應(yīng)用型本科高校金屬材料類專業(yè)“材料的力學(xué)性能”課程教學(xué)改革探討

陳逸 程亮 張云龍 陳菊芳 盧雅琳

摘 要：在應(yīng)用型本科高校課時壓縮背景下，針對現(xiàn)有“材料力學(xué)”和“材料的力學(xué)性能”課程基本內(nèi)容及實驗重復(fù)較多的現(xiàn)狀，對金屬材料類專業(yè)“材料力學(xué)及其性能”課程教學(xué)改革的必要性進行了分析，并從優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、調(diào)整實驗課程以及改進授課方式等方面對“材料力學(xué)及其性能”的教學(xué)方法進行了探討。通過教學(xué)改革，壓縮了金屬材料類專業(yè)的教學(xué)課時，優(yōu)化了教學(xué)資源，使得教學(xué)內(nèi)容聯(lián)系更加緊密，有利于材料學(xué)院金屬材料類專業(yè)教學(xué)質(zhì)量的提升，實現(xiàn)了培養(yǎng)本專業(yè)學(xué)生綜合素質(zhì)以及提高創(chuàng)新能力的教學(xué)目的。

關(guān)鍵詞：材料力學(xué)及其性能；課程改革；應(yīng)用型本科

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）17-0122-03

Abstract： Under the background of the reduction of teaching hours in application-oriented universities， and according to the status quo of the Mechanics of Materials and Mechanical Properties of Materials teaching， this thesis analyzes the necessity of the teaching reform， and discusses the teaching methods from optimizing teaching content， adjusting experimental courses， and enriching the teaching methods. After the teaching reform， the teaching hours for Material majors are shortened， and the teaching resources are optimized， making the teaching contents much integrated， which is good for improving teaching quality so as to better cultivate students' comprehensive ability and innovation ability.

Keywords： Mechanical Properties of Materials； teaching reform； application-oriented university

自20世紀70年代以來，德國高等教育界在探討大學(xué)教育模式的過程中開始逐漸重視應(yīng)用型大學(xué)生人才培養(yǎng)，率先開啟應(yīng)用型大學(xué)教育模式，旨在培養(yǎng)高級技工和工程師，進而鑄就了德國強大的工業(yè)實力，為德國經(jīng)濟的高速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[1-2]。基于此背景，國內(nèi)高層及高教界也開始探索國內(nèi)本科院校向應(yīng)用型本科的轉(zhuǎn)型之路。中國教育部目前對應(yīng)用型本科院校也有了明確定位，該類本科院校以應(yīng)用型的類型定位，并且以培養(yǎng)應(yīng)用型技術(shù)技能型人才為本職責使命，早在2014年國家就已經(jīng)確定目前全國普通本科高等院校中50%的高校將所逐步向應(yīng)用型本科院校轉(zhuǎn)變，希望可以為中國新經(jīng)濟的轉(zhuǎn)型提供助力。作者所在的江蘇理工學(xué)院即為首批轉(zhuǎn)型應(yīng)用型本科試點院校之一。在教育部關(guān)于引導(dǎo)部分地方普通本科高校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變的指導(dǎo)意見中明確指出要加強實驗、實訓(xùn)、實習(xí)環(huán)節(jié)，其中實訓(xùn)實習(xí)的課時占專業(yè)教學(xué)總課時的比例需要達到30%以上[3]，這也意味著應(yīng)用型本科高校理論課時將逐步壓縮。

一、“材料力學(xué)”和“材料的力學(xué)性能”教學(xué)內(nèi)容分析

“材料力學(xué)”課程是應(yīng)用型本科高校工科專業(yè)的一門通用的專業(yè)基礎(chǔ)課，所修專業(yè)包括機械類、材料類以及力學(xué)與土木工程類等[4]?！安牧狭W(xué)”課程的主要任務(wù)是研究材料受到各種外力作用時產(chǎn)生的應(yīng)變、應(yīng)力以及所引起的強度、剛度以及穩(wěn)定性問題，是許多專業(yè)課的基礎(chǔ)，在整個教學(xué)體系中起到承前啟后的作用，并且可以直接解決許多工程實際問題。它對工科學(xué)生科學(xué)素質(zhì)、工程素質(zhì)的培養(yǎng)及創(chuàng)新能力的發(fā)揮起到重要的作用。而“材料的力學(xué)性能”課程則是應(yīng)用型本科高校金屬材料類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程以及金屬材料為基礎(chǔ)重點闡述各類工程材料在靜載荷以及動載荷作用下的力學(xué)性能，著重描述其失效現(xiàn)象并分析其微觀機理[5]。材料的力學(xué)性能在金屬材料類專業(yè)中同樣起到承前啟后的作用，是工程選材、材料力學(xué)性能檢測和失效分析的基礎(chǔ)，具有重要的工程實際意義。

圖1為目前作者所在的江蘇理工學(xué)院金屬材料系所開設(shè)的“材料力學(xué)”以及“材料的力學(xué)性能”課程目錄[6-7]?！安牧狭W(xué)”作為一門工科專業(yè)基礎(chǔ)課，對于金屬材料類專業(yè)，同樣使用相同的教材，主要授課內(nèi)容包括基本變形、應(yīng)力狀態(tài)及強度理論、組合變形、壓桿穩(wěn)定以及動載荷等?！安牧系牧W(xué)性能”課程的主要授課內(nèi)容包括靜載荷作用下的力學(xué)性能（拉伸和壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)、彎曲）以及動載荷作用下的力學(xué)性能（沖擊韌性、斷裂韌性、疲勞、應(yīng)力腐蝕以及高溫力學(xué)性能等）。由圖1可以發(fā)現(xiàn)兩門課授課內(nèi)容的重復(fù)率較高，重復(fù)內(nèi)容包括拉伸與壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)、彎曲和疲勞等，雖然授課內(nèi)容不完全相同，但主要內(nèi)容類似。目前本專業(yè)“材料力學(xué)”課程為64學(xué)時，其中包括3個實驗課程（金屬拉伸實驗，金屬扭轉(zhuǎn)實驗以及彎曲實驗）；而“材料的力學(xué)性能”課程開課學(xué)時為48學(xué)時，包括金屬硬度實驗，金屬沖擊實驗以及金屬拉伸實驗。可以發(fā)現(xiàn)，兩門課程所開設(shè)的實驗課程也存在一定的重復(fù)。

在應(yīng)用型本科院校理論課時壓縮的背景下，針對金屬材料專業(yè)，“材料力學(xué)”以及“材料的力學(xué)性能”課程改革具有必要性，同時開設(shè)兩門課程極大的浪費教學(xué)資源，將兩門課程合二為一，既啟到了壓縮課時的目的，又可以使教學(xué)內(nèi)容聯(lián)系更加緊密，優(yōu)化了教學(xué)資源，并可以加深學(xué)生對金屬材料專業(yè)的認知進而提高學(xué)習(xí)效率，有利于材料學(xué)院金屬材料類專業(yè)教學(xué)質(zhì)量的提升，并可以實現(xiàn)培養(yǎng)大學(xué)生綜合素質(zhì)以及提升創(chuàng)新能力的教學(xué)目的。因此，本文針對現(xiàn)有“材料力學(xué)”和“材料的力學(xué)性能”課程基本內(nèi)容及實驗教學(xué)內(nèi)容重復(fù)較多的限制，對金屬材料類專業(yè)“材料力學(xué)及其性能”課程改革的必要性進行分析，并從優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、調(diào)整實驗課程以及改進授課方式等方面對“材料力學(xué)及其性能”的教學(xué)方法進行探討。

二、“材料力學(xué)及其性能”課程

針對以上分析，依據(jù)金屬材料系的實際情況，作者構(gòu)想開設(shè)一門新課，“材料力學(xué)及其性能”，該課程可以綜合“材料力學(xué)”和“材料的力學(xué)性能”兩門課程的所有重點教學(xué)內(nèi)容，其目錄如圖2所示?？梢钥闯鲈撜n程內(nèi)容主要分為3部分，第一部分內(nèi)容為材料靜載及其性能?？紤]課程內(nèi)容的緊湊型與連貫性，該部分內(nèi)容包含材料力學(xué)的大部分內(nèi)容，從四種基本變形講解到組合變形以及壓桿穩(wěn)定等。并且在講解每一種變形的力學(xué)后會緊隨著講解其力學(xué)實驗及力學(xué)現(xiàn)象，比如講解完軸向拉伸和壓縮的強度條件后會緊接著講解拉伸和壓縮實驗以及彈性變形、塑性變形和加工硬化等現(xiàn)象。這樣的課程安排會使得材料力學(xué)和材料力學(xué)性能的內(nèi)容能緊密的聯(lián)系在一起，加深學(xué)生的理解。第二部分內(nèi)容主要介紹材料動載力學(xué)及其性能，主要授課內(nèi)容包括原“材料力學(xué)”和“材料的力學(xué)性能”共同涵蓋的金屬的疲勞這一章節(jié)，以及原“材料的力學(xué)性能”課程中的斷裂和沖擊韌性等，這樣的章節(jié)設(shè)置避免了相同知識的重復(fù)講授。第三部分內(nèi)容則主要講解環(huán)境條件下金屬材料的力學(xué)性能，包括應(yīng)力腐蝕、氫脆以及高溫力學(xué)性能等。

現(xiàn)有“材料力學(xué)”課程包括金屬拉伸，金屬扭轉(zhuǎn)以及彎曲3個實驗；“材料的力學(xué)性能”課程則開設(shè)有金屬的硬度，沖擊以及拉伸3個實驗。為避免實驗重復(fù)并增強學(xué)生對課程認知，“材料力學(xué)及其性能”課程擬開設(shè)4個實驗：金屬靜載認識實驗，金屬拉伸實驗，金屬動載認知實驗，金屬沖擊實驗。

“材料力學(xué)及其性能”擬開設(shè)課時為64學(xué)時，其中實驗教學(xué)為6個學(xué)時。相比目前開設(shè)的64學(xué)時材料力學(xué)課程以及48學(xué)時材料的力學(xué)性能課程，可以縮減48學(xué)時。

三、教學(xué)方法探討

（一）優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

將金屬材料系原有的“材料力學(xué)”以及“材料的力學(xué)性能”兩門課程合并為一門“材料力學(xué)及其性能”課程，首先可以優(yōu)化和改進教學(xué)內(nèi)容。通過調(diào)整，原先有重復(fù)的拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲、疲勞等章節(jié)可以合并教學(xué)，起到節(jié)省教學(xué)資源的作用。同時，在新課材料力學(xué)及其性能中省去了原“材料力學(xué)”課程中最后一章能量法以及“材料的力學(xué)性能”課程中最后三章復(fù)合材料、高分子材料和陶瓷材料的力學(xué)性能章節(jié)，主要是基于以下考慮。首先：對于金屬材料專業(yè)，“材料力學(xué)”最后一章能量法內(nèi)容較為復(fù)雜，在后續(xù)課程中應(yīng)用較少，因此考慮不予納入；其次，金屬材料專業(yè)主要側(cè)重金屬材料的制備、加工、分析檢測等，基本不涉及其他材料，因此在新課程中可以將復(fù)合材料、高分子材料和陶瓷材料的力學(xué)性能的內(nèi)容省去；最后，由于需要將課時壓縮至64學(xué)時，因此不重要的章節(jié)可以不用課堂上直接授課，如果學(xué)生有興趣，以課后自學(xué)為主。

（二）調(diào)整實驗課程

由于“材料力學(xué)”和“材料的力學(xué)性能”實驗課程有重復(fù)，因此需要對其進行調(diào)整?！安牧狭W(xué)及其性能”課程開設(shè)的實驗包括認知實驗和實際動手實驗兩種，分為靜載和動載兩部分。由于實驗課時有限，而金屬材料的承載方式較多，因此考慮設(shè)置認知演示實驗，包括靜載認知演示實驗和動載認知演示實驗。認知演示實驗主要是老師操作，將金屬材料的拉伸與壓縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲等靜載實驗以及硬度、沖擊、疲勞、蠕變等動載實驗給學(xué)生依次演示一遍，認知實驗安排在課程授課前，使得學(xué)生對不同外載荷下金屬的力學(xué)特性有感性的認識，隨后授課教師再對各種載荷條件下金屬的力學(xué)特點進行一一分析，不僅可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)本課程以及本專業(yè)的興趣，更能對所學(xué)知識有更加直接和深刻的認識，也真正在教學(xué)過程中體現(xiàn)了理論分析與試驗研究并重的思想。并且和其他專業(yè)相比，金屬材料專業(yè)開設(shè)認識實驗有天然的優(yōu)勢。首選，金屬材料系具有金屬靜載和動載力學(xué)性能的所有設(shè)備，其次，金屬材料系教師均為本專業(yè)經(jīng)驗豐富的教師，對這些設(shè)備非常熟悉，完全可以勝任教學(xué)演示。“材料力學(xué)及其性能”作為金屬材料專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，畢業(yè)后許多學(xué)生將會從事本專業(yè)相關(guān)工作，材料的力學(xué)性能知識在工作中的許多場合都有應(yīng)用，因此，實際動手實驗也是必要的，考慮金屬材料的拉伸性能和沖擊性能分別是最典型的金屬材料靜載和動載性能，因此將金屬拉伸實驗和金屬沖擊韌性實驗設(shè)為本課程的學(xué)生實際動手實驗。

（三）改進授課方式

《材料力學(xué)及其性能》課程作為一門新課，如何提高課堂教學(xué)效果，改進授課方式尤為重要。在授課過程中，應(yīng)借鑒先進的教學(xué)理念和教學(xué)模式，并且不斷探索和創(chuàng)新教學(xué)手段和方法，積極將理論教學(xué)與案例教學(xué)相結(jié)合以及項目案例分析法等多種創(chuàng)新教學(xué)方法應(yīng)用到實際的教學(xué)過程中。

針對案例教學(xué)方法，在教學(xué)過程中要注意和金屬材料專業(yè)背景相結(jié)合起來。比如本人常常引用的教學(xué)案例，1998年德國高速鐵路事故，造成了嚴重的后果，導(dǎo)致了100多人死亡。首先給學(xué)生播放紀律片視頻，隨后給學(xué)生找出事故原因，是由于一個高鐵輪子的疲勞斷裂所引起的。進而繼續(xù)給學(xué)生講解，為何在高鐵運行過程中明顯遠小于其屈服強度的外力會導(dǎo)致輪子最終的斷裂，這樣就把靜載荷和動載荷對材料力學(xué)行為的影響差別給學(xué)生講述清楚了。這種針對金屬材料專業(yè)的實際案例和力學(xué)理論教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方法可以起到非常好的教學(xué)效果，也提高了學(xué)生的課堂興趣。

如果學(xué)生對“材料力學(xué)及其性能”課程的知識產(chǎn)生了濃厚的興趣，同樣可以實現(xiàn)教學(xué)效果的提升。由于目前金屬材料系教師不僅有教學(xué)任務(wù)，更承擔多項與本專業(yè)相關(guān)的科研課題，在授課過程中，教師可以有意識的將與章節(jié)內(nèi)容相關(guān)的科研課題向?qū)W生做個全面介紹，包括研究目的及意義、研究方法以及研究結(jié)果，把學(xué)生引入到材料力學(xué)及其性能的科研情景中，讓學(xué)生更加明白所學(xué)知識在實際生活中到底是如何運用的，并且針對課題的相關(guān)技術(shù)難點，鼓勵學(xué)生思考并提出不同的解決方案，可以提高學(xué)生的創(chuàng)新性和創(chuàng)造性，實現(xiàn)了培養(yǎng)綜合素質(zhì)和學(xué)生創(chuàng)新能力提升的教學(xué)目的。

同時，在課后還要注重激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性并且引導(dǎo)學(xué)生采用多樣化學(xué)習(xí)方式。江蘇理工學(xué)院引進了泛雅數(shù)字化中心網(wǎng)絡(luò)平臺，教師在授課的同時建立相應(yīng)章節(jié)的網(wǎng)絡(luò)課程，包括在線的視頻、PPT以及習(xí)題講解等，學(xué)生在課后如果有不懂的地方，可以通過網(wǎng)絡(luò)課程開展自主性學(xué)習(xí)，并且可以提問以及教師在線解答。這種線上線下相結(jié)合的混合式學(xué)習(xí)方法拓展了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的時間和空間，起到很好的教學(xué)效果。

四、結(jié)束語

本文針對材料學(xué)院金屬材料專業(yè)現(xiàn)有“材料力學(xué)”和“材料的力學(xué)性能”課程基本教學(xué)內(nèi)容及實驗重復(fù)較多的現(xiàn)狀，分析了教學(xué)改革的必要性并探討了將兩門課程合并為一門新課“材料力學(xué)及其性能”的可行性，并從優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、調(diào)整實驗課程以及改進授課方式等方面對“材料力學(xué)及其性能”的教學(xué)方法進行了探討。但金屬材料系專業(yè)的教學(xué)改革和實踐是一個長期的過程，在隨后教學(xué)過程中，還需要對“材料力學(xué)及其性能”課程在實踐中不斷的總結(jié)經(jīng)驗，不斷的調(diào)整并逐步完善。

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