工程教育OBE理念下的《材料力學(xué)性能》課程教學(xué)改革的探討

高文斌 顧小燕 黎文航

（江蘇科技大學(xué)材料科學(xué)與工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，江蘇 鎮(zhèn)江212003）

0 引言

《材料力學(xué)性能》這門課程通過理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)等環(huán)節(jié)，從各種機(jī)件常見的服役情況和失效方式出發(fā)，使學(xué)生掌握材料抵抗失效破壞的常用力學(xué)性能指標(biāo)的基本含義及測(cè)試方法，了解失效現(xiàn)象的微觀機(jī)理，掌握內(nèi)在因素（成分、組織、冶金質(zhì)量、殘余應(yīng)力等）和外在條件（載荷性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)、加載速率、測(cè)試環(huán)境等）對(duì)材料力學(xué)性能的影響，為材料的開發(fā)研制和合理使用提供依據(jù)。

工程教育專業(yè)認(rèn)證的基本理念是“以學(xué)生為中心，以學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向，持續(xù)改進(jìn)”，即OBE理念，高等學(xué)校的核心任務(wù)是培養(yǎng)滿足行業(yè)認(rèn)可的既定質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求的畢業(yè)生，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求為導(dǎo)向[1]。工程教育認(rèn)證為我國(guó)高等院校人才培養(yǎng)提供了明確的目標(biāo)和方向，近幾年，以工程教育認(rèn)證為導(dǎo)向的教學(xué)改革已經(jīng)在我國(guó)許多高等院校課程中得到了推廣和應(yīng)用[3-4]。本文以材料力學(xué)性能為例，探討了基于OBE理念的課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及考核方式等方面的課程改革。

1 教學(xué)現(xiàn)狀分析

（1）本課程內(nèi)容多，概念多，理解困難，授課課時(shí)少。在我校材料學(xué)院最新的2018版課程教學(xué)大綱中，本課程開設(shè)在大三上學(xué)期，總課時(shí)為32學(xué)時(shí)，課堂教學(xué)為28學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)為4學(xué)時(shí)，包含2次實(shí)驗(yàn)。理論教學(xué)部分涵蓋了材料在靜拉伸載荷、彎曲載荷、扭轉(zhuǎn)載荷、沖擊載荷下的力學(xué)性能，也包括材料的斷裂韌性、疲勞現(xiàn)象、應(yīng)力腐蝕開裂和氫脆、高溫力學(xué)性能，平均每章課堂授課課時(shí)僅為4學(xué)時(shí)。2次實(shí)驗(yàn)教學(xué)分別為通過沖擊韌性測(cè)試研究低碳鋼的低溫脆性和測(cè)定不同熱處理狀態(tài)的低碳鋼的維氏硬度。

（2）本課程的知識(shí)點(diǎn)繁雜，教學(xué)難度大，傳統(tǒng)的“灌輸式”課堂講授學(xué)生的參與度不夠。每節(jié)課學(xué)生會(huì)接觸大量的新術(shù)語(yǔ)和新的力學(xué)性能指標(biāo)，部分內(nèi)容理論性較強(qiáng)，晦澀難懂，導(dǎo)致學(xué)生在有限的學(xué)習(xí)時(shí)間中難以長(zhǎng)時(shí)間保持學(xué)習(xí)興趣，學(xué)習(xí)積極性不高。

（3）傳統(tǒng)的考核方式通常是平時(shí)作業(yè)（20%）、實(shí)驗(yàn)（20%）、期末考試（60%）三個(gè)方面，無(wú)法綜合考核學(xué)生的應(yīng)用知識(shí)能力。本課程每章教學(xué)內(nèi)容結(jié)束后，針對(duì)重點(diǎn)內(nèi)容布置了作業(yè)，完成平時(shí)作業(yè)除要仔細(xì)閱讀和理解教材外，還需要查閱相關(guān)資料，部分同學(xué)認(rèn)真查閱資料和閱讀教材，較好地完成了作業(yè)，但也有抄襲別人的作業(yè)的嚴(yán)重現(xiàn)象。期末考試方式為閉卷考試，這種考核方式偏重于學(xué)生的應(yīng)試能力，學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)通過死記硬背取得不錯(cuò)的成績(jī)，但是無(wú)法深入理解消化基本知識(shí)，在開放性的概念題中表現(xiàn)不佳。

（4）實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)偏簡(jiǎn)單，與課堂理論教學(xué)有差距。本課程的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)為沖擊韌性和硬度實(shí)驗(yàn)，總體而言，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，便于掌握，而沒有關(guān)于斷裂韌性和疲勞的測(cè)試方法和技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，斷裂韌性和疲勞是跟實(shí)際結(jié)合更加緊密的知識(shí)，在科研和工程實(shí)踐中應(yīng)用得非常廣泛，據(jù)報(bào)道，工程失效案例統(tǒng)計(jì)表明，高達(dá)80 %的失效為疲勞斷裂，因此，目前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)并沒有完全體現(xiàn)課程知識(shí)的重要性。而且，實(shí)驗(yàn)考試方式單一，以實(shí)驗(yàn)老師的演示和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的考核為主，無(wú)法對(duì)學(xué)生的掌握程度進(jìn)行有效的考核。

2 教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式改革

本課程涉及大量的名詞術(shù)語(yǔ)和力學(xué)性能指標(biāo)，有些術(shù)語(yǔ)晦澀難懂，讓學(xué)生非常頭疼，如果按部就班地按照教材內(nèi)容和常規(guī)的教學(xué)方式進(jìn)行講解，往往無(wú)法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，導(dǎo)致課堂教學(xué)效果大打折扣。但是本學(xué)科的一大特點(diǎn)就是，和實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合，每一種力學(xué)性能指標(biāo)的背后都有著大量的案例，不管是歷史上的慘案還是現(xiàn)代設(shè)計(jì)中預(yù)防此類事故發(fā)生的成功案例，這些案例（尤其是最新發(fā)生的案例）往往沒有體現(xiàn)在學(xué)生的教材中，因此，在課堂講授中，老師有意識(shí)地通過這些案例來(lái)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，在學(xué)習(xí)每一個(gè)力學(xué)性能指標(biāo)之前，介紹其背后的案例和人們?nèi)绾沃鸩缴钊胝J(rèn)識(shí)此類問題發(fā)生的原因和防止措施，對(duì)這個(gè)力學(xué)性能指標(biāo)的工程意義理解得更加深刻。我們以低溫脆性為例，在講解低溫脆性這個(gè)概念之前，給學(xué)生播放泰坦尼克號(hào)的沉沒視頻，展示100多年前泰坦尼克號(hào)上所使用的鋼板及其斷口形貌，指出鋼板存在的低溫脆性，再進(jìn)一步解釋低溫脆性現(xiàn)象和產(chǎn)生的原因，闡述其發(fā)生的微觀機(jī)理，這樣既吸引了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又加深了學(xué)生對(duì)低溫脆性的理解，取得良好的教學(xué)效果。

另外，在講解各種力學(xué)性能指標(biāo)的微觀機(jī)理時(shí)，要加強(qiáng)學(xué)生對(duì)一些重要公式的推導(dǎo)過程的理解。由于教材對(duì)一些概念和公式闡述的不夠詳細(xì)，老師應(yīng)該從其他參考書或渠道對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充，把握公式推導(dǎo)的核心依據(jù)和推導(dǎo)過程，而不是簡(jiǎn)單地展示公式結(jié)果，讓學(xué)生記住公式，這樣學(xué)生無(wú)法深刻領(lǐng)會(huì)公式背后的意義。以斷裂力學(xué)中的裂紋尖端的塑性區(qū)形狀的教學(xué)為例，教材只是簡(jiǎn)單地給出了塑性區(qū)的形狀以及相關(guān)的公式，并沒有詳細(xì)說(shuō)明塑性區(qū)為什么是立體啞鈴形，我們通過查閱其他文獻(xiàn)，先通過Irwin關(guān)于裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的解析解來(lái)計(jì)算裂紋尖端各位置的主應(yīng)力，再通過米塞斯畸變能屈服準(zhǔn)則，從而得到關(guān)于塑性區(qū)形狀尺寸的公式，這些公式和推導(dǎo)過程并不需要學(xué)生記憶，但是學(xué)生理解了這個(gè)推導(dǎo)過程后，學(xué)生會(huì)更加深刻領(lǐng)會(huì)裂紋尖端塑性區(qū)的形狀尺寸。

在教學(xué)方式上，傳統(tǒng)教學(xué)以老師講授為主，學(xué)生懶于思考，教學(xué)效果較差。采用多媒體和板書結(jié)合是目前不錯(cuò)的教學(xué)手段，老師尤其應(yīng)該注意PPT的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該及時(shí)地更新，做到有趣、有料、有深度，本課程涉及大量的工程案例，應(yīng)該多展示相關(guān)的圖片、動(dòng)畫和視頻，在輕松的課堂教學(xué)氛圍中實(shí)現(xiàn)良好的教學(xué)效果。老師應(yīng)當(dāng)把握好課堂節(jié)奏，如果一味地展示講解過多的知識(shí)，也會(huì)導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)疲勞，無(wú)法集中注意力，這時(shí)，可以通過課堂提問，放緩節(jié)奏，引導(dǎo)學(xué)生積極思考。另外，可以讓學(xué)生上臺(tái)講解某一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，針對(duì)該學(xué)生的講解，詢問其他學(xué)生是否聽明白、有什么問題提問，既活躍了課堂氣氛，提高了學(xué)生的課堂參與度，也鍛煉了學(xué)生的表達(dá)交流能力。

3 考核方式改革

本課程的考核總成績(jī)由平時(shí)成績(jī)、實(shí)驗(yàn)成績(jī)和期末成績(jī)?nèi)糠纸M成，平時(shí)成績(jī)和實(shí)驗(yàn)成績(jī)往往出現(xiàn)作業(yè)雷同的嚴(yán)重現(xiàn)象，而期末考試主要考查了學(xué)生的應(yīng)試能力，無(wú)法對(duì)學(xué)生的綜合能力進(jìn)行有效考核。老師可以嘗試弱化期末成績(jī)所占比例，增加通過分組討論的考核，綜合考查學(xué)生查閱文獻(xiàn)、制作PPT、作報(bào)告、溝通交流和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力。每4～5人分為一組，制定相應(yīng)的主題（以力學(xué)性能指標(biāo)為主，結(jié)合工程案例說(shuō)明其工程意義），各組員通過查閱文獻(xiàn)，甄別文獻(xiàn)，選擇合適的案例對(duì)該指標(biāo)的工程意義和應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)的講解，老師應(yīng)當(dāng)指導(dǎo)學(xué)生反復(fù)修改PPT，指導(dǎo)學(xué)生如何做學(xué)術(shù)報(bào)告，團(tuán)隊(duì)中各組員分工明確，協(xié)作完成指定的課題，從而對(duì)其綜合能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。這種考核方式增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，培養(yǎng)了學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，更加符合現(xiàn)階段的工程教育認(rèn)證的培養(yǎng)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以O(shè)BE理念為導(dǎo)向，探索了材料力學(xué)性能的課程教學(xué)改革，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和考核方式等方面進(jìn)行了實(shí)踐探索，針對(duì)本課程概念多難度大和與實(shí)際結(jié)合緊密的特點(diǎn)，增加案例學(xué)習(xí)調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，通過分組學(xué)習(xí)討論，鍛煉學(xué)生的查閱文獻(xiàn)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、制作PPT和做學(xué)術(shù)匯報(bào)的能力，最終實(shí)現(xiàn)具有良好綜合素質(zhì)、自主學(xué)習(xí)能力和解決復(fù)雜材料科學(xué)問題能力的培養(yǎng)目標(biāo)。