，以現(xiàn)代教育思想為宗旨的新型“工程材料及其材料成形技術(shù)基礎(chǔ)”課程教學(xué)體系。

［1］孫康寧，李愛菊.工程材料及其成形技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:高等教育出版社，2009:1－31.

［2］陳培里.工程材料及熱加工［M］.北京:高等教育出版社，2007:1－3.

［3］龐國星.工程材料及其成形技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2005:1－5.

［4］李健，顧培亮.論循環(huán)經(jīng)濟的制造業(yè)技術(shù)選擇與保障措施［J］.現(xiàn)代財經(jīng)，2001，21(4):35－39.

［5］楊進中，張劍平.國外開放課程平臺及課程開發(fā)模式研究［J］.中國電化教育，2012，303(4):80－87.

［6］張家軍，靳玉樂.論案例教學(xué)的本質(zhì)與特點［J］.中國教育學(xué)刊，2004，1(1):48－50.