基于OBE理念的《計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用》教學(xué)改革
——以熱處理工藝模擬為列

李 偉 趙淑枝 孫士昭 宋 鴿 褚 亮 劉德寶 董治中

（1.天津理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 天津 300384；2.天津市威曼生物材料有限公司 天津 301600）

引言

材料科學(xué)與工程專業(yè)涉及熱處理工藝、相變等教學(xué)內(nèi)容，是我校辦學(xué)歷史最悠久的專業(yè)之一。目前本專業(yè)的熱處理工藝環(huán)節(jié)仍主要以“講授式”授課，以理論教學(xué)為主，而模擬計算實踐能力培養(yǎng)遠遠不夠，與企業(yè)迫切需求該領(lǐng)域?qū)ｉT人才方面存在一定脫節(jié)問題。

本文通過對《計算機在材料科學(xué)中的應(yīng)用》課程改革與實踐探索，以熱處理工藝模擬為例，通過將理論知識與模擬計算相結(jié)合，將學(xué)生自學(xué)、教師指導(dǎo)與學(xué)生實踐相結(jié)合，提高學(xué)生將理論知識應(yīng)用到研究實踐中的能力。對培養(yǎng)創(chuàng)新型人才和高等教育的改革有著積極的意義。

一、學(xué)科發(fā)展中存在問題

《計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用》課程是專為材料類學(xué)生開設(shè)的，依據(jù)高校工科課程特色主要分為兩大陣營，一類是以綜合性大學(xué)為代表的材料物理專業(yè)，如南開大學(xué)等，主要講授Jade、Origin、Chemoffice、Endnote等軟件；另一類是，工科特色鮮明的工科院校，如天津大學(xué)等，課程中均涉及熱處理工藝和相變研究，以及溫度場、熱場等的物理建模和模擬[1]，主要講授如Thermo-calc、J. Mat. pro和Deform、Ansisy等軟件。國內(nèi)很多兄弟院校如西北工業(yè)大學(xué)等直接設(shè)有計算材料學(xué)專業(yè)。我校的材料科學(xué)與工程專業(yè)屬于純工科專業(yè)，目前存在的主要問題包括：

1）課程教學(xué)內(nèi)容與綜合性大學(xué)教學(xué)內(nèi)容類似，較少涉及理論建模及熱處理工藝、相變模擬等方面的知識，與專業(yè)設(shè)置定位存在一定差距。

2）本課程多以教師講授為主，學(xué)生的實際操作訓(xùn)練學(xué)時不足，對學(xué)生的實踐能力培養(yǎng)不夠。

二、OBE理念應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式

與傳統(tǒng)的“講授式”、“填鴨式”、“一言堂”模式不同，OBE（Outcomes－Based Education）教學(xué)理念的精髓在于教學(xué)各環(huán)節(jié)以“結(jié)果”為核心進行逆向設(shè)計和安排：一是強調(diào)學(xué)生學(xué)習(xí)效果，二是重視學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。以不斷變化的企業(yè)需求結(jié)果為導(dǎo)向，構(gòu)建實現(xiàn)學(xué)生綜合知識、能力和素養(yǎng)達到企業(yè)需求指標的課程體系，及時調(diào)整畢業(yè)能力要求，完善以學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果為唯一標準的教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控與評價體系。

目前，OBE理念被許多的國家和地區(qū)認可，并被引入到教學(xué)體系的各教學(xué)環(huán)節(jié)中。在培養(yǎng)應(yīng)用型人才的新工科背景下，我國眾多的高等院校逐漸認可這種新的教學(xué)理念，并在教學(xué)改革摸索過程中得到應(yīng)用[2，3]。其主要優(yōu)勢主要在于：

1）借助理論建模與模擬預(yù)測的優(yōu)勢，增強學(xué)生的實踐能力、提高學(xué)生創(chuàng)新能力，適應(yīng)新工科材料學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)的要求。

2）及時把最新科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，加強科研反補教學(xué)，激發(fā)學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)興趣；

3）為企業(yè)培養(yǎng)工程模擬專門人才，具有重要的現(xiàn)實意義。

三、《計算機在材料科學(xué)中的應(yīng)用》這門課程，應(yīng)從以下幾方面進行教學(xué)改革：

（1）教學(xué)內(nèi)容方面：應(yīng)增加Thermo-calc、J. Mat. pro和Deform、Ansisy等軟件，通過理論模型和計算，預(yù)測或設(shè)計材料結(jié)構(gòu)與性能，讓學(xué)生了解計算機在材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的應(yīng)用狀況。

（2）教學(xué)手段和方法：采用OBE理念設(shè)計教學(xué)內(nèi)容，體現(xiàn)以結(jié)果為導(dǎo)向的教學(xué)模式。培養(yǎng)學(xué)生形成計算模擬的思想方法，運用相關(guān)知識建立數(shù)學(xué)模型，建立材料微觀結(jié)構(gòu)、宏觀性能和實際應(yīng)用之間的關(guān)系。

四、以熱處理模擬為例闡述OBE教學(xué)理念

學(xué)生在學(xué)習(xí)完成《熱處理工藝》這門課程及具備熱處理相關(guān)理論基礎(chǔ)后，學(xué)習(xí)Deform軟件中對于熱處理工藝相關(guān)建模及分析知識：

1）首先由任課教師提出企業(yè)需求結(jié)果：為提高產(chǎn)品性能，需對工件進行熱處理工藝優(yōu)化，因此需要探究工件經(jīng)滲碳，油淬和回火工藝后的溫度梯度分布狀態(tài)，各種影響因素如加熱速度、加熱溫度、保溫時間、冷卻速度和冷卻方式等對組織及性能的影響，如圖1所示。但由于時間關(guān)系緊迫，以及成本太高，全部進行實驗是有困難的，因此需對其進行廣泛的模擬實驗研究。這是OBE理念的結(jié)果導(dǎo)向的起始點，帶著這一結(jié)果去探索問題，可以吸引學(xué)生對這一目標的關(guān)注，進而才能夠讓學(xué)生深入思考相關(guān)問題。

圖1 企業(yè)需求的溫度場分布狀態(tài)圖[4]

2）體現(xiàn)學(xué)生主觀能動性：為解決上述問題，學(xué)生可自行梳理熱處理相關(guān)知識或查詢有關(guān)文獻資料，找尋與熱處理溫度梯度分布有關(guān)的影響參數(shù)，并按照上述知識總結(jié)后，繪制相應(yīng)的工藝路線圖。如圖2所示，傳統(tǒng)教學(xué)模式下（圖2（a）），學(xué)生對于加熱溫度A，加熱溫度B及加熱過程中組織，性能、晶粒變化等沒有一個感性的認識，對于保溫時間A和保溫時間B的認識也不夠深入。而在OBE理念下計算機模擬模式中，學(xué)生對于各個加熱環(huán)節(jié)、保溫環(huán)節(jié)，都可以進行及時的模擬，那么組織如何演變的，組織如何影響性能的就會一目了然。

圖2（a）傳統(tǒng)教學(xué)模式下的熱處理工藝路線圖和（b）OBE理念下計算機模擬模式下繪制熱處理工藝路線圖

3）教師輔助指導(dǎo)下學(xué)生自行討論：對于傳統(tǒng)的熱處理工藝過程，學(xué)生們的認識是不夠全面和深入的，教師應(yīng)提示哪些因素容易忽略，如不同溫度保溫時的熱傳系數(shù)不同，工件的對稱面存在對溫度梯度分布影響，以及工藝過程中介質(zhì)如油、空氣等不同的影響。該過程可以充分調(diào)動大部分學(xué)生們的積極性，是學(xué)生探索知識與發(fā)現(xiàn)問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，應(yīng)留出足夠時間供其學(xué)習(xí)。

五、結(jié)束語

本文通過闡述我校材料科學(xué)與工程專業(yè)熱處理方向及《計算機在材料科學(xué)中應(yīng)用》課程特點和OBE理念培養(yǎng)人才模式的結(jié)果導(dǎo)向特點，最后以熱處理工藝模擬為列，闡述OBE理念學(xué)生深化認識熱處理理論知識，以及理論知識與計算模擬實踐相結(jié)合。通過上述教學(xué)設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生形成計算模擬的思想方法，提高學(xué)生自我學(xué)習(xí)主觀能動性及學(xué)習(xí)興趣，將學(xué)生自學(xué)、教師指導(dǎo)與實踐相結(jié)合，培養(yǎng)符合新工科、適應(yīng)現(xiàn)代企業(yè)需求的高級專門人才。