面向智能制造工程專業(yè)的《工程材料》課程教學(xué)改革探討

賈清波

（蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州）

一 引言

伴隨著新型信息技術(shù)和先進(jìn)加工技術(shù)的快速發(fā)展應(yīng)用，全球制造業(yè)布局發(fā)生了重要變革，以數(shù)字化信息為基礎(chǔ)的智能制造加工成為當(dāng)今全球制造業(yè)發(fā)展的新趨勢[1-2]。通過將信息技術(shù)與加工技術(shù)的深入融合滲透，生產(chǎn)制造過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)實現(xiàn)了智能化變革，智能制造技術(shù)大大改變了傳統(tǒng)制造業(yè)的生產(chǎn)和管理模式。通常情況下，智能制造技術(shù)以智能工廠為載體，以加工制造數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，并在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支撐下，促進(jìn)生產(chǎn)效率和生產(chǎn)效益的大幅提升。目前，世界工業(yè)發(fā)達(dá)國家紛紛提出制造業(yè)振興戰(zhàn)略，智能制造技術(shù)以其自身顯著優(yōu)勢受到了廣泛關(guān)注。智能制造技術(shù)的推廣應(yīng)用，有望推動生產(chǎn)自動化向智能化、先進(jìn)集成化和柔性化方向發(fā)展，對于越來越多國家制造業(yè)升級轉(zhuǎn)型具有重要作用。

作為支撐加工制造業(yè)發(fā)展的重要基石，材料在人類社會進(jìn)步中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，材料科學(xué)的發(fā)展也有力地促進(jìn)了制造業(yè)的快速進(jìn)步[3-5]。材料科學(xué)是一門理論和實踐相結(jié)合的學(xué)科，主要研究材料的化學(xué)成分組成、組織結(jié)構(gòu)以及性能之間的關(guān)系，并通過加工工藝設(shè)計和優(yōu)化，最終提升材料服役性能以期滿足制造業(yè)的需要。作為加工制造業(yè)的主要對象，必須掌握材料領(lǐng)域共性規(guī)律和基礎(chǔ)理論知識，利用實驗研究材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的作用關(guān)系，最終解決實際生產(chǎn)和復(fù)雜工程問題。

近年來，智能制造成為了教育部明確規(guī)劃發(fā)展的領(lǐng)域之一，并納入了本科生專業(yè)培養(yǎng)范疇[6]。加工制造業(yè)技術(shù)的日益更新，導(dǎo)致智能制造行業(yè)對于高端材料需求強(qiáng)勁的同時，對材料類人才的需求也日益增強(qiáng)。事實上，在加工制造行業(yè)人才培養(yǎng)諸多環(huán)節(jié)中，對具有材料類知識人才的培養(yǎng)必不可少。因此，為了滿足社會發(fā)展需要，高等院校在智能制造人才培養(yǎng)過程中對材料科學(xué)的教育教學(xué)提出了更高要求。工程材料是材料學(xué)科的一個重要組成部分，其所涵蓋的基礎(chǔ)知識是工程師應(yīng)當(dāng)具備的基本素養(yǎng)[7]。然而，在“智能制造”新時代背景下，《工程材料》專業(yè)課程教學(xué)過程中普遍存在“內(nèi)容少、教材落后”現(xiàn)象，導(dǎo)致人才培養(yǎng)缺乏與學(xué)科前沿發(fā)展相融合、缺乏與工程實踐相融合、缺乏與制造業(yè)發(fā)展趨勢相融合等突出問題。

本文將結(jié)合筆者自身的教學(xué)實踐經(jīng)歷，針對上述智能制造專業(yè)人才培養(yǎng)問題，重點圍繞智能制造工程專業(yè)《工程材料》課程教學(xué)內(nèi)容，對普通高等院校智能制造工程專業(yè)《工程材料》課程教學(xué)改革方向作探索研究。

二 課程教學(xué)特點與突出問題

智能制造工程專業(yè)涉及機(jī)械工程、自動化、計算機(jī)和工業(yè)工程等學(xué)科門類，是一門典型的多學(xué)科交叉“新工科”專業(yè)[8]。目前，普通高等院校智能制造工程專業(yè)本科學(xué)生培養(yǎng)主要目標(biāo)為掌握機(jī)械、電子、控制和管理等基本原理和知識，并要求具有解決智能制造工程領(lǐng)域中復(fù)雜工程問題的能力。因此，在上述人才培養(yǎng)要求背景下，智能制造工程專業(yè)所開設(shè)的《工程材料》課程多以專業(yè)基礎(chǔ)課程形式開展教學(xué)工作。然而，在教學(xué)實踐過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式主要延續(xù)傳統(tǒng)機(jī)械工程專業(yè)《工程材料》課程教學(xué)模式，表現(xiàn)出以下突出問題：

1）理論知識傳授不深入問題。在理論知識教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，智能制造專業(yè)課程體系中機(jī)械加工、機(jī)械制造等相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)課程需要頻繁涉及材料學(xué)相關(guān)概念和知識，例如正火、淬硬層、磨損機(jī)制等，而《工程材料》教材多以講述基本概念、基本理論和基本方法為主，對于機(jī)械加工制造等專業(yè)課程中涉及卻未能涵蓋在《工程材料》課程中的基礎(chǔ)知識，智能制造工程專業(yè)本科生在學(xué)習(xí)過程中無法短時間接受和理解，進(jìn)而影響整個專業(yè)課程學(xué)習(xí)進(jìn)度。此外，在工程材料課程基礎(chǔ)知識傳授過程中存在一些比較抽象的概念，這些概念僅通過示意圖展示不能夠很好地被學(xué)生接受，導(dǎo)致理論無法聯(lián)系實際，在理解材料理論知識的過程中非常困惑。

2）教學(xué)內(nèi)容滯后問題。專業(yè)課程建設(shè)過程中通常開設(shè)新型智能制造工藝相關(guān)課程，例如增材制造技術(shù)、激光先進(jìn)加工技術(shù)等，這些課程對材料學(xué)相關(guān)理論知識提出了更高要求。例如，激光與材料作用過程中極快的冷卻速度和極高的溫度梯度，導(dǎo)致加工材料中生成復(fù)雜的殘余應(yīng)力和非平衡凝固組織，使得材料表現(xiàn)出非同尋常的機(jī)械性能，給成形構(gòu)件提出了非傳統(tǒng)的熱處理需求。在日常教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)《工程材料》教材對于前沿加工技術(shù)涉及材料學(xué)知識體系具有一定的滯后性，無法與前沿科學(xué)現(xiàn)狀相結(jié)合。因此，基于傳統(tǒng)制造工藝而設(shè)置的工程材料課程內(nèi)容無法與智能制造背景下先進(jìn)加工工藝中的材料知識體系相適應(yīng)，學(xué)生想學(xué)習(xí)了解更多的材料學(xué)知識卻又無從下手。

3）實踐能力培養(yǎng)問題。智能制造工程專業(yè)本科生在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論知識課程的同時，通常開展機(jī)械制造類課程設(shè)計、實驗教學(xué)及專業(yè)實習(xí)等內(nèi)容，以期在培養(yǎng)學(xué)生動手能力的同時，對相關(guān)基礎(chǔ)理論知識進(jìn)行實踐檢驗。例如，在機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計過程中，通常會給本科生安排設(shè)計零件加工實驗課程，用以驗證設(shè)計構(gòu)件能否滿足實際使用需求。筆者在上述教學(xué)活動開展過程中發(fā)現(xiàn)，智能制造工程專業(yè)本科生常常表現(xiàn)出對材料科學(xué)相關(guān)知識（比如剛度、疲勞強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度等）“不了解”或“一知半解”問題，導(dǎo)致學(xué)生解決實際問題能力非常欠缺。

4）創(chuàng)新應(yīng)用思維培養(yǎng)問題。如何能將所學(xué)工程材料基礎(chǔ)知識創(chuàng)新性應(yīng)用于解決智能制造生產(chǎn)實際工程問題，這是檢驗教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)成果的有效指標(biāo)。事實上，材料類科學(xué)問題在智能制造生產(chǎn)過程中無不涉及，通過結(jié)合《工程材料》課程中的專業(yè)基礎(chǔ)知識以及智能制造專業(yè)課程中的其他理論知識，創(chuàng)新性提出解決智能制造生產(chǎn)問題方案。比如，通過加工工藝設(shè)計提升材料性能，進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，結(jié)合精益排產(chǎn)規(guī)劃，最終促進(jìn)生產(chǎn)效率和效益的提升。目前，智能制造工程專業(yè)本科生在學(xué)習(xí)過程中，不能結(jié)合各專業(yè)課程基礎(chǔ)理論知識間的相互聯(lián)系并創(chuàng)新性地應(yīng)用于實際問題，導(dǎo)致培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新應(yīng)用思維能力出現(xiàn)嚴(yán)重問題。

三 課程教學(xué)內(nèi)容改革探討

針對智能制造工程專業(yè)本科生培養(yǎng)的特點以及其中涉及的突出問題，考慮學(xué)生知識結(jié)構(gòu)體系以及創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)必要性，結(jié)合用人企業(yè)對于智能制造工程專業(yè)人才培養(yǎng)總體需求，筆者基于自身的教學(xué)體會以及企業(yè)專家建議，提出以下智能制造工程專業(yè)《工程材料》課程的改革措施：

立足培養(yǎng)目標(biāo)，深化專業(yè)課程體系建設(shè)。智能制造工程專業(yè)課程建設(shè)體系中指出，制造類相關(guān)基礎(chǔ)理論知識的學(xué)習(xí)旨在培養(yǎng)學(xué)生解決實際生產(chǎn)過程中復(fù)雜工程問題的能力。工程材料作為制造加工的對象，其相關(guān)知識的學(xué)習(xí)對解決制造加工工程問題非常重要，而材料類科學(xué)本身是一門多學(xué)科交叉性系統(tǒng)基礎(chǔ)科學(xué)，涉及數(shù)學(xué)、物理、冶金、化學(xué)等多個學(xué)科分支的有機(jī)結(jié)合[9]。為此，智能制造工程專業(yè)課程體系建設(shè)過程中，需要學(xué)生在掌握材料基礎(chǔ)理論知識的基礎(chǔ)上，了解材料成分、組織、性能與用途之間的作用關(guān)系，理解加工零部件的生產(chǎn)全周期過程，通過工藝優(yōu)化改進(jìn)零部件性能和設(shè)計，達(dá)到解決實際生產(chǎn)過程工程問題的目的?；谏鲜雠囵B(yǎng)目標(biāo)，在當(dāng)前智能制造專業(yè)課程體系建設(shè)現(xiàn)狀下，加強(qiáng)專業(yè)課程體系頂層設(shè)計，堅持以學(xué)生能力培養(yǎng)為主體原則，以專業(yè)特色建設(shè)發(fā)展方向為指引，提升材料類及制造類專業(yè)基礎(chǔ)課程在智能制造專業(yè)課程體系中的重要基礎(chǔ)作用，融合材料類專業(yè)基礎(chǔ)課程與制造類專業(yè)課程培養(yǎng)內(nèi)容，最終結(jié)合學(xué)生知識結(jié)構(gòu)體系以及企業(yè)人才培養(yǎng)總體需求，構(gòu)建全面而成熟的專業(yè)課程內(nèi)容體系。

與時俱進(jìn)，系統(tǒng)拓展優(yōu)化培養(yǎng)方案。在“新工科”建設(shè)和“智能制造”的雙重背景下，以智能制造行業(yè)熱點為切入點，結(jié)合智能制造新工藝對材料學(xué)基礎(chǔ)知識的需求，進(jìn)一步拓展材料前沿知識體系，同時強(qiáng)化課程培養(yǎng)重點內(nèi)容，系統(tǒng)優(yōu)化培養(yǎng)方案。例如，對于當(dāng)前發(fā)展迅速的激光增材制造工藝而言，其非平衡快速凝固、往復(fù)循環(huán)加熱冷卻等冶金特征與傳統(tǒng)合金材料加工工藝截然不同，導(dǎo)致材料在微觀尺度上成分和組織的均勻性以及宏觀方面上的力學(xué)和功能特性，與傳統(tǒng)加工工藝制備的零部件都有非常顯著的差異。上述差異正逐步變工程師對于零部件設(shè)計的觀念，材料-結(jié)構(gòu)-性能一體化整體性設(shè)計模式正日益體現(xiàn)出增材中制造技術(shù)的獨特優(yōu)勢，并有望變革未來航空、航天、醫(yī)療、汽車等領(lǐng)域零部件的設(shè)計方式[10]。這就要求專業(yè)教師在課程講授過程中，進(jìn)一步拓展相關(guān)基礎(chǔ)知識點，對比分析傳統(tǒng)加工和增材制造技術(shù)的冶金特點，將研究內(nèi)容轉(zhuǎn)化為課程教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新探索精神。此外，教師在課堂教學(xué)過程中，在完成教學(xué)計劃設(shè)定知識內(nèi)容的前提下，可以通過知識體系延伸、基礎(chǔ)理論融合以及工程案例拓展等方式，進(jìn)一步豐富教學(xué)內(nèi)容，保障講授知識體系的完整性和全面性，以期實現(xiàn)從“學(xué)生聽得懂”到“學(xué)生理解透”的轉(zhuǎn)變，扎實學(xué)生基礎(chǔ)知識，最終提升教學(xué)效果。

理論與實踐相結(jié)合。以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、動手能力和解決實際問題能力為出發(fā)點，開展基礎(chǔ)知識理論與實踐緊密結(jié)合的教學(xué)模式，實現(xiàn)從基礎(chǔ)理論到工程創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的過渡，促進(jìn)學(xué)生將理論知識運用到實踐中去的主觀學(xué)習(xí)能動性，提升學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識。材料類專業(yè)具有與工程實踐緊密結(jié)合的科學(xué)特性，學(xué)生可通過實驗、課程設(shè)計、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、學(xué)科競賽等方式深度參與進(jìn)來，將所學(xué)理論知識得以實踐，并結(jié)合實際工程問題提出創(chuàng)新方案解決實際問題。例如，在課程設(shè)計及實驗開展過程中，可針對具體使用工況環(huán)境下零部件成品率差導(dǎo)致的生產(chǎn)效率低等問題，促使學(xué)生基于掌握的《工程材料》理論知識，選擇合理的材料成分和成形工藝，制定并優(yōu)化生產(chǎn)工藝流程，提出創(chuàng)新解決方案并運用到實踐中去。另一方面，通過邀請智能制造相關(guān)企業(yè)一線精英參與到課程內(nèi)容的講授工作中，介紹《工程材料》相關(guān)基礎(chǔ)知識在實際生產(chǎn)中的重要作用，增進(jìn)學(xué)生對智能制造工藝生產(chǎn)過程的認(rèn)識，了解行業(yè)發(fā)展動向和前沿?zé)狳c問題。此外，依托高水平科技競賽活動，如中國“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)活動等，鼓勵學(xué)生結(jié)合自身所學(xué)知識體系設(shè)定參賽題目，在解決工程問題的同時，實現(xiàn)對所學(xué)知識的鞏固和實踐檢驗，同時提升學(xué)生工程實踐能力和創(chuàng)新應(yīng)用思維能力。

四 結(jié)語

綜上，《工程材料》專業(yè)基礎(chǔ)課程在智能制造工程專業(yè)課程體系中具有十分重要的作用，針對智能制造產(chǎn)業(yè)對相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)的具體需求，開展《工程材料》專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)內(nèi)容改革探討非常必要。通過上述教學(xué)改革探索，深化智能制造專業(yè)課程體系，優(yōu)化智能制造專業(yè)培養(yǎng)方案，促進(jìn)學(xué)生掌握扎實的基礎(chǔ)理論知識，提升學(xué)生實踐能力，滿足高速發(fā)展經(jīng)濟(jì)社會對智能制造技術(shù)人才的需要。在實際人才培養(yǎng)過程中，仍需要對學(xué)習(xí)成果建立健全的監(jiān)督制度和具體評價制度，并根據(jù)學(xué)習(xí)成果反饋及時調(diào)整教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容，持續(xù)推進(jìn)教學(xué)改革工作，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)能力、應(yīng)用能力以及創(chuàng)新能力，提升智能制造專業(yè)綜合素養(yǎng)。最終，隨著教學(xué)內(nèi)容的深入改革推進(jìn)，智能制造專業(yè)本科生對于制造加工基礎(chǔ)知識的掌握將更加牢固和全面，能更好符合智能制造產(chǎn)業(yè)對專業(yè)人才的需求，最終服務(wù)我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型和發(fā)展。