融合現(xiàn)代農(nóng)裝特色的《機(jī)械工程材料》教學(xué)改革與探索

賀小偉，劉金秀，張有強(qiáng)，高杰，何義川，李鴻，王旭峰，弋曉康

（塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300）

0 引言

當(dāng)今世界，新一輪工業(yè)革命方興未艾，中國作為新興工業(yè)國，必須抓住新一輪工業(yè)革命發(fā)展的機(jī)遇?！爸袊圃?025”是中國實(shí)施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略的第一個(gè)十年行動(dòng)綱領(lǐng)[1-3]，“農(nóng)機(jī)裝備”是《中國制造2025》中涉及的十大領(lǐng)域之一，文中強(qiáng)調(diào)要“加快發(fā)展大型拖拉機(jī)及其復(fù)式作業(yè)機(jī)具、大型高效聯(lián)合收割機(jī)等高端農(nóng)業(yè)裝備及關(guān)鍵核心零部件”[4]?！吨袊圃?025》的實(shí)施為我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備的發(fā)展指明了方向和思路、制定了目標(biāo)，這對具有農(nóng)林背景優(yōu)勢、與農(nóng)機(jī)裝備直接相關(guān)的高校提出了更高的要求，契合“中國制造2025”戰(zhàn)略的課程教學(xué)改革與探索勢在必行。

《機(jī)械工程材料》課程是各高校近機(jī)類專業(yè)的技術(shù)必修課，該課程以工程材料的組成（成分）-結(jié)構(gòu)-組織-性能之間的關(guān)系及變化規(guī)律為主線，培養(yǎng)學(xué)生在認(rèn)知各類工程材料的基礎(chǔ)上學(xué)會(huì)合理選用材料，并掌握如何合理地提高材料性能[5]。塔里木大學(xué)《機(jī)械工程材料》在校級一流課程建設(shè)基礎(chǔ)上，2021 年12 月被認(rèn)定為兵團(tuán)級一流本科線下課程。目前該課程主要面向農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)化、機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、機(jī)械電子工程、車輛工程專業(yè)的全日制本科生。新時(shí)代的農(nóng)業(yè)裝備企業(yè)對高校人才需求發(fā)生了質(zhì)的轉(zhuǎn)變，農(nóng)林類院校在人才培養(yǎng)中必須緊跟時(shí)代發(fā)展，培養(yǎng)具有機(jī)械創(chuàng)新能力的人才。本文通過分析《機(jī)械工程材料》課程特點(diǎn)，利用信息平臺(tái)并結(jié)合地域發(fā)展特色，有針對性地引入現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備和機(jī)械工程案例內(nèi)容，對教學(xué)和考核方法進(jìn)行改革探索，以期提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

1 課程特點(diǎn)

《機(jī)械工程材料》實(shí)際上是多門課程（如金屬學(xué)、熱處理原理、熱處理工藝、材料學(xué)等）的一個(gè)壓縮刪減版課程，因而該課程的基本概念多且分散，前后章節(jié)關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，教學(xué)內(nèi)容脫離工程實(shí)際應(yīng)用[6-7]。課程內(nèi)容中基礎(chǔ)理論微觀、抽象，學(xué)生通過死記硬背掌握知識(shí)點(diǎn)，但在學(xué)習(xí)后續(xù)課程（機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)）涉及到工程材料相關(guān)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，已基本忘記了該課程的內(nèi)容。在畢業(yè)設(shè)計(jì)繪制裝配圖及部件圖時(shí)很多學(xué)生在標(biāo)題欄中標(biāo)注零件材料時(shí)選材大多不合理或隨意標(biāo)注，有必要加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)。

《機(jī)械工程材料》兼具較強(qiáng)的學(xué)科理論性和應(yīng)用實(shí)踐性，知識(shí)要點(diǎn)的銜接性較強(qiáng)，若學(xué)生不能及時(shí)領(lǐng)悟吃透先授課程的內(nèi)容，隨著知識(shí)盲點(diǎn)的累積，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣將會(huì)下降。目前課程尚未涉及與當(dāng)前國家大力倡導(dǎo)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備相關(guān)的實(shí)例，較難滿足當(dāng)下農(nóng)業(yè)院校近機(jī)類專業(yè)學(xué)生獲取最新研究進(jìn)展的需求，導(dǎo)致學(xué)生對該課程教學(xué)地位與意義的理解不夠直觀深入，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，影響學(xué)生對該課程的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性。該課程一般與材料力學(xué)和機(jī)械原理課程同時(shí)講授，若能及時(shí)引入農(nóng)業(yè)機(jī)械工程、材料學(xué)及相關(guān)機(jī)械工程應(yīng)用案例，將有利于學(xué)生對課程知識(shí)達(dá)到融會(huì)貫通。

2 課程建設(shè)舉措

《機(jī)械工程材料》課程的特點(diǎn)是概念性強(qiáng)、抽象、名詞多，實(shí)踐環(huán)節(jié)少[5]。針對此問題可開展以下建設(shè)：（1）針對概念性強(qiáng)的問題，通過智慧樹、慕課等線上資源學(xué)習(xí)加強(qiáng)知識(shí)理解；（2）針對比較抽象的問題，借助動(dòng)畫、實(shí)體模型、視頻將抽象問題具體化；（3）針對名詞多的問題，制作微課視頻，循序漸進(jìn)，增加印象；（4）針對實(shí)踐環(huán)節(jié)少的問題，開展虛擬實(shí)驗(yàn)建設(shè)，將現(xiàn)實(shí)條件下較難開展的熱處理實(shí)驗(yàn)虛擬化，加強(qiáng)學(xué)生對熱處理工藝、條件和設(shè)備的掌握，結(jié)合南疆廣泛使用的農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備建設(shè)機(jī)械工程材料案例庫，熟悉核心部件所選用的工程材料及加工工藝過程，通過各項(xiàng)建設(shè)達(dá)到教師教得好、學(xué)生學(xué)得好的目標(biāo)。

2.1 修訂課程教學(xué)大綱

圍繞機(jī)械工程材料“價(jià)值塑造、能力培養(yǎng)、知識(shí)傳授”三位一體的課程教學(xué)目標(biāo)，利用工程案例貫穿主線，根據(jù)不同章節(jié)的講解需要拆分出現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備中不同零件作為實(shí)際工程案例來描述，例如機(jī)架、傳動(dòng)部件、標(biāo)準(zhǔn)件和工作部件等，部分零件學(xué)生在金工實(shí)習(xí)時(shí)已經(jīng)接觸過，學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過程中通過對熟知的零部件的成分、組織和性能進(jìn)一步了解可逐步認(rèn)識(shí)到在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計(jì)中選材及制定熱處理工藝的重要性。針對各近機(jī)類專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)方案的實(shí)際需求，結(jié)合農(nóng)林院校人才的培養(yǎng)目標(biāo)，緊跟國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備的發(fā)展方向，重新修訂適合各自專業(yè)的機(jī)械工程材料課程教學(xué)大綱，調(diào)整教學(xué)計(jì)劃。

2.2 增加前沿知識(shí)

《機(jī)械工程材料》課程對非金屬材料和新型材料介紹較少，但在后續(xù)機(jī)械類課程學(xué)習(xí)及實(shí)際生產(chǎn)中很多構(gòu)件為非金屬材料，學(xué)生對該部分知識(shí)生疏，導(dǎo)致學(xué)生在后續(xù)課程學(xué)習(xí)中興趣下降。針對該課程內(nèi)容多與學(xué)時(shí)少的矛盾，課題團(tuán)隊(duì)教師在教學(xué)內(nèi)容調(diào)整時(shí)減少一些抽象、實(shí)用性不強(qiáng)的理論知識(shí)的講解，增加了非金屬材料、新型材料（石墨烯、3D 打印材料、泡沫金屬等）和新工藝（真空熱處理、氣相沉積表面強(qiáng)化技術(shù)等）的教學(xué)內(nèi)容，開拓學(xué)生的知識(shí)面，以適應(yīng)新工科發(fā)展的新挑戰(zhàn)。

課題團(tuán)隊(duì)教師應(yīng)積極了解行業(yè)發(fā)展前沿動(dòng)態(tài)、材料加工關(guān)鍵問題和需求，主動(dòng)參與工程實(shí)踐、積累現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，與行業(yè)專家、企業(yè)工程師進(jìn)行雙向交流，不斷擴(kuò)充知識(shí)體系，提高人才培養(yǎng)能力。

2.3 增加現(xiàn)代農(nóng)裝和機(jī)械工程應(yīng)用案例

《機(jī)械工程材料》課程與生產(chǎn)實(shí)際聯(lián)系緊密，有必要強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)內(nèi)容在工程實(shí)際中的應(yīng)用。在課程建設(shè)中，教學(xué)小組利用網(wǎng)絡(luò)信息平臺(tái)有針對性地總結(jié)和完善典型工程實(shí)例材料或就地取材以采棉機(jī)、拖拉機(jī)、棉花和玉米機(jī)械式精量播種機(jī)、植保無人機(jī)、數(shù)控機(jī)床、精密儀器和焊接機(jī)器人等工程應(yīng)用案例作為教學(xué)延伸內(nèi)容，在課程教學(xué)中針對不同專業(yè)的學(xué)生集中講授其中的部分案例；通過案例教學(xué)一方面可以讓學(xué)生加深對理論內(nèi)容的掌握，另一方面讓學(xué)生形成選用材料、分析材料使用性能和工藝性能的習(xí)慣，有助于學(xué)生提前了解現(xiàn)代農(nóng)機(jī)裝備和機(jī)械設(shè)備的工作原理和選材原則，提高學(xué)生對近機(jī)類專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

新疆的農(nóng)業(yè)機(jī)械現(xiàn)代化和機(jī)械化程度較高，為近機(jī)類專業(yè)學(xué)生更好地學(xué)習(xí)機(jī)械工程材料提供了廣闊的實(shí)例素材。例如，筆者所在塔里木大學(xué)周邊為全國優(yōu)質(zhì)長絨棉生產(chǎn)基地，棉花種植機(jī)械化水平居于全國前列[8]。水平摘錠是采棉機(jī)的關(guān)鍵作業(yè)部件，由于易于磨損，每1～2個(gè)采季周期就得全部更換，而且每個(gè)采季中個(gè)別摘錠也會(huì)出現(xiàn)問題，一方面會(huì)導(dǎo)致采棉機(jī)采凈率下降，另一方面經(jīng)常更換摘錠會(huì)導(dǎo)致采棉機(jī)在高峰作業(yè)期的工作效率下降。摘錠生產(chǎn)技術(shù)是影響采棉機(jī)質(zhì)量的關(guān)鍵“卡脖子”環(huán)節(jié)，如何突破傳統(tǒng)的材料制備技術(shù)，提出先進(jìn)、交叉制造技術(shù)，提高國產(chǎn)摘錠質(zhì)量是農(nóng)業(yè)工程科技工作者需要技術(shù)攻關(guān)的目標(biāo)。通過講述目前所用材料和加工工藝并介紹新材料中交叉學(xué)科的重要性，引導(dǎo)學(xué)生樹立自主創(chuàng)新的意識(shí)，激發(fā)學(xué)生大力弘揚(yáng)“熱愛祖國、無私奉獻(xiàn)、艱苦創(chuàng)業(yè)、開拓進(jìn)取”的兵團(tuán)精神[9]。

3 課程改革實(shí)施基礎(chǔ)

3.1 以任務(wù)驅(qū)動(dòng)法為核心，優(yōu)化教學(xué)方法

在課程教學(xué)中引入典型機(jī)械工程案例的基礎(chǔ)上，采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式，以實(shí)踐教學(xué)強(qiáng)化能力培養(yǎng)，課內(nèi)課外結(jié)合，教學(xué)地點(diǎn)不僅局限于教室，應(yīng)擴(kuò)展到實(shí)驗(yàn)室、農(nóng)機(jī)廠、材料市場等，讓學(xué)生通過調(diào)研、參觀學(xué)習(xí)、動(dòng)手操作等多管齊下獲取機(jī)械工程材料知識(shí)，使得教與學(xué)有機(jī)結(jié)合，拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)空間。

任務(wù)驅(qū)動(dòng)法實(shí)施方案如圖1。針對不同專業(yè)學(xué)生開展不同內(nèi)容的實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)，對于農(nóng)機(jī)專業(yè)學(xué)生，帶學(xué)生到學(xué)校周邊的采棉機(jī)、大型拖拉機(jī)、植保無人機(jī)銷售及維修公司參觀學(xué)習(xí)，對于其他機(jī)械類專業(yè)學(xué)生，帶學(xué)生參觀工程實(shí)訓(xùn)中心的機(jī)床設(shè)備、精密儀器、農(nóng)機(jī)公司的焊接機(jī)器人等。讓學(xué)生在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上分組組建項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，明確任務(wù)目標(biāo)、整理歸納資料、探索試驗(yàn)方案。每組選擇一種現(xiàn)代農(nóng)機(jī)裝備或智能機(jī)械分析機(jī)構(gòu)構(gòu)造，就關(guān)鍵零件的材料、性能要求和熱處理工藝進(jìn)行分析，形成報(bào)告并進(jìn)行答辯。

圖1 任務(wù)驅(qū)動(dòng)法實(shí)施方案

3.2 以過程考核為重點(diǎn)，創(chuàng)新教學(xué)評價(jià)機(jī)制

為確保任務(wù)驅(qū)動(dòng)法收到較好的效果，應(yīng)相應(yīng)地優(yōu)化考核機(jī)制，每個(gè)考核環(huán)節(jié)均有詳細(xì)的考核評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，使考核有依據(jù)、有準(zhǔn)繩；注重過程考核，提高實(shí)踐教學(xué)成績在成績中的比重，讓考核方式更具科學(xué)性和多元性。

3.3 以提高教學(xué)質(zhì)量為目標(biāo)，進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)

每學(xué)期課程結(jié)業(yè)后與班委及課程學(xué)習(xí)不及格的同學(xué)進(jìn)行座談，就教學(xué)安排、教學(xué)設(shè)計(jì)、工程案例、教學(xué)效果的滿意程度及存在的問題進(jìn)行討論，基于評價(jià)結(jié)果有的放矢優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和改進(jìn)教學(xué)方法，建立持續(xù)改進(jìn)機(jī)制，不斷提升教學(xué)質(zhì)量。

4 總結(jié)

針對《機(jī)械工程材料》課程特點(diǎn)，在教學(xué)內(nèi)容中增加新材料和新工藝介紹、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備和機(jī)械工程案例并采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)法拓展教學(xué)空間，激發(fā)學(xué)生參與課程學(xué)習(xí)、探究、討論的興趣和積極性，提高學(xué)生獨(dú)立解決工程實(shí)際問題的能力，樹立工程觀、質(zhì)量觀和系統(tǒng)觀，提升工程素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)出“中國制造2025”強(qiáng)國戰(zhàn)略背景下符合時(shí)代需求的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。