新工科背景下《工程金属材料》课程教学改革探索

来源:用户上传      作者:

　　【摘 要】中国建设制造强国的战略需求推动了“新工科”的产生。在此背景下，本文从教学内容整合、教学手段创新以及教师教学素质提升三个方面，探讨适应“新工科”人才培养体系的《工程金属材料》课程教学改革。本文提出该课程教学内容应平衡广度与深度，紧密结合最新工程实践;课堂教学应灵活运用多媒体并且引导学生走上讲台;各高校可通过选派教师进入企业进修实习，以及组织相关领域教师定期交流等提高教师教学素质。
　　【关键词】新工科;工程金属材料;教学改革
　　中图分类号： G642;TG1-4 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）31-0111-002
　　DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.31.053
　　0 引言
　　改革开放以来，中国制造业迅猛发展，目前已成为世界上制造业规模最大的国家，出口产品稳居世界第一。制造业的蓬勃发展对于提升我国国际影响力功不可没。但是，目前为止中国制造业仍然存在不可忽视的问题，，自主创新能力、产业结构水平、资源利用效率、信息化程度、质量效益等方面与世界发达国家制造业相比有较大差距，亟待转型升级和跨越发展。2015年，为了促进我国从制造大国向制造强国转变，中国政府颁布了第一个十年行动纲领《中国制造2025》，并提出了通过“三步走”实现制造强国的战略目标，强调要健全完善中国制造从研发、转化、生产到管理的人才培养体系[1]。我国传统工科人才培养体系中，学科培养方向较为单一，并且实用性不足，无法满足建设制造强国的需求。针对此问题，教育部于2017年颁布了《新工科研究与实践项目指南》，将目前高校设置的电子技术、计算机技术、安全工程、网络与信息工程、功能材料、新能源等专业纳入“新工科”的范畴，通过对相关专业培养方案的整理，建设以互联网和工业智能为核心，以材料、信息、能源等领域为主干的“新工科”专业，注重电子、信息、软件等新技术与传统工科专业的紧密结合，强调学科的实用性、交叉性与综合性。材料科学作为机械、信息、电子等学科的基础，是“新工科”建设的重中之重[2]。
　　《工程金属材料》是材料类专业核心课程之一，主要面向高等学校非材料科学专业工科学生，例如能源与动力工程专业，机械科学与工程专业等。通过该课程的学习，使得非材料专业工科学生熟悉金属材料的成分、组织、结构与性能的关系及变化规律，依据实际工作状况要求，初步具有金属材料的选型、以及正确选择一般零件热处理方法的能力。课程根据与材料相关工科类专业人才培养的要求，以及金属材料的发展趋势设置，内容涉及《材料科学基础》、《金属热处理》和《材料力学性能》等，知识面覆盖广、理论体系复杂、综合实践性强。该课程对培养高质量实用型、交叉型和综合型人才，促进“新工科”的发展具有重要作用。然而，目前该课程实际教学过程中还存在一定问题，包括教学内容陈旧，教学手段单一，教师教学素质有待提高等。因此，本文以东南大学面向能源与环境学院开设的《工程金属材料》课程为例，从教学内容整合、教学手段创新以及教师教学素质提升等方面，探索“新工科”背景下面向非材料科学专业工科学生的金属材料相关课程教学改革。
　　1 教学内容整合
　　1.1 教学内容广度与深度的平衡
　　《工程金属材料》以电厂常用金属材料的组织及性能为主线，培养学生对电厂用金属材料失效事故分析及处理的工程实践能力。课程大纲要求的教学内容包括金属材料绪论（常用性能及指标、晶格类型及结晶过程）、铁碳相图及其合金、钢的热处理、合金钢、耐热钢、有色金属及其合金、锅炉及汽轮机主要零部件用钢、锅炉与汽轮机用钢事故分析等，涵盖了材料科学专业多门基础课程的内容，知识面覆盖广，理论体系复杂，并且授课对象是没有材料科学基础知识的能源与环境专业学生，而培养大纲规定本课程只有32课时。因此，要使学生在有限的课时中既掌握金属材料相关知识，也能在实践中灵活运用所学知识进行材料选用及失效事故分析等，教学内容的选择尤为关键，不仅要覆盖主要知识点，也要有一定的理论深度。
　　教学内容应有主次之分，重点内容详细讲解，次要内容只需在课堂上提炼概括。金属材料组织与性能对于材料的选用极其重要，可利用较多课时进行深入详细讲解，这部分内容包括晶体结构及结晶过程、铁碳相图及其合金、钢的热处理、材料的力学性能等。晶体结构决定宏观性能，深入浅出讲解晶体的常见原子排列方式，使学生充分理解常见的晶体结构及其对性能的影响，晶体结构的微观结构缺陷对宏观力学性能的影响，金属材料结晶过程的驱动力及影响因素等。铁碳相图是理解钢铁材料組织与性能的基础，学生应在理解的基础上熟悉不同碳含量及热历史的铁碳合金平衡组织。热处理是金属材料制备的重要过程，决定了材料的最终使用性能，从不同升温/冷却过程中原子扩散的角度帮助学生理解热处理“四把火”对金属材料组织与性能的影响。不同体系钢/有色合金也是《工程金属材料》课程包含的内容，主要介绍各体系金属材料成分、分类、编号方式、性能及应用领域，属于记忆性知识点，不应占用过多课时，而应以学生课后自学为主。此外，本课程还包括锅炉与汽轮机用钢及事故分析，该部分内容列举实际案例，分析失效原因，并提出解决方法。然而教材上提供的案例年代久远，与当前实际缺乏联系。教师可根据近期实际生产中出现的案例，提出实际问题，安排学生分组讨论，运用课程所学知识分析失效原因并提出解决方案，加深学生对课程内容的理解。
　　1.2 教学内容紧密结合最新工程实践
　　《工程金属材料》课程使用的教材是由宋琳生主编的普通高等教育“十二五”规划教材《电厂金属材料》，该课程在编写的过程中引入了大量电厂实际案例，帮助学生深入理解课程内容。然而，该教材1990年第一版出版至今已近三十年，教学内容陈旧，虽然本课程使用的是2013年出版的第四版，但大部分内容仍与第一版相同，无法帮助学生了解最新工程实践情况。因此，教师备课时不能只准备教材内容，还应通过查阅文献、与其他教师或工程师交流等方法，了解最新工程实践金属材料选用或使用过程中出现的问题及解决方法，加以整理，引入教学内容。最新工程实践问题也能更大程度地激发学生学习兴趣，提高课堂效率。 　　2 教学手段创新
　　2.1 灵活运用多媒体手段
　　“教育改变人生，网络改变教育”。信息技术的发展影响了人们生活的方方面面，也包括高等教育教学。东南大学每年都立项改善教室教学环境，目前每间教室都配备有完备的多媒体系统，包括投影仪、电脑、话筒及摄像机，为教师提供多媒体教学的各种硬件设备。信息网络提供了大量工程实践素材，教师备课时不应拘泥于教材及书本，可以从网络上获取实际工程案例，参考相关课件，丰富、完善教学内容;学习精品课程名师教学视频，提高授课水平;收集精彩工程应用或动画视频，挑选与课程高度契合的视频在课堂上展示，让学生“亲眼所见”，加深对课堂所学知识的理解。
　　《工程金属材料》课程涉及大量钢铁企业实际生产工艺，如铸造、锻造、焊接、热处理等，受场地等条件限制，课堂教学无法让学生切身体会这些工艺，不利于对课程知识的学习和理解。材料科学专业一般会组织学生到相应钢铁生产企业，实际参观学习这些工艺。对于非材料专业的工科学生，由于主要专业内容不是金属材料，较少有机会去相关企业参观实习。虚拟仿真软件提供方便、快捷、高效的“身临其境”的钢铁生产工艺学习手段，能将实验教学内容的广度和深度有效拓展，延伸实验教学时间和空间，并且大幅提升实验教学质量和水平，是课堂教学的有力辅助。根据教育部发布的《2017-2020年示范性虚拟仿真实验教学项目建设规划》，由教育部支持建设了国家虚拟仿真实验教学项目集中展示共享的平台---实验空间。该平台上展示了多学科虚拟仿真教学软件，其中包括模拟金属材料制备过程的“金属高压铸造技术的虚拟仿真实验”等。学生可在教师的指导下，充分利用该平台上的模拟仿真软件，弥补无法亲临工厂一线参观实习的不足。
　　2.2 引导学生走上讲台
　　传统的“老师讲，学生听”课堂教学模式不利于培养学生解决实际问题的能力[3]。对于部分结合实际案例的章节，例如锅炉与汽轮机用钢事故分析等，可引导学生上台主讲。将学生分为若干小组，每个小组指定一个相关项目，各组学生分工合作，查阅文献资料，设计汇报课件，按照“分析问题-解决问题-总结经验”的思路在课堂上汇报。教师根据各组的汇报情况，进行总结和点评，并结合课程内容提出一些问题引导学生进一步思考。这种引导学生走上讲台的授课方式，不仅促进学生主动思考，锻炼发现问题、解决问题的能力，同时也提高了学生分工协作及设计、制作课件的能力[4]。
　　3 教师教学素质的提升
　　3.1 选派教师进入企业进修实习
　　培养实用型高级人才，离不开具有丰富实践经验的教师。大部分高校教师长期从事科研教学工作，理论知识丰富，但是工厂实践机会较少或者几乎没有。教学内容需要联系工程实际时，缺乏实践经验，只能从网络或书本上获取相关案例，根据自己的理解向学生讲述，很难做到生动有趣，鞭辟入里。因此，選派课程授课教师，定期进入企业进修，深入生产第一线，参与解决实际生产问题，在实际生产过程中结合书本上的理论知识，深入理解钢的热处理，铁碳相图等，了解产业前沿动态，不断更新教学内容。有了实际企业实习经验的教师，在课堂上能更加绘声绘色，有的放矢，吸引学生注意力，提高课堂效率。
　　3.2 相关领域教师定期交流
　　大部分高校，尤其是一流高校，对科研的重视远高于教学，因此高校教师在科研领域的学术交流频繁，然而教学方面的学术交流较少，不利于提高教师教学素质，提升课堂教学水平[5]。因此，高校应有组织地定期举办本校《工程金属材料》及其他相关材料科学、能环工程课程教师座谈会，针对教学内容、教学手段方法等展开交流，不断完善各课程教学内容，更新教学方法。积极与其他一流高校相关课程任课教师交流，汲取成功经验，并结合本校实际予以运用。
　　4 小结
　　通过对教学内容的整合，教学手段的创新以及教师教学素质的提升，《工程金属材料》课程有望为国家培养实践型、交叉型及综合型的高素质人才添砖加瓦，促进“新工科”目标的实现，为中国实现制造强国的梦想贡献力量。
　　【参考文献】
　　[1]陈昶，熊志宏，殷赳.新工科背景下《机械工程材料》课程教学的探索[J].科技视界，2017，21：37-38.
　　[2]吕学鹏，张宝森，巴志新，王章忠.新工科背景下《工程材料》的混合教学模式研究与实践[J].广州化工，2018，46（17）： 126-127.
　　[3]杨敏奇，赵可云.翻转课堂中数字化教育资源融合策略研究[J].中国教育信息化，2019，02：22-26.
　　[4]陈孝文，张德芬.新工科背景下《无损检测》课程的教学方法探讨[J].科技创新导报，2017，29：245-246.
　　[5]李秋红，李蛟，王卫伟，丛日敏，司维蒙.“互联网+”背景下工科院校材料化学专业新工科建设探索[J].化工教学，2018，44（11）：167.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-15054016.htm