強(qiáng)化工科生綜合能力

張梅　張恒華　衛(wèi)品官　楊弋濤

摘要：本文從金屬材料工程專業(yè)本科生課程的案例教學(xué)探索中發(fā)現(xiàn)，恰當(dāng)運(yùn)用案例教學(xué)對(duì)理論實(shí)踐結(jié)合的促進(jìn)作用顯著。以亞溫淬火工藝為例，在講解基礎(chǔ)理論知識(shí)后，引入雙相鋼的案例，展開(kāi)鋼種的成分設(shè)計(jì)思路、工藝路線設(shè)計(jì)、組織性能特點(diǎn)、成形特性、焊接特性研究、目前成果和應(yīng)用現(xiàn)狀等的詳細(xì)介紹，教學(xué)中的提問(wèn)環(huán)節(jié)、討論環(huán)節(jié)、分析環(huán)節(jié)，環(huán)環(huán)相扣、層層遞進(jìn)，促使學(xué)生學(xué)習(xí)興趣大漲。經(jīng)驗(yàn)表明：案例教學(xué)有助于顯著提升金屬材料工程專業(yè)本科學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主動(dòng)性，促進(jìn)工科生的工程實(shí)踐和綜合應(yīng)用能力。

關(guān)鍵詞：案例教學(xué)；工程實(shí)踐；綜合能力

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）16-0025-02

我國(guó)已經(jīng)連續(xù)多年全球鋼鐵產(chǎn)銷第一，同時(shí)已連續(xù)7年穩(wěn)居全球汽車產(chǎn)銷第一大國(guó)寶座，如今正在向鋼鐵強(qiáng)國(guó)和汽車強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)。由大變強(qiáng)的過(guò)程迫切需要“創(chuàng)新”，同時(shí)也需要培養(yǎng)專業(yè)人士的“工匠”精神，社會(huì)“創(chuàng)新”與“工匠”精神結(jié)合，可以使得我們的制造強(qiáng)國(guó)之夢(mèng)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。在課程教學(xué)中進(jìn)行這方面的探索我們工科老師責(zé)無(wú)旁貸?！督饘倭W(xué)性能》、《熱處理工藝學(xué)》是金屬材料工程專業(yè)學(xué)生的傳統(tǒng)專業(yè)課?！恫牧吓c熱加工物理模擬技術(shù)》課程是我校于2010年后開(kāi)設(shè)的本科生專業(yè)選修課。在工科學(xué)生的培養(yǎng)過(guò)程中，教學(xué)方法方面始終存在是否接地氣并有所創(chuàng)新、能否真正提高學(xué)生綜合素養(yǎng)的問(wèn)題[1，2]。本文總結(jié)《金屬力學(xué)性能》、《熱處理工藝學(xué)》和《材料與熱加工物理模擬技術(shù)》課程的教學(xué)改革探索經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)案例教學(xué)結(jié)合實(shí)踐機(jī)會(huì)的鍛煉，有助于幫助學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，顯著提升金屬材料工程專業(yè)本科學(xué)生的綜合能力，使得工科生有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。從2011年開(kāi)始我們教學(xué)團(tuán)隊(duì)就探索結(jié)合教師自身應(yīng)用研究課題的成果和經(jīng)驗(yàn)，案例教學(xué)與實(shí)踐相結(jié)合，以全新教學(xué)方式探索提升工科生綜合能力的教學(xué)改革嘗試?！督饘倭W(xué)性能》、《熱處理工藝學(xué)》和《材料與熱加工物理模擬技術(shù)》課程教學(xué)改革的嘗試正好契合了培養(yǎng)本科生在實(shí)踐中“創(chuàng)新”，并在細(xì)微處培養(yǎng)工科生“工匠”精神的目標(biāo)。

一、主要教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)

以《材料與熱加工物理模擬技術(shù)》課程為例，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程檢測(cè)技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代物理模擬作為一門新興技術(shù)已引起世界各國(guó)科學(xué)界和工程界的廣泛關(guān)注，應(yīng)用的范圍迅速擴(kuò)大，并已成為21世紀(jì)材料研究的主要方法和手段。課程主要介紹物理模擬技術(shù)的基本原理和特點(diǎn)，綜述國(guó)際國(guó)內(nèi)在物理模擬試驗(yàn)裝置的發(fā)展歷程，以及全球在物理模擬技術(shù)應(yīng)用與交流方面所開(kāi)展的工作，并針對(duì)我國(guó)物理模擬技術(shù)領(lǐng)域存在的問(wèn)題，對(duì)今后研究發(fā)展的方向進(jìn)行展望和建議。課程建設(shè)中，教學(xué)團(tuán)隊(duì)注重理論與實(shí)踐的緊密結(jié)合，同時(shí)結(jié)合教師自身應(yīng)用研究課題的成果和經(jīng)驗(yàn)，將典型案例滲透進(jìn)課堂教學(xué)的各環(huán)節(jié)，并適當(dāng)給以學(xué)生實(shí)踐的機(jī)會(huì)，讓學(xué)生初步了解諸如材料高溫性能測(cè)試分析、鋼板連續(xù)退火模擬研發(fā)汽車先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板新品種、材料高溫動(dòng)態(tài)相變特性研究、材料熱變形中的形變?cè)俳Y(jié)晶過(guò)程和組織演變規(guī)律研究、材料的高溫脆性和形成機(jī)理、材料的焊接模擬研究等物理模擬技術(shù)應(yīng)用相關(guān)的內(nèi)容等方方面面。通過(guò)課程學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)各種金屬材料開(kāi)發(fā)過(guò)程和熱加工過(guò)程的物理模擬方法有所認(rèn)識(shí)，對(duì)物理模擬的主要手段、方法、途徑和效果由了解到理解，再到積極參與實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，親自動(dòng)手完成方案，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理與總結(jié)，最終牢牢掌握2～3項(xiàng)最常用的經(jīng)典物理模擬技術(shù)和研究方法。

二、教學(xué)各環(huán)節(jié)的案例滲透

進(jìn)入21世紀(jì)，汽車鋼研發(fā)的工作主要集中在開(kāi)發(fā)新型的高強(qiáng)度鋼，為超輕型車身計(jì)劃配套的新型鋼板，如雙相鋼（DP）、相變誘發(fā)塑性鋼（TRIP）、復(fù)相鋼（CP）、鐵素體貝氏體鋼（FB）、高擴(kuò)孔鋼（HE）、孿晶誘發(fā)塑性鋼（TWIP）、淬火配分（Q&P）鋼、馬氏體鋼（Mart）等。超高強(qiáng)度汽車板中的一些新品種，如Q&P、TWIP鋼、第三代汽車用鋼等，還正在不斷開(kāi)發(fā)、優(yōu)化和推廣應(yīng)用中。在象牙塔里的本科生對(duì)以上這些新品種鋼種卻缺乏關(guān)注或知之甚少。通過(guò)課程學(xué)習(xí)，結(jié)合案例，讓學(xué)生耳目一新，興趣高漲，進(jìn)入一個(gè)主動(dòng)學(xué)習(xí)材料研究方法和應(yīng)用技術(shù)的狀態(tài)。

教學(xué)中，教學(xué)團(tuán)隊(duì)注重理論實(shí)踐的緊密結(jié)合，可將如下案例引入教學(xué)中。

1.亞溫淬火案例與輕量化材料雙相鋼?！稛崽幚砉に噷W(xué)》之淬火章節(jié)，關(guān)于亞溫淬火技術(shù)，引入汽車輕量化的一大類主導(dǎo)材料——雙相鋼。通過(guò)對(duì)新品種材料的組織設(shè)計(jì)，設(shè)定亞溫淬火工藝、實(shí)施，觀察材料組織，測(cè)定其力學(xué)性能，最終揭示材料、工藝、組織和性能的變化，分析其演變的規(guī)律。

2.動(dòng)態(tài)CCT案例與熱沖壓技術(shù)。《材料與熱加工物理模擬技術(shù)》課程之材料高溫動(dòng)態(tài)相變特性（動(dòng)態(tài)CCT）研究章節(jié)，以汽車輕量化進(jìn)程中最熱點(diǎn)的熱沖壓鋼應(yīng)用技術(shù)研究為驅(qū)動(dòng)，研究熱沖壓鋼在高溫形變中的相變特性，將方案設(shè)計(jì)、實(shí)施和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析導(dǎo)入教學(xué)，讓學(xué)生了解形變影響材料相變特性的一些規(guī)律和注意點(diǎn)。

3.汽車碰撞案例與安全?！督饘倭W(xué)性能》之金屬的沖擊性能章節(jié)，將汽車碰撞案例引入，結(jié)合汽車碰撞特性評(píng)價(jià)辦法和安全法規(guī)歷史沿革的介紹，讓學(xué)生在震撼人心的血淋淋的畫面引導(dǎo)下開(kāi)始學(xué)習(xí)碰撞相關(guān)的性能指標(biāo)、評(píng)價(jià)方法，并展開(kāi)思索。

4.焊接物理模擬案例。案例4：《材料與熱加工物理模擬技術(shù)》課程材料的焊接模擬研究，結(jié)合汽車先進(jìn)高強(qiáng)度鋼新品種在應(yīng)用中焊接特性研究的需求，通過(guò)應(yīng)用焊接物理模擬技術(shù)，對(duì)材料的焊接接頭可能存在的各溫度區(qū)域（熔融區(qū)、過(guò)熱區(qū)、重結(jié)晶區(qū)、部分重結(jié)晶區(qū)、兩相區(qū)、低溫?zé)嵊绊憛^(qū)、淬火鋼種中的回火區(qū)等）的組織演變和性能展開(kāi)深入的追蹤和分析，揭示接頭各區(qū)性能轉(zhuǎn)變的根本原因是組織演變，控制工藝可以有效控制組織，從而得到良好的接頭性能。

5.連續(xù)退火模擬技術(shù)案例與新鋼種開(kāi)發(fā)。案例5：《材料與熱加工物理模擬技術(shù)》課程之鋼板連續(xù)退火模擬技術(shù)章節(jié)：介紹研發(fā)汽車先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板新品種，結(jié)合作者所在課題組承擔(dān)的國(guó)家科技支撐、“973”和國(guó)家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目的需求，研究開(kāi)發(fā)系列雙相鋼、系列相變塑性鋼、孿晶塑性鋼等新鋼種。一張張非常簡(jiǎn)單的熱處理工藝曲線圖加上一組組材料的金相組織圖片，讓學(xué)生體會(huì)到材料的組織決定性能，了解調(diào)控組織是制備高品質(zhì)材料的關(guān)鍵所在?！白吭焦こ處熃逃囵B(yǎng)計(jì)劃”（上海大學(xué)金屬材料工程專業(yè)）案例教學(xué)的實(shí)踐探索發(fā)現(xiàn)：典型案例的引入讓工學(xué)專業(yè)課程的課堂學(xué)習(xí)氣氛非?；钴S，學(xué)生自主學(xué)習(xí)的動(dòng)力大了，課堂內(nèi)外師生之間、學(xué)生之間的互動(dòng)交流熱烈了，學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的方法和思路也在互動(dòng)與交流中得到極大拓展，將大學(xué)本科生卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃落到了實(shí)處。形成了學(xué)生課內(nèi)全神貫注、交流活躍，課外主動(dòng)花時(shí)間檢索資料、拓寬知識(shí)面的喜人局面。

三、案例教學(xué)與工程實(shí)踐有機(jī)結(jié)合——提升學(xué)生綜合素質(zhì)，培養(yǎng)高素質(zhì)工科人才

《金屬力學(xué)性能》、《熱處理工藝學(xué)》和《材料與熱加工物理模擬技術(shù)》課程以工程材料性能、熱處理工藝、材料制備工藝路線設(shè)計(jì)、連鑄連軋以及控軋控冷工藝的物理模擬等研究為主線，進(jìn)行材料專業(yè)知識(shí)的教學(xué)。引入案例教學(xué)，在講清基本理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，從社會(huì)需求驅(qū)動(dòng)以及一個(gè)個(gè)鮮活的案例中引出問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生探究、討論、交流互動(dòng)，再結(jié)合教學(xué)團(tuán)隊(duì)教師的引導(dǎo)、分析，幫助學(xué)生深入理解基本理論、基本原理，有效提高了學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。經(jīng)過(guò)課程的相關(guān)原理和理論學(xué)習(xí)，結(jié)合一些生動(dòng)的工程應(yīng)用案例，學(xué)生掌握的專業(yè)知識(shí)更牢固，在將所學(xué)的專業(yè)理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)踐中去時(shí)，也產(chǎn)生了非常明顯的效果。案例教學(xué)結(jié)合實(shí)踐教學(xué)探索中的成功案例不少。例如，趙同學(xué)：在本科階段就樂(lè)于實(shí)踐，很早參與到導(dǎo)師所從事的物理模擬技術(shù)應(yīng)用方向的研究當(dāng)中，撰寫的大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目設(shè)想獲得了市級(jí)科技創(chuàng)新項(xiàng)目的支持，主要目標(biāo)是研究新一代汽車先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板的高溫塑性行為和高溫脆性區(qū)的形成機(jī)理，研究含Nb鋼中微量鈦添加對(duì)改善新品鋼種高溫塑性的作用機(jī)制。發(fā)現(xiàn)微鈦的加入有利于阻止在原始奧氏體晶粒的晶界上形成對(duì)高溫塑性非常不利的微細(xì)析出相NbC，鋼種的析出相主要是以NbTiCN顆粒的形式析出，并存在于原始組織中的TiN顆粒上，彌散分布，顆粒的尺寸也相對(duì)較大。這種較大尺寸的彌散析出相對(duì)高溫塑性的不利影響顯著降低。顯示出其理論實(shí)踐兼顧的綜合能力。甘同學(xué)更是案例教學(xué)結(jié)合實(shí)踐教學(xué)探索中的成功案例。本科階段就專注于超高強(qiáng)度汽車用鋼高溫壓縮變形行為研究的他，在實(shí)踐中將物理模擬技術(shù)課程中的理論知識(shí)鞏固并拓展，工科生綜合能力提升的效果在他身上尤為顯著，自己申請(qǐng)獲批的大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目完成得很出色。該同學(xué)直升研究生，在獲知直升消息后，學(xué)習(xí)與實(shí)踐并重，挑起了助研的重任，不斷挑戰(zhàn)新課題和新任務(wù)，開(kāi)動(dòng)腦筋，思索和分析，動(dòng)腦動(dòng)手，率領(lǐng)一眾人馬解決了助研實(shí)踐當(dāng)中不斷遇到的一個(gè)又一個(gè)新問(wèn)題，成為了導(dǎo)師的最得力助手。這些學(xué)生的綜合素質(zhì)已經(jīng)完全符合卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃對(duì)人才培養(yǎng)的目標(biāo)，不辜負(fù)“卓越”二字。

通過(guò)案例教學(xué)結(jié)合實(shí)踐教學(xué)的探索發(fā)現(xiàn)，兩者有機(jī)結(jié)合對(duì)有效強(qiáng)化工科生綜合能力的效果非常好。在理論教學(xué)、案例教學(xué)、學(xué)生實(shí)際動(dòng)手參與工程實(shí)踐、理論實(shí)際緊密結(jié)合中，金屬材料工程本科學(xué)生的綜合素質(zhì)大為提高。

致謝：本文得到教育部“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”（上海大學(xué)金屬材料工程專業(yè)）以及“上海市教委”重點(diǎn)課程《金屬力學(xué)性能》“等項(xiàng)目的資助，在此表示感謝。

參考文獻(xiàn)：

[1]張恒華.教書育人，為國(guó)家培養(yǎng)合格人才[J].上海大學(xué)學(xué)報(bào)（高教科學(xué)管理版），2009，（2）：8-9，19.

[2]張恒華，楊弋濤，張梅.淺談網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的重要性[J].教育教學(xué)論壇，2012，12（44）：208.