“機械工程材料基礎B”教學改進探討

李 強,劉旭燕

(上海理工大學 機械工程學院,上海 200093)

工程教育認證是一種國際通行的工程與質(zhì)量保障制度,我國于2006開始全面構建國際實質(zhì)等效的工程教育認證體系,于2013年6月成為《華盛頓協(xié)議》預備成員。2016年6月2日,成為正式成員,全面參與《華盛頓協(xié)議》各項規(guī)則的制定,我國工程教育認證的結果和通過認證專業(yè)的畢業(yè)生學位將得到國際認可。工程教育認證有三大核心理念:1)以學生為中心(Student Centered,SC),將全體學生學習效果作為關注的焦點;2)產(chǎn)出導向教育(Outcome-Based Education,OBE),教學設計和實施目標保證學生取得好的學習效果;3)持續(xù)改進(Continuous Quality Improvement,CQI),建立“評價—反饋—改進”的質(zhì)量監(jiān)控和持續(xù)改進機制,能夠推進專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量不斷提升[1-2]。

“機械工程材料基礎B”是由上海理工大學機械工程學院開設的一門學科基礎課程,授課對象是非材料類的學生,主要包括能源與動力學院和機械工程學院。這些學院的學生在今后學習專業(yè)課和進行科研工作的時候,不需要應用高深的材料學方面的知識,但卻要掌握應用需要選擇材料的方法和改進材料性能的手段,以及運用理論知識解釋工程實際中的現(xiàn)象等。根據(jù)機械設計制造及其自動化專業(yè)工程認證的要求,按照“評價—反饋—改進”的質(zhì)量監(jiān)控和持續(xù)改進機制,以“機械工程材料基礎B”的課程目標及其對畢業(yè)要求的支撐為依據(jù),隨機抽取該專業(yè)學生的考試結果進行分析和達成度計算,探討改進教學質(zhì)量的途徑,培養(yǎng)符合工程認證要求的畢業(yè)生。

一、課程目標及其對畢業(yè)要求的支撐

在課程大綱和課程體系對畢業(yè)要求支撐強度的課程矩陣中,“機械工程材料基礎B”的課程目標及其對應支撐的畢業(yè)要求和指標點見表1。其中,課程目標1對畢業(yè)要求“研究”方面及其指標點提供主要支撐,側重于材料科學知識理論體系的構建與應用;課程目標2對畢業(yè)要求“工程知識”方面提供次要支撐,側重于運用基礎知識解決工程實際問題。

表1 課程目標及其支撐的畢業(yè)要求與指標點Tab.1 Course objectives and its supporting graduation requirements and index points

二、課程考核結果分析與達成度計算

期末考核試卷根據(jù)課程目標進行命題,試卷為百分制,其中課程目標1占88分,考察基本知識點及其應用,主要題型包括選擇、填空、判斷和綜合題;課程目標2占12分,考察工程應用中的選材與工藝路線設計,主要題型為填表。課程為半開卷形式,允許學生攜帶一張A4紙資料。對兩個教學班共計100名同學試卷進行分析,計算總分、課程目標1和課程目標2題目的得分率,繪制不同得分率的人數(shù)分布柱狀圖,如圖1(見下頁)所示。課程目標1的考核題目較多,題型全面,其人數(shù)分布基本符合正態(tài)分布規(guī)律,得分率在70%～79.9%最多,見下頁圖1(a)?？偡?8分的平均得分為65分,平均得分率為65/88=73.86%,即課程目標1的達成度為73.86%。課程目標2的考核題目較少,題型單一,題目相對簡單,過半數(shù)同學得分率超過90%,見下頁圖1(b)。總分12分的平均得分為9.72分,平均得分率為9.72/12=81%,即課程目標2的達成度為81%,見下頁圖1(c)。課程目標1所占的比重高,因此,總分得分率分布與課程目標1得分率分布情況相似。

課程采用的開卷考試可以避免使學生將過多的精力花費在記憶上,而更多地側重于知識的應用?？季砬闆r分析表明,學生對知識點的掌握略顯薄弱;對材料選擇和應用方面的成績較好,但由于題目形式單一,并不能全面反映學生的掌握情況。以此考核的結果為基礎,提出不斷改進教學質(zhì)量的方法。

二、教學改進的措施

材料科學知識點涵蓋面廣,包括物理、化學、力學和熱力學等多個方面,教學過程中應該以工程材料的結構—工藝—性能—應用貫徹教學過程;對必要的知識點,如主要力學性能、常見晶體結構和鋼鐵的各種轉變等需要學生強化記憶。運用啟發(fā)式、案例式、參與式和討論式等多種教學方法,使學生在課堂上就能夠充分掌握知識,達到對融會貫通的目標。同時注意教學內(nèi)容的前沿性,應在講述每類材料時都向?qū)W生介紹該類材料的發(fā)展、涉及的新技術、新工藝,以適應新時期科技發(fā)展對人才培養(yǎng)的要求。

圖1 不同得分率的學生人數(shù)分布柱狀圖Fig.1 Histogram of student population distribution with different scoring rates

(一)圍繞畢業(yè)要求,強化教學內(nèi)容

畢業(yè)要求中提到“基于科學原理”進行研究,運用“自然科學、工程基礎和專業(yè)知識”,可見機械工程材料的基本科學原理是教學的重點內(nèi)容。課程體系中的主要原理包括:力學、晶體學、材料凝固過程和二元合金相圖、鋼的非平衡相變和鋼的熱處理原理等。這些內(nèi)容較多且比較零碎,是重點又是難點。在教學過程中,需要把握抽象理論的內(nèi)在聯(lián)系規(guī)律,即以成分、組織、工藝和性能為主線講解,最終目標是實現(xiàn)材料的應用。從晶體結構角度設計材料成分,通過制定和改進熱處理工藝改變組織,達到期望的力學性能。

在授課過程中,結合實際生產(chǎn)進行舉例闡述,例如根據(jù)所需性能,選擇合適溫度進行回火:工具、刃具、量具和模具等需要高的硬度和耐磨性,回火馬氏體滿足要求,適合進行低溫回火;彈簧、發(fā)條、鍛模、沖擊工具需要較高的彈性極限、屈服點和一定的韌性,回火屈氏體滿足要求,選擇中溫回火;連桿、螺栓、齒輪及軸類零件需要強度、塑性和韌性都較好,回火到回火索氏體滿足要求,故選擇高溫回火。講述新知識點的同時,回顧前期內(nèi)容,并適當引出若干后期學習要點,使學生對教學內(nèi)容達到融會貫通。

(二)面對學生需求,改革教學方法

目前,該課程采用傳統(tǒng)教學的教學方式,即以教師講授為主。而工程認證要求是以學生為中心,產(chǎn)出導向式教育,突出體現(xiàn)學生能夠“學到什么”。因而,需要根據(jù)課程目標,選擇合適的教學方式,使學生能夠自主學習,積極參與教學過程,獲得科學知識,主要討論如下。

(1)設計開放式題目,開展必要的課堂討論,充分發(fā)揮學生的自主能動性。教師將班級學生進行分組,隨后布置問題,學生通過查找資料和分組討論,各小組給出各自答案,最后由教師歸納總結[3]。例如,選擇合適的材料制造廚房刀具并設計加工制造過程:廚房刀具需要滿足高耐蝕性、高強度、高硬度和高耐磨性,可選擇耐蝕性高刃具鋼,也可以選擇硬度高的不銹鋼,恰當?shù)脑厥蛊浔３指吣臀g性,通過淬火+低溫回火等合適的熱處理方式獲得高強度、高硬度和高耐磨性。開放式課題的設計,既鞏固了對“工程知識”的掌握,又運用基本知識展開相應的“研究”和探討。

(2)運用多種多媒體手段。如課程目標“鐵碳合金相圖及典型鐵碳合金的平衡結晶過程”中,加熱過程奧氏體化過程與冷卻過程珠光體的形成等,在語言描述的同時,運用視頻演示,給學生更直觀的印象。運用微課和網(wǎng)絡教學等,更好地促進學生對理論的理解,能獲得較好的教學效果。

(3)實驗教學和工程實訓作為課堂教學的有益補充。對于力學性能的測試方法,包括硬度測試、沖擊韌性測試和拉伸測試等,可安排學生到實驗室觀摩和操作。對于材料的鑄造、熱處理和機加工過程,可安排學生到工程實訓中心進行課程實習。使學生更容易“掌握機械工程材料的特性及選用原則,掌握常用工程材料的熱處理方法及工藝規(guī)范”。

(4)使用數(shù)值模擬和虛擬現(xiàn)實技術進行教學。運用ANASYS和SolidWorks進行建模,運用UG進行數(shù)字化造型,運用ABAQUS和ANASYS等軟件進行有限元模擬實現(xiàn)對材料性能的分析和虛擬制造加工等,如材料的冷加工及其再結晶、材料的模擬鑄造等。計算機的運用既能吸引學生興趣,又能夠帶給學生最前沿的知識[4]。使學生“能在工程應用中制定典型零件的熱處理工藝路線”,“解決機械工程領域零部件材料選用及熱處理相關問題”。

(三)針對課程目標,優(yōu)化考核機制

目前該課程主要是采用期末考試為主、平時成績?yōu)檩o的評價方式。其中期末考試占70%,為半開卷形式,允許學生攜帶一張A4紙資料;平時成績占30%,以出勤和作業(yè)為評價依據(jù)。

盡管采用半開卷的形式,但期末考試的試題主要對教材內(nèi)容和知識點進行考核,強調(diào)對基礎知識點的掌握,而忽略了運用基本科學理論解決工程問題和解釋應用中的現(xiàn)象,不利于學生的創(chuàng)造性思維的培養(yǎng),盡管結果符合正態(tài)分布規(guī)律,但主要還是由知識點難易程度和復習情況所致。期末考試題目需要改變這種出題策略,僅少量題目考核基本知識點,較多題目考核以工程應用為基礎,考核知識的靈活應用。設計開放性題目,答案可以不是唯一的,結合工程中常見的問題和現(xiàn)象,如工程材料的常用加工方式、工程材料常采用的熱處理手段和材料的失效形式等,請學生給出各自見解,側重學生對知識體系的理解。

平時成績中,需要結合教學方式,突出對學生課堂表現(xiàn)的考查。除課堂提問外,針對工程實際中的問題開展分組討論,評價分組討論的結果,并對每個同學在分組中的表現(xiàn)進行綜合考評。

需要指出的是,工程認證教育不是精英教育,應在適當拉開梯度的同時避免難度過大。做好各考核的記錄和分析,針對每個同學進行考試分析和達成度計算,確保考核的結果能科學評價學生的知識掌握情況,為改進教學質(zhì)量提供依據(jù)[5-6]。

三、結束語

本文依照工程教育認證中“評價—反饋—改進”的機制,分析學生期末考試試卷答題情況,尋找薄弱點,從教學內(nèi)容、教學方法和考核機制三個方面,對“機械工程材料基礎B”的教學改進進行了探討。期望通過這些教學改革,能夠培養(yǎng)出符合工程教育認證要求、對社會有用的、能夠參與國際競爭的創(chuàng)新型人才。