“雙一流”建設背景下《材料力學性能》課程教學改革研究與實踐

彭紅兵 孟廣彬 張榮良 周超洋 汪曉勇 崔祥水

摘要：在“雙一流”建設背景下，《材料力學性能》課程的建設將面臨新的挑戰(zhàn)和機遇。該文深入分析了目前該課程在教學過程中存在的主要問題，針對教學內容多、課時少、教學方式單一以及實驗內容固化等方面進行了相應的改革和實踐，提出了基于需求、力求精練實用，優(yōu)化教學內容、以“學”為中心，豐富教學方式以及以能力培養(yǎng)、思維創(chuàng)新為導向，科學設置實驗等舉措，提升了教學效果，為實現(xiàn)教學目的與人才培養(yǎng)目標奠定了良好的基礎。

關鍵詞：材料力學性能課程現(xiàn)狀教改實踐“雙一流”建設

中圖分類號：G642文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1672-3791（2022）04（a）-0000-00

Teaching Reform Research and Practice on Mechanical Properties of Materials under the Background of "Double First-Class" Construction

PENG Hongbing MENGGuangbinZHANG RongliangZHOU ChaoyangWANG Xiaoyong

CUI Xiangshui

（School of Metallurgical and Materials Engineering， Jiangsu University of Science and Technology， Zhangjiagang， Jiangsu Province，215600 China）

Abstract： Under the background of "double first-class" construction， the course of "Mechanical Properties of Materials" will face new challenges and opportunities. This paper makes an in-depth analysis of the main problems existing in the teaching process of this course. The corresponding reform and practice are carried out in the aspects of more teaching content， less class time， single teaching method and solidified experimental content; and the measures， such as based on the demand， refining and practical， optimizing the teaching content， taking "learning" as the center， enriching the teaching methods， and taking ability cultivation and thinking innovation as the guidance， setting up experiments scientifically， have been put forward. The teaching effect has been improved， which lays a good foundation for the realization of teaching objectives and personnel training objectives.

Key Words： Mechanical properties of materials; Curriculum present situation; Teaching reform practice; “Double first-class” construction

《材料力學性能》是江蘇科技大學冶金與材料工程學院材料類專業(yè)的一門基礎課程，旨在使學生掌握金屬材料力學性能的基礎知識、影響因素、測試方法，培養(yǎng)學生從專業(yè)角度分析金屬材料相關工程問題的思路，并使之具備一定的材料選擇、力學性能測試、材料性能改進等工程問題的解決能力。因此，《材料力學性能》課程的教學效果以及學生掌握的程度對后續(xù)畢業(yè)設計乃至工作與科研生涯將產(chǎn)生深遠的影響。此外，為加快我國高等教育強國建設，黨中央、國務院做出了加快世界一流大學和世界一流學科建設這一重大戰(zhàn)略決策和部署。2015年10月，國務院下發(fā)《統(tǒng)籌推進世界一流大學和一流學科建設總體方案》文件指出要“堅持立德樹人，突出人才培養(yǎng)的核心地位，著力培養(yǎng)具有歷史使命感和社會責任心，富有創(chuàng)新精神和實踐能力的各類創(chuàng)新型、應用型、復合型優(yōu)秀人才”。這標志著國家對于人才培養(yǎng)要求提升到了一個新的高度。“雙一流”建設的核心任務就是建設“一流”的本科教育，培養(yǎng)“一流”的人才。

課程是本科教育的基本依據(jù)，是實現(xiàn)教育目的和人才培養(yǎng)的基本保證。優(yōu)化課程體系是培養(yǎng)一流人才的關鍵。沒有一流的課程，“雙一流”就不可能實現(xiàn)。而一流的本科教育又是“雙一流”建設的重要內涵與核心任務[1]。因此，“雙一流”建設為課程的教學改革帶來的新的挑戰(zhàn)與機遇。目前，國內許多普通高校根據(jù)各自特定的專業(yè)方向和特色，從教學大綱、教學內容、教學方法、實驗內容等方面對《材料力學性能》課程進行了相應的改革實踐和探索。如中國民航大學理學院所開設的《材料力學性能》課程，張國尚等研究學者[2]提出在新工科背景下，需借鑒“跨學科”課程的教學方法對該課程的教學內容進行有機融合，突出工程能力、專業(yè)英語應用能力、科學精神與人文素養(yǎng)、創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)。此外，還要對其教學方法和手段進行優(yōu)化、建立多元化考核評價體系。葉芳霞等研究學者[3]從材料科學與工程專業(yè)特點出發(fā)，對該課程教學內容、教學方法、實驗設置以及過程考核等方面進行優(yōu)化，能夠提高學生的學習熱情，強化學生的知識運用能力、工程實踐能力以及創(chuàng)新能力。張振亞等研究學者[4]認為要深化《材料力學性能》課程改革，需要認真分析當前學生的特點，結合現(xiàn)代教育心理學理論、教學手段，深入對教材內容進行改革，對教學大綱進行調整以及改革評價考核等一系列方面來推動課程的教學改革。而丁貝等研究學者[5]則認為只有通過優(yōu)化課程內容，豐富和創(chuàng)新教學手段，將實驗教學的數(shù)量和質量落到實處，才能達到良好的教學效果，實現(xiàn)培養(yǎng)學生綜合素質和創(chuàng)新能力的教學目的，完成為社會輸送高質量的實用性人才的計劃。此外，劉川等研究學者[6]以焊接技術與工程專業(yè)為例，認為需根據(jù)專業(yè)特點，突出專業(yè)特色和工程背景，優(yōu)化和調整課程內容，注重基礎理論知識和專業(yè)的應用銜接，采取討論式教學，引導學生對知識的探究，激發(fā)學生興趣。

因此，無論是《材料力學性能》課程改革，還是 “雙一流”建設，國內高校都進行了一些改革實踐和探索，并取得了一定的成績，然而由于每個學校之間的專業(yè)方向和特色、硬件設施、實驗條件、師資隊伍等存在較大的差別，筆者學院并不能照搬他人的改革模式和實踐。該文深入分析了“雙一流”建設背景下該院《材料力學性能》課程在教學中存在的主要問題，并探討了該課程教學中的改革舉措與具體實踐，以期為培養(yǎng)一流的材料領域應用型人才提供強有力的支撐。

1 教學中存在的問題

1.1 內容多、課時少

目前，該院選用合肥工業(yè)大學束德林老師主編的《工程材料力學性能》（第三版）作為《材料力學性能》課程的主講教材。該教材分為11個章節(jié)，主要內容涉及如下3個方面[7]：（1）材料在一次加載條件下的形變和斷裂過程，所測性能指標主要用于評價零件在服役過程中抗過載失效的能力;（2）論述疲勞、蠕變、磨損以及環(huán)境效應這4種常見的與時間相關的失效形式，材料對這4種形式失效的抗力決定了零件的壽命;（3）主要介紹陶瓷材料、高分子材料以及復合材料的力學性能。近年來，隨著培養(yǎng)計劃的繼續(xù)修訂，該課程的教學時數(shù)由縮減后的40課時進一步減少至32課時。因此，內容多、課時少這一現(xiàn)狀迫使教師只能對某些內容做簡要介紹。此外，大部分學生對《材料科學基礎》《金屬學與熱處理》等先修課程知識掌握不牢，導致學生上課跟不上，學習興趣低，應用所學知識解決實際問題的能力明顯不足。為在有限的課時內，達到良好的教學效果，在“雙一流”建設背景下，必須及時優(yōu)化、重組教學內容。

1.2 教學方式單一

隨著科技的發(fā)展，教學方式和手段越來越多元化，然而，目前高校教師的教學方式仍采用以PPT講授為主的“填鴨式”教學。該院《材料力學性能》課程的教學方式也是如此，然而該課程內容抽象、理論性較強、概念多、公式推導復雜，教師照本宣科的情況仍然存在，加之課時緊張，每次課的知識點較多，導致學生對知識點的掌握不足，使學生在課程學習過程中感到枯燥、無趣，更談不上學生的個性發(fā)展。如此單一的教學方式也導致了學生的知識體系單一，達不到人才培養(yǎng)的目的。為了提升教學效果、實現(xiàn)人才培養(yǎng)目標，在“雙一流”建設背景下，必須采用多元化的、更合理的教學方式，使每位學生都能從中受益。

1.3 實驗內容固化

目前，該院《材料力學性能》課程的課內實驗內容仍為“金屬光滑試樣靜拉伸實驗”以及“系列沖擊實驗”這兩個經(jīng)典實驗。這些實驗在實際操作過程中均變?yōu)檠菔尽Ⅱ炞C性實驗，雖能一定程度上加深學生對所學知識的理解和掌握，但缺乏對學生探索能力的培養(yǎng)以及創(chuàng)新思維的訓練。同時，實驗學時的嚴重不足，也造成了學生的實踐機會大打折扣。此外，實驗報告相互抄襲的現(xiàn)象依然嚴峻，學生對數(shù)據(jù)處理和實驗結果的分析能力嚴重不足。為了提高學生實踐能力，培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和探索能力，在“雙一流”建設背景下，必須優(yōu)化實驗教學內容，使每位學生都能親自參與從試樣制備-加工-實驗-數(shù)據(jù)處理-結果分析這一全過程。

2“雙一流”建設背景下《材料力學性能》課程的教學實踐

2.1 基于需求、力求精練實用，優(yōu)化教學內容

《材料力學性能》作為該院材料類專業(yè)的基礎課，為實現(xiàn)教學目的和人才培養(yǎng)目標，必須根據(jù)專業(yè)特點和需求，以精煉、實用為導向，對教學內容進行優(yōu)化，這樣才能在有限課時內讓學生汲取到與本專業(yè)密切相關的知識[8-16]。如該院材料成型、焊接等專業(yè)主要關注的是金屬材料的力學性能，如靜載荷下的力學性能、沖擊韌性、斷裂韌度、疲勞、腐蝕、磨損以及高溫力學性能。因此，基于該院所開設的專業(yè)方向和特色，在授課過程中強化了教材中靜載荷下的力學性能、沖擊韌性、斷裂韌度、疲勞、腐蝕、磨損以及金屬的高溫力學性能等章節(jié)的內容，弱化了陶瓷、高分子以及復合材料力學性能部分內容的講授，僅將這部分內容作為了解性內容，讓學生在有精力的條件下進行自我學習。

此外，學生前期已修完了《工程力學》《材料力學》等課程，這些課程部分內容已涉及了材料在各種外力作用下產(chǎn)生的應力、應變、強度、剛度以及導致材料破壞的極限等知識。因此，在課時不斷縮減的背景下，對該課程的內容進行了優(yōu)化，如對“金屬在靜載荷條件下的力學性能”的課時進行了適當?shù)膲嚎s，在此基礎上，引入了一定量的工程案例以及科學前沿知識，既鞏固了基礎知識又提升了學生分析、解決問題的能力以及科研創(chuàng)新能力。另外，對材料成型專業(yè)，引入了新金屬材料的力學性能及其成型工藝等教學內容，適當壓縮了腐蝕章節(jié)的課時;對焊接專業(yè)，引入了焊接新材料的力學性能及其焊接工藝等教學內容，適當壓縮了彎曲、扭轉、壓縮以及斷裂韌度等章節(jié)的課時。通過上述教學內容的優(yōu)化，該課程的教學目的以及各專業(yè)人才培養(yǎng)目標得以良好實現(xiàn)。

2.2 以“學”為中心，豐富教學方式

根據(jù)該課程的教學目標和實際需求，在整個教學過程中要突出學生的中心地位，關注學生“學什么”和“怎么學”，注重學生學習興趣的培養(yǎng)，而不是教師“教什么”和“怎么教”。因此，為豐富教學方式，提高學生的學習興趣，該課程充分、合理地利用了MOOC、超星等線上的優(yōu)質教學資源，提前安排學生在規(guī)定的時間內通過視頻學習、資料查閱、參與討論以及問卷答題等形式完成相應的線上學習任務，不但提升了學生自主學習的積極性，也拓展了課程教學的時間和空間維度，一定程度上緩解了內容多、課時少這一痛點。此外，上課前，教師對線上平臺提供的視頻學習情況，討論、答題情況等數(shù)據(jù)進行分析，預估學生對相關知識點的掌握程度，以便更為合理地設計、組織線下的課堂教學，如針對錯題率較高的知識點，會引入具體的工程或科研案例，采用互動性較強的討論式教學，逐步引導學生去理解和掌握該知識點。

另外，在“雙一流”建設背景下，為進一步提高學生應用所學知識解決具體實際問題的能力，課堂中仍需進行啟發(fā)式教學。如在講到金屬材料的強度和塑性章節(jié)時，金屬材料可以通過位錯強化、細晶強化、固溶強化、第二相強化等手段提高其強度，然而金屬材料強度的提升會伴隨塑性的損失，此時可拋出“金屬材料有可能在具備較高強度的同時擁有良好的塑性嗎，如何實現(xiàn)？”這一啟發(fā)性的問題，引入研討環(huán)節(jié)，讓學生主動思考、積極參與;又如，在金屬塑性變形一節(jié)，Hall-Petch關系表明金屬材料的強度，可以通過細化晶粒得以提高，此時即可提出“是否會出現(xiàn)例外的情況呢？”進行討論式教學，隨后通過前沿知識的引入和講授，發(fā)現(xiàn)并非所有金屬晶粒細化時都能滿足這一規(guī)律，特別是當細化后的晶粒尺寸低于某臨界晶粒尺寸（通常為10～30 nm）時，某些金屬的強度會偏離Hall-Petch關系，強度不再升高甚至會下降，并對其原因和改善措施進行相應分析和講解。通過以上方式的教學，既能保證教學質量，還能鍛煉學生應用所學知識的能力。課后也可引導學生繼續(xù)查閱最新文獻資料，驗證課堂上的討論結果，進一步鞏固所學知識，同時也能強化學生查閱文獻、分析問題、解決問題的能力，讓學生從被動接受向主動學習轉變。

2.3 以能力培養(yǎng)、思維創(chuàng)新為導向，科學設置實驗

在“雙一流”建設背景下，為進一步提升學生的實驗實踐能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維[17， 18]，對該課程的實驗進行了如下科學設置。首先，將原來由教師主導操作的演示、驗證性實驗改為由學生全程主導的綜合性實驗，即教師在講解了實驗原理、目的以及操作要求等必要內容外，整個實驗從試樣制備—加工—實驗—數(shù)據(jù)處理—結果分析均由每組學生獨立完成。其次，實驗內容不再局限于“金屬光滑試樣靜拉伸實驗”以及“系列沖擊實驗”這兩個經(jīng)典實驗，而是增加了“金屬材料硬度測試實驗”“旋轉彎曲疲勞實驗”以及“摩擦磨損實驗”，每組學生可根據(jù)自身情況任選兩個實驗，這樣既能在有限的實驗學時內豐富實驗內容、增加實踐機會，還能避免部分學生重復實驗、消極對待。最后，實驗材料也不局限于實驗室統(tǒng)一購買的45#鋼，而是可以選用自己本創(chuàng)項目、參加的開放選修實驗以及教師科研項目中的材料，這樣既杜絕了實驗報告相互抄襲、敷衍了事的現(xiàn)象，還能夠培養(yǎng)學生的溝通以及團隊協(xié)作能力，同時也強化了學生發(fā)現(xiàn)、分析以及解決問題的創(chuàng)新思維。

3結語

《材料力學性能》是我院材料類專業(yè)的基礎課，在“雙一流”建設背景下，筆者分析和總結了該課程教學過程中存在的問題，通過對教學內容、教學方式以及實驗設置3個方面的改革和實踐，使教學內容更加精煉、實用，符合專業(yè)需求;教學方式更加豐富，提高了學生的學習興趣;實驗設置更加科學、合理，提升了學生運用所學知識解決實際問題的能力以及學生的創(chuàng)新思維能力。在以后的教學活動中，為實現(xiàn)該課程的教學目的和人才培養(yǎng)目標仍需不斷進行總結和調整。

參考文獻

[1] 鐘秉林，方芳.一流本科教育是“雙一流”建設的重要內涵[J].中國大學教學，2016（4）： 110.

[2] 張國尚，馮日寶，紀朝暉.新工科背景下材料力學性能課程教學改革[J].大學教育，2019（4）： 75-77.

[3] 葉芳霞.工程材料力學性能課程教學改革思考與探索[J].中國教育技術裝備，2019（18）：76-78.

[4] 張振亞，陳剛，楊睿，等.深化《材料力學性能》課程改革的思考和探討[J].科技創(chuàng)新導報，2015，12（23）：165-166.

[5] 丁貝.《材料力學性能》課程教學改革的研究[J].廣州化工，2017，45（11）： 190-191.

[6] 劉川，王儉辛，田立輝，等.面向專業(yè)特點的材料力學性能課程教學改革[J].廣州化工，2017，45（23）： 184-185.

[7] 束德林.工程材料力學性能[M].北京：機械工業(yè)出版社，2016.

[8] 彭紅兵.應用型人才培養(yǎng)下《材料力學性能》課程教改實踐[J].科技創(chuàng)新導報，2017（32）： 222-223， 225.

[9] 田立輝，趙勇，王曉麗，等.以培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和實踐能力為目標的“材料力學性能”課程教學改革[J].教育現(xiàn)代化，2018，5（50）： 69-70.

[10] 滿田囡，沙桂英，王赫男，等.材料力學性能課程混合式教學[J]. 中國冶金教育， 2020（5）： 1-4.

[11] 徐敬堯，周小麗.工程教育專業(yè)認證背景下材料力學性能實驗課程教學改革與實踐[J].教育觀察，2021， 10（34）： 87-89，93.

[12] 魏曉剛，劉會麗，楊柳川，等.材料力學性能課程的教改探討與實踐[J].磚瓦，2021（3）： 193-194.

[13] 高文斌，顧小燕，黎文航.工程教育OBE理念下的《材料力學性能》課程教學改革的探討[J].科技視界， 2021（5）： 67-68.

[14] 高遠飛，司朝霞，王娟.《材料性能學》課程內容整合與教學改革探討[J].山東化工，2020，49（23）： 230-231， 233.

[15] 左立杰，史云云，賀毅強，等.基于應用型人才培養(yǎng)的材料力學性能教學改革[J].科技資訊，2020，18（32）： 143-145.

[16] 楊眉，王平，黃志宇，等.基于“專創(chuàng)融合”的材料力學性能課程建設與實踐[J]. 教育教學論壇， 2020（43）： 242-243.

[17] 張洪亮，王赫男，國旭明，等.基于研究應用型人才培養(yǎng)的材料力學性能課程教學[J].中國冶金教育， 2019（4）： 29-30.

[18] 陳剛，高榮禮，符春林，等.基于微課模式的材料力學性能實驗課程項目化教學[J].中國冶金教育，2020（1）： 78-79，83.