基于理論和項(xiàng)目相結(jié)合的機(jī)械工程材料教學(xué)方法探索

金莫輝 王慰祖

摘要：針對(duì)當(dāng)前機(jī)械工程材料課程的理論教學(xué)存在的難懂和枯燥等問題，文章基于理論和項(xiàng)目相結(jié)合的方式，在課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法上做了探索，提出開發(fā)虛擬熱處理教學(xué)軟件和增設(shè)課題項(xiàng)目，增加學(xué)生的實(shí)踐機(jī)會(huì)，以改善課程的教學(xué)效果，提升學(xué)生的參與感和學(xué)習(xí)主動(dòng)性。

關(guān)鍵詞：機(jī)械工程材料;教學(xué)方法;課程項(xiàng)目

中圖分類號(hào)：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1674-9324（2020）15-0224-02

一、背景分析

機(jī)械工程材料課程是一門高等院校機(jī)械類專業(yè)的基礎(chǔ)課。該課程通過研究材料的成分、組織、工藝與性能之間的關(guān)系，使得學(xué)生初步掌握如何根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合選擇機(jī)械零件的材料和制定相應(yīng)的加工工藝路線，是連接材料科學(xué)和機(jī)械制造基礎(chǔ)的中間紐帶。從實(shí)際的理論授課情況來(lái)看，該課程的難點(diǎn)主要在于內(nèi)容多而繁雜，術(shù)語(yǔ)、概念及原理規(guī)律抽象且難以理解，容易造成學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣缺乏、獲得感較低，課堂氣氛不活躍，理論教學(xué)效果不理想[1，2]。具體存在的問題表現(xiàn)為：

1.該課程理論性強(qiáng)、內(nèi)容覆蓋面廣，含有大量材料學(xué)原理規(guī)律和抽象的概念[3];同時(shí)，課程又與生產(chǎn)實(shí)際緊密聯(lián)系，需要一定的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)才能更好地理解相關(guān)材料加工工藝[4]。然而，該課程常與材料力學(xué)和機(jī)械制造基礎(chǔ)這兩門專業(yè)基礎(chǔ)課同時(shí)講授，造成了知識(shí)基礎(chǔ)出現(xiàn)錯(cuò)位，學(xué)生難以理解和接受課程的內(nèi)容。

2.講授的內(nèi)容以金屬材料及其熱處理為主，對(duì)非金屬材料和新興材料僅作簡(jiǎn)單介紹，而在實(shí)際生產(chǎn)中，非金屬材料及新興材料的應(yīng)用大有后發(fā)趕超金屬材料之勢(shì)，容易導(dǎo)致學(xué)生認(rèn)為所學(xué)的內(nèi)容難有用武之地，失去學(xué)習(xí)的興趣。

3.該課程的實(shí)驗(yàn)具有特殊性，一個(gè)零件的熱處理實(shí)驗(yàn)常需要十幾個(gè)小時(shí)以上才能完成。受到實(shí)驗(yàn)條件的限制，所開設(shè)的實(shí)驗(yàn)常為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，如硬度的測(cè)量、金相試樣的制備、鐵碳合金平衡組織的觀察、鋼的熱處理展示等。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)在于操作簡(jiǎn)單、結(jié)果明了，但無(wú)法滿足學(xué)生的求知欲與探索欲，導(dǎo)致學(xué)生難以投入。

二、解決方法與措施

為了解決以上問題，需要探索一些新的教學(xué)方法，以提高機(jī)械工程材料的教學(xué)效果，使學(xué)生能夠適應(yīng)日新月異的新材料時(shí)代。該課程在教學(xué)模式和方法上可做如下探索：

1.優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容，突出實(shí)用性和前沿性。機(jī)械工程材料課程涵蓋的內(nèi)容廣泛，既有深?yuàn)W的材料學(xué)理論，又有與生產(chǎn)實(shí)際密切相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。為適應(yīng)學(xué)時(shí)短的限制和應(yīng)對(duì)新工科建設(shè)的新挑戰(zhàn)，有必要對(duì)該課程的教學(xué)內(nèi)容和安排進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。首先，強(qiáng)化結(jié)構(gòu)—工藝—性能這一條主線，重點(diǎn)掌握一些關(guān)鍵的概念和理論，如晶體的結(jié)構(gòu)、鐵碳合金相圖、C曲線、CCT曲線、熱處理工藝以及材料的選擇，使學(xué)生在這一主線上樹立宏觀而深刻的認(rèn)識(shí);其次，減少一些過于抽象、實(shí)用性不強(qiáng)的理論知識(shí)的教學(xué)學(xué)時(shí)，突顯該課程的實(shí)用性，如晶體學(xué)的理論知識(shí)和組織的形成機(jī)理等;最后，增加非金屬材料的教學(xué)時(shí)間，補(bǔ)充新興材料的介紹，以開拓學(xué)生的知識(shí)面和對(duì)前沿知識(shí)的了解。

2.改善課堂教學(xué)方法，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和參與感。傳統(tǒng)的授課方式容易使該課程的教學(xué)氛圍變得沉悶，宜采用多樣化的教學(xué)方法來(lái)改善教學(xué)效果。首先，要求學(xué)生主動(dòng)去發(fā)現(xiàn)和思考生活中使用的材料，并在每次課預(yù)留前十分鐘給學(xué)生展示他們所發(fā)現(xiàn)的材料，根據(jù)自己的認(rèn)識(shí)介紹材料的工況、性能和組織等。這樣可以使學(xué)生更加了解日常所見的材料以及它們的組織、性能等，提高他們對(duì)材料學(xué)的興趣和學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。其次，通過采用視覺效果更好的圖片和模擬動(dòng)畫展示材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其組織形成過程，使學(xué)生更有興趣地學(xué)習(xí)抽象的理論知識(shí)。最后，對(duì)于一些與工程實(shí)踐密切相關(guān)的知識(shí)，多采用案例式和啟發(fā)式的教學(xué)方法，將理論轉(zhuǎn)化為實(shí)際的工程項(xiàng)目問題，從材料現(xiàn)象和問題啟發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)新概念和新方法，提高學(xué)生的參與感。

另外，在條件允許的情況下，可基于現(xiàn)有理論和大數(shù)據(jù)開發(fā)可模擬熱處理工藝的虛擬熱處理教學(xué)軟件。學(xué)生可以通過設(shè)定常用的金屬材料、熱處理工藝及其工藝參數(shù)，軟件直接通過圖像的方式給出熱處理過程的材料組織變化，以及材料最終的力學(xué)性能范圍，使得學(xué)生能夠直觀地認(rèn)識(shí)到熱處理工藝對(duì)材料組織和性能的影響。這樣的虛擬教學(xué)軟件可大大降低實(shí)物實(shí)驗(yàn)的時(shí)間和成本，給予學(xué)生在工藝路線設(shè)計(jì)上充分犯錯(cuò)的機(jī)會(huì)，幫助他們積累一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

3.增設(shè)課程項(xiàng)目，加強(qiáng)實(shí)踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

如圖1所示，增設(shè)與整個(gè)理論教學(xué)過程同步進(jìn)行的開放性課程項(xiàng)目，替代原有的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，包含以下幾個(gè)步驟：（1）要求學(xué)生在課程的開始階段自行組成3至5人的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì);（2）隨著理論課程的進(jìn)行，學(xué)生自行選擇一種感興趣的機(jī)械零件，并根據(jù)所學(xué)知識(shí)分析其工況、所需的材料性能和組織;（3）項(xiàng)目選題經(jīng)教師復(fù)核過后，學(xué)生自行完成熱處理工藝路線的設(shè)計(jì)，并與教師討論工藝路線的合理性;（4）學(xué)生通過熱處理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的工藝路線，檢驗(yàn)所得零件的組織和性能是否滿足最初的設(shè)計(jì)要求;（5）撰寫項(xiàng)目報(bào)告并做口頭答辯。

整個(gè)課程項(xiàng)目圍繞結(jié)構(gòu)—工藝—性能這一條主線，與理論教學(xué)內(nèi)容同時(shí)進(jìn)行，是理論教學(xué)的補(bǔ)充，兩者相輔相成，可幫助學(xué)生更好地體會(huì)到材料對(duì)機(jī)械零件的重要性。通過課程項(xiàng)目可達(dá)到以用促學(xué)的效果，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，鞏固其所學(xué)知識(shí)，提升教學(xué)效果和學(xué)生的獲得感;同時(shí)鍛煉學(xué)生分析、解決問題的能力、團(tuán)隊(duì)合作能力、實(shí)踐能力以及創(chuàng)新意識(shí)。

三、結(jié)語(yǔ)

文章基于理論和項(xiàng)目相結(jié)合的方式對(duì)機(jī)械工程材料課程的教學(xué)內(nèi)容和方法進(jìn)行了探索，提出優(yōu)化現(xiàn)有的教學(xué)內(nèi)容，突出實(shí)用性和前沿性，同時(shí)改善課堂教學(xué)方法、開發(fā)虛擬熱處理軟件，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與感，最后提出增設(shè)課程項(xiàng)目，理論與實(shí)踐相結(jié)合地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力、團(tuán)隊(duì)合作能力和創(chuàng)新意識(shí)。

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