工程材料及熱處理課程教學(xué)模式研究

[摘 要] 針對工程材料及熱處理課程特點(diǎn)，從教學(xué)方法、課程綜合實(shí)驗(yàn)及教學(xué)評價體系三個方面進(jìn)行了深入的探討。旨在激發(fā)和調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、綜合應(yīng)用知識的能力，從而明顯提高教學(xué)質(zhì)量。

[關(guān) 鍵 詞] 工程材料；教學(xué)方法；教學(xué)改革

[中圖分類號] G712 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號] 2096-0603（2017）29-0158-02

在機(jī)械設(shè)計制造過程中，正確選擇材料是提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、節(jié)約能源和開發(fā)新產(chǎn)品的重要環(huán)節(jié)，作為一名機(jī)械工程技術(shù)人員，應(yīng)具有合理選材、正確使用材料的能力。工程材料及熱處理（下稱工程材料）主要內(nèi)容包括：材料的結(jié)構(gòu)和性能、各種材料的類型和特點(diǎn)、機(jī)械零件的失效與選材原則、典型工件的選材及工藝路線設(shè)計等。通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以具備根據(jù)機(jī)械零件的主要失效形式、適用條件及性能要求，對結(jié)構(gòu)零件進(jìn)行合理選材并制訂零件加工工藝路線的初步能力。

工程材料課程所涉及的內(nèi)容多且龐雜，知識零碎、概念抽象，理論性、實(shí)踐性、綜合性強(qiáng)[1]，造成課堂教學(xué)中敘述性內(nèi)容多、繁瑣、易懂、難用且課時少，教師難教，學(xué)生難學(xué)，教與學(xué)問題十分突出[2]。

一、課堂教學(xué)方法的改革

教學(xué)過程就是教與學(xué)的過程，是師生的雙向活動，衡量一節(jié)課的好壞不僅看老師怎樣教，還要看學(xué)生怎樣學(xué)；不僅要看老師講了多少，還要看學(xué)生接受了多少。所以，探索教法時，既要研究教師的教法，也要研究學(xué)生的學(xué)法。在課前要充分調(diào)查研究學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)、認(rèn)知能力，以便因材施教。教學(xué)方法的選擇和組合，要同教學(xué)內(nèi)容、學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)及老師自身教學(xué)的能力聯(lián)系在一起，正確靈活地選用合適的教學(xué)手段。在工程材料專業(yè)課的教學(xué)過程中，筆者結(jié)合實(shí)際主要采用以下教學(xué)方法：

（一）實(shí)例教學(xué)法

工程材料課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，學(xué)習(xí)理論知識的最終目的是要靈活應(yīng)用于實(shí)際中，在理論教學(xué)中引入相關(guān)實(shí)例，縮短了理論與實(shí)踐的距離，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望，培養(yǎng)了他們理論聯(lián)系實(shí)際、分析解決工程問題的能力。

例如，在講到?jīng)_擊韌性對材料性能影響時，可引入“泰坦尼克號”輪船斷裂原因分析，一方面引起了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，另一方面使學(xué)生在學(xué)習(xí)知識的同時增強(qiáng)了理論聯(lián)系分析問題的意識；在講到金屬的硬度時，可以舉例：鑒別玉石的真假的案例；講到加工硬化時，先用由學(xué)生彎曲鐵絲，讓學(xué)生感到發(fā)熱和越來越硬的現(xiàn)象，接著說明變形中材料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)的變化，然后讓學(xué)生分析由此帶來哪些性能的變化，以此解釋加工硬化的成因[3]；講到同素異構(gòu)時，可引入沙俄時士兵所領(lǐng)的軍大衣扣子被“貪污”，后被科學(xué)家解釋是因?yàn)殄a具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，由此講解這個知識點(diǎn)就變得容易且有趣了。關(guān)于淬火熱處理工藝的例子更是引人入勝。歷史故事相傳，三國時諸葛亮帶兵打仗，請當(dāng)時的著名工匠蒲元為他的軍隊(duì)制造了3000把鋼刀，蒲元運(yùn)用了“清水淬其鋒”的熱處理工藝，使鋼刀削鐵如泥，從而打敗敵軍。從這個故事可知，淬火的主要目的是為了提高鋼的硬度；講授熱處理工藝路線的擬定時，采用我校學(xué)生金工實(shí)習(xí)的45號鋼的小錘子，可根據(jù)使用要求，給出小錘各部分力學(xué)性能指標(biāo)，制訂小錘的加工工藝路線，設(shè)計熱處理方案，選擇實(shí)驗(yàn)設(shè)備，確定工藝參數(shù)。經(jīng)過這樣的過程使學(xué)生懂得要根據(jù)使用條件來確定使用性能合理選材，要提高生產(chǎn)效率，必須制訂最佳工藝路線，對本課程理解會更加深刻。

（二）專題討論法

課程的重要環(huán)節(jié)采用“自由討論法”“文獻(xiàn)精度法”“攻擂法”。在教學(xué)過程中可根據(jù)課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，開展類似鐵碳相圖、材料的選擇等專題討論課。教師提前將討論的內(nèi)容、要求和相關(guān)文獻(xiàn)布置給學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)查詢資料的技能，然后由小組形成報告，討論當(dāng)天由小組選出代表發(fā)言，其他小組可以提出贊成或反駁意見，發(fā)言加分、不發(fā)言扣分。發(fā)言小組守不住自己的觀點(diǎn)懲罰方式是繼續(xù)準(zhǔn)備該討論課題，直到打擂成功。

課堂討論教學(xué)法是在教師的指導(dǎo)下，以討論方式完成學(xué)生自學(xué)、自講的一種教學(xué)方法。在教學(xué)實(shí)踐中，主要是圍繞一些具有啟發(fā)性或爭論性的問題來進(jìn)行課堂討論。在課堂討論過程中，教師及時抓住學(xué)生討論時的閃光點(diǎn)加以鼓勵和評價，引導(dǎo)討論不斷深入[4]，在傾聽完學(xué)生的討論后會及時進(jìn)行總結(jié)點(diǎn)評。這樣的“教與學(xué)”能有效地開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，增進(jìn)學(xué)習(xí)交流，使學(xué)生真正成為學(xué)習(xí)的主人，有利于調(diào)動學(xué)生的積極性、培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考問題和解決問題的能力。而教師也在此過程中能發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)中的疑難問題，從而使教學(xué)更有針對性。

（三）歸納總結(jié)法

由于工程材料課程的基本理論知識比較繁雜，學(xué)生之前的知識結(jié)構(gòu)中沒有相應(yīng)的認(rèn)知同化點(diǎn)，需要理解記憶的很多。為了讓學(xué)生能在較短時間內(nèi)掌握教學(xué)內(nèi)容，在教學(xué)過程中采用歸納總結(jié)法將教材中分散的內(nèi)容進(jìn)行了歸納、比較和總結(jié)，便于學(xué)生學(xué)習(xí)理解。

譬如在學(xué)習(xí)鐵碳相圖時，相圖復(fù)雜知識點(diǎn)多、難記憶，講解鐵碳合金組織和性能的變化規(guī)律時，為使學(xué)生在“成分—組織—性能”之間建立起聯(lián)系，給學(xué)生提煉了六點(diǎn)、五線、三轉(zhuǎn)變和兩溫度的提綱后，學(xué)生就可以很好地掌握和理解鐵碳相圖；又如C曲線的教學(xué)中，如果照本宣科，學(xué)生對C曲線的物理意義理解不透。為使學(xué)生更好地理解，將C曲線提煉為兩條曲線、三條水平線、六個區(qū)域、一個特征和三種類型轉(zhuǎn)變[5]，通過這樣的分解使學(xué)生清楚地了解C曲線的物理意義和工程應(yīng)用，可取得事半功倍的效果。

（四）翻轉(zhuǎn)課堂法

傳統(tǒng)的班級授課制的教學(xué)有兩個最大的問題，一個是很難激發(fā)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的主動性，另一就是很難按照每一個學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)進(jìn)度開展教學(xué)。翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式就是為解決這兩大問題而發(fā)展起來的[6]。

首先教師通過Focusky動畫演示及Camtasia Studio錄屏軟件，結(jié)合課程PPT及網(wǎng)絡(luò)資源制作相關(guān)學(xué)習(xí)內(nèi)容的微課；第二步創(chuàng)建一個名為“工程材料”的QQ群，作為學(xué)生課前學(xué)習(xí)交流的公共網(wǎng)絡(luò)平臺，讓每位學(xué)生各自申請一個QQ賬號，并以本人學(xué)號+姓名作為群標(biāo)志名加入QQ群中；第三步教師把錄制好的教學(xué)視頻和課前練習(xí)上傳到QQ群的群共享，要求學(xué)生觀看教學(xué)視頻，完成課前練習(xí)，并把學(xué)習(xí)過程中遇到的疑難問題發(fā)布到群論壇上面，以便于幫助教師掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況從而設(shè)計出更為科學(xué)的課堂學(xué)習(xí)活動，同時，也方便學(xué)生之間分享交流；第四步，課堂上根據(jù)課前視頻的觀看，對課程內(nèi)容進(jìn)行討論，教師進(jìn)行適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)和總結(jié)。

例如，在講合金結(jié)晶時原子的擴(kuò)散理論時，教師可將這個知識點(diǎn)通過動畫演示制作成微課，課前讓學(xué)生觀看，并根據(jù)內(nèi)容由簡到難設(shè)置了幾個問題：原子的擴(kuò)散分為幾種，每一種擴(kuò)散的機(jī)理是什么、是如何進(jìn)行的，原子擴(kuò)散和晶體形核長大有什么內(nèi)部關(guān)聯(lián)性，合金結(jié)晶和純金屬結(jié)晶有哪些異同點(diǎn)。經(jīng)過視頻動畫講解，每一個都不太難了。課堂上請一些學(xué)生來回答，提問的時候?qū)W生都在思考，稍簡單一些的問題學(xué)生答對了，對難懂的問題進(jìn)行必要的解釋。最后，把這些問題串起來解決了這個教學(xué)難點(diǎn)。

二、課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革

“工程材料”的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)主要是驗(yàn)證性的，而綜合實(shí)驗(yàn)則更強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體性，要求學(xué)生拿到任務(wù)書后，首先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計，而設(shè)計方案需要理論知識作為基礎(chǔ)，并需要查找相關(guān)文獻(xiàn)資料。通過小組討論及教師指導(dǎo)的方式確定方案的可行性，并根據(jù)具體條件在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證。設(shè)計方案的過程一方面調(diào)動了學(xué)生的積極主動性，另一方面綜合分析應(yīng)用了所學(xué)的理論知識，強(qiáng)化了其理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

例如，可以將碳鋼的熱處理、工程材料硬度測定和碳鋼的熱處理組織觀察三個項(xiàng)目的內(nèi)容進(jìn)行整合，改名為碳鋼硬度測定及熱處理組織觀察，即在熱處理、硬度測定的基礎(chǔ)上增加了組織檢測的內(nèi)容。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中自行確定工藝參數(shù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，對鋼進(jìn)行熱處理工藝操作，得到不同熱處理式樣，通過金相顯微鏡觀察組織，硬度計測試試樣的硬度，最終分析組織和性能之間的關(guān)系。學(xué)生在完成綜合性實(shí)驗(yàn)時，既鍛煉了實(shí)踐操作技能，又對鋼的成分、熱處理工藝、組織及性能之間的關(guān)系有了較深刻的理解。經(jīng)過整合，工藝—組織—性能這條主線完整地貫穿于實(shí)驗(yàn)之中，使學(xué)生充分認(rèn)識熱處理工藝、組織、性能之間的聯(lián)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后現(xiàn)場給學(xué)生進(jìn)行實(shí)操打分，完成實(shí)驗(yàn)分析報告后，安排做PPT進(jìn)行答辯講解，將制作好的金相式樣圖片展示給大家，根據(jù)所撰寫的實(shí)驗(yàn)分析報告和答辯情況做出綜合評價。

三、課程考核方式的改革

課程考核方式改進(jìn)為多元評價體系，即平時表現(xiàn)（30%）+綜合實(shí)驗(yàn)（30%）+課程綜合作業(yè)（40%）。平時表現(xiàn)包括課堂表現(xiàn)、課堂活動參與程度及平時作業(yè)情況；綜合實(shí)驗(yàn)考核內(nèi)容包括方案設(shè)計及驗(yàn)證過程、結(jié)果及實(shí)驗(yàn)答辯；課程綜合作業(yè)則采取分組做綜合大作業(yè)的形式，期末對大作業(yè)進(jìn)行答辯，如讓每組學(xué)生選擇某特定機(jī)械零件，根據(jù)工作環(huán)境綜合分析其使用性能要求，結(jié)合使用要求進(jìn)行選材、制訂加工工藝路線、選擇適當(dāng)?shù)姆绞綇?qiáng)化處理并制訂熱處理工藝規(guī)程等。這種多元的評價體系可以幫助學(xué)生更好地理解和應(yīng)用基礎(chǔ)知識，并達(dá)到與工程實(shí)踐相結(jié)合的目的。

四、結(jié)語

通過教學(xué)方法、課程實(shí)驗(yàn)及考核方式的改變，學(xué)生課堂參與度得到了很大的改觀，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)材料的興趣，理論聯(lián)系實(shí)際的能力也得到了一定的提高。

參考文獻(xiàn)：

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