高校工程材料實驗課程教學(xué)與考核方法研究

樊江磊 李瑩 王艷 吳深 周向葵

[摘 要]如何適應(yīng)當(dāng)前工程教育認證的要求，強化基礎(chǔ)知識，突出學(xué)以致用的知識應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力，是我國高等院校工程材料課程實驗教學(xué)中面臨的難題之一。課題組結(jié)合鄭州輕工業(yè)大學(xué)的實際辦學(xué)條件，對工程材料實驗課程教學(xué)內(nèi)容、方法以及考核進行了改革和實踐。

[關(guān)鍵詞]工程材料;實驗教學(xué);考核方法;教學(xué)改革

[中圖分類號] G642 [文獻標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2021）05-0068-03

工程材料課程是機械設(shè)計制造及其自動化、能源與動力工程、車輛工程、過程裝備與控制工程等本科專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課，系統(tǒng)介紹了常見工程材料的成分、組織、結(jié)構(gòu)和使用性能之間的相互關(guān)系，培養(yǎng)依據(jù)零部件服役特點和性能要求，選擇適當(dāng)工程材料的能力。該課程作為機械類及近機械類專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課，具有教學(xué)內(nèi)容冗雜抽象、原理概念繁雜難懂、理論知識和實踐應(yīng)用相結(jié)合的特點，同時受到教學(xué)課時減少和實驗設(shè)備數(shù)量的限制，本課程的實驗課授課難度較大，學(xué)生對本課程知識點的理解和應(yīng)用能力都有待提高[1]。因此，如何充分地利用有限的教學(xué)時間和現(xiàn)有的實驗條件，提高學(xué)生對課程教學(xué)內(nèi)容的掌握程度，強化學(xué)生的基礎(chǔ)知識應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力，是當(dāng)前工程材料課程實踐教學(xué)中面臨的難題之一。

鄭州輕工業(yè)大學(xué)原名為鄭州輕工業(yè)學(xué)院，2018年更名為鄭州輕工業(yè)大學(xué)，學(xué)?，F(xiàn)有本科專業(yè)66個，其中5個專業(yè)通過工程教育認證。學(xué)校是教育部第二批“卓越工程師培養(yǎng)計劃”試點高校。機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)是我校開辦最早的本科專業(yè)，2003年獲得碩士學(xué)位授予權(quán)，2008年專業(yè)所屬的機械工程一級學(xué)科被評為河南省重點學(xué)科，2011年成為河南省特色專業(yè)，2016年獲河南省普通高等學(xué)校專業(yè)綜合改革試點，2019年獲批河南省一流專業(yè)建設(shè)學(xué)科。鄭州輕工業(yè)大學(xué)在本科專業(yè)辦學(xué)和教育教學(xué)改革方面具有豐富的實踐經(jīng)驗。學(xué)校機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)于2018年通過工程教育認證，在培養(yǎng)方案、教學(xué)方法和工程實踐等方面進行了卓有成效的改革。課題組結(jié)合鄭州輕工業(yè)大學(xué)的實際辦學(xué)條件，以及筆者多年來在工程材料課程實踐教學(xué)過程中積累的經(jīng)驗，對課程的實驗教學(xué)內(nèi)容和方法進行了改革和實踐，以期能夠更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新和實踐能力，為實驗課程的教學(xué)改革提供參考和借鑒。

一、工程材料實驗課程教學(xué)過程中存在的不足

在中國工程教育認證畢業(yè)要求通用的12條標(biāo)準(zhǔn)中，第1～5條標(biāo)準(zhǔn)（關(guān)于工程知識、問題分析、設(shè)計/開發(fā)解決方案、研究和使用現(xiàn)代工具）明確指出針對復(fù)雜工程問題的解決，合格畢業(yè)生需要具備專業(yè)知識應(yīng)用、使用現(xiàn)代工程與信息工具、分析問題、設(shè)計解決方案、得到結(jié)論并合理分析等能力[2-3]。而實驗課程的教學(xué)工作正是培養(yǎng)學(xué)生相關(guān)能力的平臺。然而，工程材料實驗課程存在較多的問題，導(dǎo)致教學(xué)效果不能很好地適應(yīng)工程認證的要求。

（一）教學(xué)內(nèi)容偏離專業(yè)特點

工程材料課程是機械設(shè)計制造及其自動化、能源與動力工程、車輛工程、過程裝備與控制工程等機械類專業(yè)本科生必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，承上啟下，為進一步學(xué)習(xí)其他專業(yè)課程打基礎(chǔ)，既是引導(dǎo)學(xué)生進入專業(yè)領(lǐng)域的入門課程，又是學(xué)生掌握基本專業(yè)知識的理論課程，更是培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際、獨立分析和解決問題能力的基礎(chǔ)課程。其實驗課程是實現(xiàn)抽象的基礎(chǔ)理論與基體的實驗現(xiàn)象相結(jié)合的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，給予學(xué)生更為立體、翔實的感官認識[4-5]。筆者通過調(diào)研現(xiàn)有的工程材料實驗課教材，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行的工程材料課教學(xué)體系存在較多問題，主要包括：（1） 課時少。為了在有限的學(xué)時內(nèi)完成教學(xué)任務(wù)，將材料類專業(yè)學(xué)生所應(yīng)掌握的知識進行高度壓縮。（2） 材料專業(yè)痕跡明顯。大多數(shù)的工程材料實驗仍以材料專業(yè)的教學(xué)系統(tǒng)為主，教學(xué)內(nèi)容主要包括金屬學(xué)基本原理、鋼的熱處理原理與工藝，以及常用工程材料的分類、特點與應(yīng)用等三大部分，未針對專業(yè)特點設(shè)置特色實驗。（3） 專業(yè)特點不突出。機械設(shè)計制造及其自動化、能源與動力工程、車輛工程、過程裝備與控制工程等不同專業(yè)的實驗項目內(nèi)容基本相同。當(dāng)前，工程材料課程實驗教學(xué)內(nèi)容既沒有強調(diào)合理對于本專業(yè)的重要性，也沒有根據(jù)專業(yè)特點有針對性地強化學(xué)生選材、用材的基本能力。

機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的畢業(yè)生，主要從事機械設(shè)計制造、科技開發(fā)、應(yīng)用研究、運行管理等方面的工作，而工程材料的選擇與加工是其必不可少的重要環(huán)節(jié)?？梢?，對材料科學(xué)方面的知識需求，從事機械設(shè)計方面的工程師與從事材料研發(fā)方面的工程師不相同。這種差別體現(xiàn)在需求的深度和側(cè)重點上。材料研發(fā)工程師的主要任務(wù)是通過成分設(shè)計、組織調(diào)控及制備工藝設(shè)計，開發(fā)新型材料，因此其必須深入了解工程材料的成分、顯微組織、加工工藝與其性能間的相互關(guān)系。而從事機械設(shè)計方面的工程師關(guān)注的重點是選擇正確的材料，以滿足機械零部件對材料力學(xué)及物理、化學(xué)性能等方面的要求。他們最應(yīng)該具備的是與機械設(shè)計與制造緊密相關(guān)的工程材料方面的知識及其運用能力，在常識性地了解金屬學(xué)基本原理、常見工程材料的特點與適用范圍的基礎(chǔ)上，更注重的是掌握各種零部件在不同服役條件下的性能要求及失效形式，選擇既滿足要求又經(jīng)濟實惠的工程材料，通過合理的選材用材提高質(zhì)量，降低成本，產(chǎn)生經(jīng)濟效益。合理地設(shè)計和安排工程材料課的實踐教學(xué)內(nèi)容，對于鍛煉學(xué)生合理選材、正確用材、選擇加工方法并制訂工藝路線的能力是十分重要的。

為了扭轉(zhuǎn)當(dāng)前實驗教學(xué)的不利局面，完善學(xué)生在材料科學(xué)與工程方面的知識結(jié)構(gòu)，提高專業(yè)背景下選擇和應(yīng)用工程材料的能力，適應(yīng)工程教育認證的需要，亟須對工程材料課程實踐環(huán)節(jié)進行教學(xué)內(nèi)容改革。鄭州輕工業(yè)大學(xué)機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)現(xiàn)行的工程材料課程總課時為44學(xué)時，其中理論教學(xué)課時為38學(xué)時，實驗教學(xué)課時為6學(xué)時[1]。實驗課程主要內(nèi)容為鐵碳合金平衡金相組織觀察、鋼鐵材料的硬度測試、鋼鐵材料的熱處理工藝制訂與組織觀察，以及合金鋼、鑄鐵和有色金屬等工程材料組織觀察。該課程是面向機械制造及其自動化、能源與動力工程、車輛工程、過程裝備與控制工程等專業(yè)設(shè)置的，涉及的專業(yè)種類多、學(xué)生數(shù)量大，而教師在授課過程中卻忽略了各個專業(yè)的特點，各專業(yè)實驗教學(xué)內(nèi)容幾乎相同。另一方面，該課程的實驗教學(xué)總課時較少，大多數(shù)實驗為驗證性實驗，實驗內(nèi)容與工程實踐脫節(jié)，不利于學(xué)生應(yīng)用知識和工程能力的培養(yǎng)。因此，工程材料實驗課程現(xiàn)有的實驗項目和內(nèi)容已經(jīng)難以滿足“夯實專業(yè)基礎(chǔ)，強化工程能力培養(yǎng)”的工程教育認證新要求，必須進行相應(yīng)改革。

（二）實驗教學(xué)方法呆板

工程材料課程屬于機械類專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程從工程實踐中發(fā)展而來，又直接服務(wù)于生產(chǎn)實踐。該課程理論繁雜、工程背景多、實踐性強，實驗教學(xué)在整個課程體系中起著不可替代的作用。實驗教學(xué)是鍛煉學(xué)生分析、解決問題，提高學(xué)生工程素質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的關(guān)鍵一環(huán)，也是彌補理論教學(xué)與實踐教學(xué)之間空白地帶的有效形式[1， 6]。然而，目前的工程材料課程的全部實驗是以傳統(tǒng)的材料科學(xué)與工程實驗體系為主線開設(shè)，雖然這些實驗對學(xué)生理解、掌握基本理論和方法起到很重要的作用，但是依然沒有突出專業(yè)的差別和工程能力培養(yǎng)的需求。

另一方面，工程材料課程涉及的內(nèi)容既包括基本理論與原理，還包括大量工程材料的特點及應(yīng)用。當(dāng)前，工程材料實驗課仍采用傳統(tǒng)的“知識傳授型”教學(xué)模式，所有的知識以課堂講授為主，學(xué)生以聽為主，簡單地重復(fù)實驗，整個教學(xué)過程缺少以學(xué)生專業(yè)特點為背景的知識點的整合。傳統(tǒng)的教學(xué)模式導(dǎo)致學(xué)生難以主動地參與教學(xué)活動，主觀能動性未能得到有效的發(fā)揮，造成了學(xué)生不會學(xué)、不愿意學(xué)的不利局面，難以達到應(yīng)有的教學(xué)效果[6]。因此，如何才能讓學(xué)生更好地學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)知識，提高專業(yè)技能，是教學(xué)工作者必須面對的問題。改進教學(xué)方法是提高教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)效果的重要途徑，工程材料課程實驗課也需要從教學(xué)方法和授課形式方面進行改革。

（三）考核方式單一

目前實驗課程的考核大多采用出勤和實驗報告來衡量，不能很好地考查學(xué)生的知識應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力，不利于學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)和提高[7]。

綜上所述，工程材料實驗課程在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式上存在一些不足，需要根據(jù)專業(yè)特點進行改革。因此，本項目針對上述問題，結(jié)合實際教學(xué)活動，面向機械類專業(yè)本科生，在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法以及考核方式方面進行探索，以提高工程材料課的教學(xué)效果和學(xué)生的工程實踐能力。

二、工程材料實驗課程教學(xué)改革

（一）教學(xué)內(nèi)容的改革

為豐富工程材料課程實驗教學(xué)內(nèi)容，鄭州輕工業(yè)大學(xué)機械制造及其自動化專業(yè)依據(jù)工程教育認證要求對工程材料課程內(nèi)容進行了調(diào)整。把工程材料課程的理論課程與實驗課程分開，調(diào)整后的實驗課設(shè)置為工程材料及成形技術(shù)實踐與創(chuàng)新課程，總學(xué)時增加到16課時。實驗內(nèi)容在原有實驗基礎(chǔ)上，增設(shè)了針對機械裝備零部件的液態(tài)成形工藝及組織、缺陷觀察與分析，焊接成形工藝及組織、缺陷觀察與分析實驗，以期鍛煉學(xué)生的工程實踐能力和綜合分析能力。

（二）教學(xué)方法的改革

為了改善現(xiàn)有教學(xué)方法中存在的不足，在工程材料實驗課程的教學(xué)實踐過程中，要遵循“學(xué)生是教育教學(xué)活動的主體”的原則，并有針對性地進行相應(yīng)的教學(xué)改革。

第一，采用問題導(dǎo)向教學(xué)方法。由工程問題引出實驗?zāi)康暮徒虒W(xué)內(nèi)容，從而引起學(xué)生的興趣，吸引其注意力，提高學(xué)生參與、設(shè)計實驗的積極性。實驗課程的教學(xué)過程應(yīng)不僅僅局限于實驗原理的講解和實驗步驟的演示，可以嘗試以問題為導(dǎo)向、以學(xué)生為中心[8-9]，引導(dǎo)學(xué)生針對所提出的問題找出解決方法、設(shè)計實驗方案，并結(jié)合實驗設(shè)備，解決該問題，使學(xué)生由被動實驗、重復(fù)實驗，變?yōu)橹鲃訉嶒?、?chuàng)新實驗。以問題為導(dǎo)向的教學(xué)方法，把傳統(tǒng)的以教師為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心，在教師引導(dǎo)和啟發(fā)下，使學(xué)生處于一種主動積極的學(xué)習(xí)狀態(tài)，提高其學(xué)習(xí)效果。

第二，充分利用先進教學(xué)模式?，F(xiàn)代化教學(xué)手段日新月異，授課教師可以借助虛擬課堂、網(wǎng)絡(luò)輔助教學(xué)視頻等，引入虛擬操作、教學(xué)動畫、工程實例等[10-12]，通過圖、文、聲相互作用，增強學(xué)生的感性認識，讓學(xué)生更好地理解和掌握相關(guān)實驗的基本原理和實驗過程。

第三，積極采用智慧教學(xué)。與傳統(tǒng)的教學(xué)方式相比，智慧教學(xué)以更加多元、高效、開放的特點，促進教師與學(xué)生之間更加通暢、深入地交流，把課程預(yù)習(xí)、實驗操作、考核以及教學(xué)效果的評價等融入智慧系統(tǒng)中[13-14]。利用智慧校園、智慧課堂等信息化技術(shù)和資源，開展教學(xué)活動，使學(xué)生在實驗結(jié)束后，仍能夠通過智慧教學(xué)系統(tǒng)進行相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)和討論，從而使學(xué)生在任何時間、任何地點、基于任何設(shè)備都能獲取所需教學(xué)資源，享受無處不在的學(xué)習(xí)服務(wù)的學(xué)習(xí)過程即所謂的泛在學(xué)習(xí)。

（三）考核形式改革

學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，不能機械地根據(jù)一次考試成績進行評價，學(xué)習(xí)效果不僅應(yīng)包括課程相關(guān)知識的理解和掌握情況，還應(yīng)該包含使用相關(guān)知識解決工程問題能力。所以，工程材料實驗課程的考核，也不能僅僅依靠實驗報告進行評價，而應(yīng)該采用多形式、全方位的綜合考核方式。

第一，實驗報告內(nèi)容改革?？梢赃m當(dāng)減少在實驗指導(dǎo)書中顯而易見的內(nèi)容，例如實驗?zāi)康?、實驗方法等?nèi)容。加強對實驗原理、實驗方案的考核內(nèi)容，強化學(xué)生對實驗思路的理解。增加多種實驗方法對比、實驗方案改進等開放性討論內(nèi)容，讓學(xué)生在討論中加深對基本原理的理解，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

第二，降低實驗報告成績在考核中的比例。降低實驗報告成績比例，增加實驗過程學(xué)生操作能力、實踐能力和創(chuàng)造性能力的考核，促進學(xué)生應(yīng)用知識解決工程問題能力的培養(yǎng)。采用多種考核形式進行測評，可有效減少或消除因?qū)嶒瀳蟾娉u而造成的成績評價不合理的現(xiàn)象。

第三，適當(dāng)增加課堂測試。通過引入課堂測驗的考核方式，強化學(xué)生實驗操作水平和工程實踐能力，同時提高學(xué)生的實驗主動性，有效杜絕了一部分學(xué)生不做實驗，抄襲他人實驗結(jié)果的現(xiàn)象。

三、結(jié)束語

工程材料實驗課程是促進學(xué)生應(yīng)用知識解決工程實際問題的重要環(huán)節(jié)。以工科為主的高等院校，應(yīng)積極開展實驗課程的教學(xué)改革，不斷地探索和完善人才培養(yǎng)方式，并以工程教育認證為契機，持續(xù)改進教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式。

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[責(zé)任編輯：鐘 嵐]