基于理论和项目相结合的机械工程材料教学方法探索
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作者:金莫辉 王慰祖
摘要：针对当前机械工程材料课程的理论教学存在的难懂和枯燥等问题，文章基于理论和项目相结合的方式，在课程的教学内容和教学方法上做了探索，提出开发虚拟热处理教学软件和增设课题项目，增加学生的实践机会，以改善课程的教学效果，提升学生的参与感和学习主动性。
关键词：机械工程材料;教学方法;课程项目
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2020）15-0224-02
一、背景分析
机械工程材料课程是一门高等院校机械类专业的基础课。该课程通过研究材料的成分、组织、工艺与性能之间的关系，使得学生初步掌握如何根据应用场合选择机械零件的材料和制定相应的加工工艺路线，是连接材料科学和机械制造基础的中间纽带。从实际的理论授课情况来看，该课程的难点主要在于内容多而繁杂，术语、概念及原理规律抽象且难以理解，容易造成学生的学习兴趣缺乏、获得感较低，课堂气氛不活跃，理论教学效果不理想[1，2]。具体存在的问题表现为：
1.该课程理论性强、内容覆盖面广，含有大量材料学原理规律和抽象的概念[3];同时，课程又与生产实际紧密联系，需要一定的工程实践经验才能更好地理解相关材料加工工艺[4]。然而，该课程常与材料力学和机械制造基础这两门专业基础课同时讲授，造成了知识基础出现错位，学生难以理解和接受课程的内容。
2.讲授的内容以金属材料及其热处理为主，对非金属材料和新兴材料仅作简单介绍，而在实际生产中，非金属材料及新兴材料的应用大有后发赶超金属材料之势，容易导致学生认为所学的内容难有用武之地，失去学习的兴趣。
3.该课程的实验具有特殊性，一个零件的热处理实验常需要十几个小时以上才能完成。受到实验条件的限制，所开设的实验常为验证性实验，如硬度的测量、金相试样的制备、铁碳合金平衡组织的观察、钢的热处理展示等。验证性实验的特点在于操作简单、结果明了，但无法满足学生的求知欲与探索欲，导致学生难以投入。
二、解决方法与措施
为了解决以上问题，需要探索一些新的教学方法，以提高机械工程材料的教学效果，使学生能够适应日新月异的新材料时代。该课程在教学模式和方法上可做如下探索：
1.优化课程教学内容，突出实用性和前沿性。机械工程材料课程涵盖的内容广泛，既有深奥的材料学理论，又有与生产实际密切相关的经验总结。为适应学时短的限制和应对新工科建设的新挑战，有必要对该课程的教学内容和安排进行适当的调整。首先，强化结构—工艺—性能这一条主线，重点掌握一些关键的概念和理论，如晶体的结构、铁碳合金相图、C曲线、CCT曲线、热处理工艺以及材料的选择，使学生在这一主线上树立宏观而深刻的认识;其次，减少一些过于抽象、实用性不强的理论知识的教学学时，突显该课程的实用性，如晶体学的理论知识和组织的形成机理等;最后，增加非金属材料的教学时间，补充新兴材料的介绍，以开拓学生的知识面和对前沿知识的了解。
2.改善课堂教学方法，提高学生学习兴趣和参与感。传统的授课方式容易使该课程的教学氛围变得沉闷，宜采用多样化的教学方法来改善教学效果。首先，要求学生主动去发现和思考生活中使用的材料，并在每次课预留前十分钟给学生展示他们所发现的材料，根据自己的认识介绍材料的工况、性能和组织等。这样可以使学生更加了解日常所见的材料以及它们的组织、性能等，提高他们对材料学的兴趣和学习的主动性。其次，通过采用视觉效果更好的图片和模拟动画展示材料的结构特点及其组织形成过程，使学生更有兴趣地学习抽象的理论知识。最后，对于一些与工程实践密切相关的知识，多采用案例式和启发式的教学方法，将理论转化为实际的工程项目问题，从材料现象和问题启发学生学习新概念和新方法，提高学生的参与感。
另外，在条件允许的情况下，可基于现有理论和大数据开发可模拟热处理工艺的虚拟热处理教学软件。学生可以通过设定常用的金属材料、热处理工艺及其工艺参数，软件直接通过图像的方式给出热处理过程的材料组织变化，以及材料最终的力学性能范围，使得学生能够直观地认识到热处理工艺对材料组织和性能的影响。这样的虚拟教学软件可大大降低实物实验的时间和成本，给予学生在工艺路线设计上充分犯错的机会，帮助他们积累一定的实践经验。
3.增设课程项目，加强实践和创新能力的培养。
如图1所示，增设与整个理论教学过程同步进行的开放性课程项目，替代原有的验证性实验，包含以下几个步骤：（1）要求学生在课程的開始阶段自行组成3至5人的项目团队;（2）随着理论课程的进行，学生自行选择一种感兴趣的机械零件，并根据所学知识分析其工况、所需的材料性能和组织;（3）项目选题经教师复核过后，学生自行完成热处理工艺路线的设计，并与教师讨论工艺路线的合理性;（4）学生通过热处理实验验证所设计的工艺路线，检验所得零件的组织和性能是否满足最初的设计要求;（5）撰写项目报告并做口头答辩。
整个课程项目围绕结构—工艺—性能这一条主线，与理论教学内容同时进行，是理论教学的补充，两者相辅相成，可帮助学生更好地体会到材料对机械零件的重要性。通过课程项目可达到以用促学的效果，提高学生的学习主动性，巩固其所学知识，提升教学效果和学生的获得感;同时锻炼学生分析、解决问题的能力、团队合作能力、实践能力以及创新意识。
三、结语
文章基于理论和项目相结合的方式对机械工程材料课程的教学内容和方法进行了探索，提出优化现有的教学内容，突出实用性和前沿性，同时改善课堂教学方法、开发虚拟热处理软件，提高学生的学习兴趣和参与感，最后提出增设课程项目，理论与实践相结合地培养学生的实际动手能力、团队合作能力和创新意识。
参考文献：
[1]罗洪峰，史留勇，林茂.机械工程材料教学创新与改革[J].教育教学论坛，2017，4（1）：143-144.
[2]柴蓉霞，张传伟，郭卫与杨满芝.以学生为中心的机械工程材料课程教学改革初探[J].教育教学论坛，2018，17（1）：127-128.
[3]武亚平，李妙玲.应用型本科机械工程材料课程教学方法的探索[J].洛阳理工学院学报：自然科学版，2018，28（01）：94-96.
[4]吴慕春，李捷.金属工艺学系列课程教学改革与实践[J].新课程研究：中旬刊，2009，153（06）：28-29.
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