现代教育理念和“工程材料及其成形技术基础”课程教学改革

雷 声，龚 雪，李 云，吴跃波，杨启耀

(安徽建筑工业学院，安徽合肥230022)

“工程材料及其成形技术基础”是高等院校机械、材料等类学科必修的一门主干技术基础课程。作为技术基础课程，教学内容及教学方法在多年的实践中已得到了较好的提炼与升华。但随着科学技术的迅猛发展，教学改革与国际接轨，本课程的性质也在逐渐发生变化。

人类社会正从工业时代走向信息时代，社会的深刻变化，必然导致大学的教育理念的变化。为了充分体现先进制造技术、材料科学与工程、现代信息技术等学科的交叉与融合，使理论、实践与创新结合在一起，应当对本课程教学体系进行改革，使本课程教学体系更加完整、系统。对本课程教学体系的改革，笔者从以下几个方面进行了探索。

1 课程教学的时代性

本课程的教学目的在于探讨如何将材料应用到工程实践的各个领域中，阐述材料及材料成形技术的相关原理。本课程的教师授课应理论联系实际，结合学科前沿，理顺教学内容与科学技术飞速发展的关系，教学内容应有一定的深度，教学方式应富有启发性，有利于学生创新精神和实践能力的培养。

原课程体系不仅内容陈旧，所覆盖的知识面也相对较小［1］。本课程应当在总学时减少，内容增加的情况下，改革教学内容和教学手段，使之具有先进性和前瞻性，能体现现代教育思想的发展趋势。

中国正在向制造业大国迅速发展，材料科学与工程对国家经济及社会的兴旺发展至关重要。学习本课程时，应立足于科技进步和社会发展，去理解本课程的基础性和重要性。近几十年来，科学技术的发展促进了材料领域的迅速发展。没有高纯度的半导体材料，就没有微电子技术;没有耐数千度高温的耐烧蚀材料和涂层材料，人类遨游太空的梦想就无法成为现实。先进材料及先进材料工艺对国家的生活水平、安全及经济实力起着关键性的作用。先进材料是先进技术的奠基石，当材料按特定方式加工时，技术才得以发展，才能促成社会进步。先进的材料和工艺方法已成为改善生活质量、提高工业生产率以及经济增长的基础［2］。

不断开发和使用材料的能力是任何一个社会发展的基础之一。材料也是处理诸如环境污染、自然资源的不断减少和回收利用等一些紧迫问题的工具。材料科学与工程的一个关键原则——组织结构、性能和加工工艺是紧密相关的。对应用于各个不同工程领域的不同种类的(固体)材料，我们都将介绍材料的结构、性能及工艺之间关系的重要性。近年来，精确地控制材料的成分和组织结构的加工合成工艺的发展，使电子设备和系统的微型化、低能耗成为可能，并带来了电子技术革命，生产出了计算机、移动电话和智能手机等产品，并且这一技术革命将继续影响现代生活的各个方面。给学生讲解这些内容，有利于学生认识本课程的重要性。

2 课程改革的主要措施

2.1 课程内容的现代化

本课程的教学内容应当适合现代社会的需求，因此必需适时更新。课程内容的拓展主要体现在教学内容紧密结合材料科学及材料成形技术的前沿，在教学中，应及时借鉴和吸收与本课程有关的最新科研成果并及时讲授给学生，让学生了解本课程国内外的最新动态，以开拓大学生的知识面。

社会所需要的是既满足特定性能又符合经济、成形加工和环境要求的材料。这就要求培养的学生要面向各类材料、具有材料科学与材料加工方面比较全面的综合知识。我们原先使用的教材有很大局限性，原因是它们几乎主要都是针对某一类材料编写的，而能够跨越某种材料类别划定的界限、能全面反映各类材料知识的高质量专业教材较少。

本课程以材料的成分、工艺、组织和性能的关系为主线强调材料学的共性［3］，国内把工程材料一般分成3 类:金属材料、非金属材料和复合材料，或分成4 类:金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料。而国外有些学者把工程材料主要划分为:金属、陶瓷、聚合物、复合材料和半导体。尽管金属材料仍是使用量最多的材料，但本课程教学内容应当涉及材料科学与工程的广阔领域，论及各种类型材料，包括金属、半导体、陶瓷、聚合物以及由这些材料构成的复合材料。尤其是将各类材料有机地融合在一起，全面、系统地论述材料的结构、物理性能(包括磁性、电性、光学、力学和热学方面的性能)及化学性能。应当将金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料等不同类型材料的共性部分有机地融合在一起，大幅度增加新材料、新技术、新工艺的内容，形成完整的“工程材料及成形技术基础”教学体系。

材料成形部分教学内容也在原来的热加工(铸造、锻造、焊接)基础上增加快速成形技术、激光立体成形技术、陶瓷材料成型加工、高分子材料成型加工等内容。

人类社会的未来应该建立一种以物质闭环流动为特征的经济，即循环经济，从而实现可持续发展所要求的环境与经济双赢(即在资源环境不退化甚至得到改善的情况下促进经济增长)的战略目标［4］。制造业的先进制造技术和生产模式将与社会和环境融为一体，形成一个面向循环经济的制造系统。所以，本课程教学内容还应当涉及材料工程的经济、环保、再生等问题。材料所处的环境是必须关注的因素，因为它对材料的性质及其变化的方式有很大的影响。我们知道材料与它们的环境之间有很多相互作用的方式，比如腐蚀机制、紫外线对聚合物的降解以及对材料性质产生负面影响等。我们不仅要关注环境对材料的影响，也应关心材料对环境的影响，关心由污染和循环使用所引起的问题。机械和材料工程师在寻找一种既能满足各项特定的性能又能满足经济、加工和环境要求的材料时，将要考虑到各种材料。

2.2 不断开拓新的教学资源

为了获得一流的教学效果，我们在原有教学基础上不断开拓新的教学资源，对教学内容、实物照片、动画和视频资料都进行了大幅度扩充，形成了立体化教学模式。本课程基本素材库内容多达4G 左右，课程内容非常丰富，插图如彩色金相显微组织的图谱，包含了大量国外原版同类教材上的插图、照片、Flash动画和近百段教学视频等资料。这些内容既直观、形象、生动，又节省教师的讲解时间，同时也加深了学生的理解和记忆，并且可以提高学生对本课程的学习兴趣。实物照片来源于相关电子杂志、国外原版教材、企业资料，有些则是任课教师自己拍摄的。教学视频资料来源于国家精品课程以及各名牌高校精品课程。我们还针对课程的重点、难点，制作出部分知识点的动画、结构图、视频等。

材料成形加工技术的内容与实际生产紧密联系，具有很强的实用性，各种加工过程仅靠单纯讲解很难使学生弄懂。将材料成形过程的知识通过图片、动画、视频等生动地展示在学生面前，增强了工程背景知识，拉近了课堂教学与生产实践的距离。本课程几乎所有主要热处理过程、材料成形过程都有视频资料，因视频资料总时数太多，故上课时仅放映一部分，大部分提供给学生课外观看。比如讲解铸造中机器造型的工艺原理和过程，由于过程复杂，学生单凭课本中几幅原理图在短时间内很难理解，用动画或视频演示则使学生非常容易理解和记忆。学生观看这些视频，对实际生产过程会有所了解，从而较容易建立起完整的材料成形加工的概念。

传统和现代的2 种教学方式可以扬长避短、相得益彰。最近高等教育出版社和机械出版社出版的工程材料及成形技术方面的教材，对教学内容进行了更新，在精选传统加工工艺方法的基础上，较大篇幅地引入现代材料成形技术和材料成形工艺自动化等学科前沿领域的最新成果。教师应对本专业有丰富的实践经验，并且授课时要结合自身的科研成果，多讲实际应用例题，给学生留下深刻的印象。

2.3 教学改革与国际接轨

美国麻省理工学院等国外名校的优质开放教育资源对扩展人们的知识面、提高个人素质、传播和共享社会知识、推动高等教育的全球化等方面做出了重要贡献。发达国家对于开放课程资源的项目建设和应用研究已经积累了许多成功经验［5］。网络是教师和学生获得国内外本专业和课程教学资源的重要工具。

为了适应时代的发展，实现与国际接轨，本课程在教学内容上还参考了国外几本最新的同类教材，内容全面、新颖，授课时可使学生了解国外教材的体系和内容。通过几年的努力，我们吸取了发达国家同类课程的经验，对教学内容进行优化整合，逐渐形成新的并符合我校师生的教学内容体系。

通过选用合适的外文原版教材和资料，引进国外先进的教学内容和教学方法，可以加快传统课程的现代化改造步伐。本课程参考教材主要选用英文教材《the Science and Design of Engineering Materials》(James P.schaffer 等著)，该英语原版教材结合了很多在机械、航空、电子及化工等领域的技术进步的最新案例，可有效避免我国教材内容陈旧等问题，并充分体现了材料、机械、控制、管理与计算机等学科之间的交叉和融合。

本课程在教学中还把国外原版教材或外文资料作为课外读物推荐给学生，多媒体课件中对所有重要概念、词汇均用中、英2 种文字进行描述，课程的部分板书和大部分讲解均为英语，在该课程结束时，参加学习的学生已经具有相当强的工程材料领域外文资料阅读能力。目前国内有很多企业使用进口钢材，讲授钢铁材料时，课件中还包括中、美、俄、日、德钢材对照表，在给学生讲授国内钢材的品种和类别的同时还讲授各国钢材分类编号的基本原则。

2.4 案例教学

案例教学作为一种教学方法在国外已有悠久的历史，而在我国的课程教学中采用还不普遍［6］，研究它有助于弥补传统教学方法的缺陷、提高学生的综合素质。所谓案例就是为了一定的教学目的，围绕选定的一个或几个工程问题，以实际过程为素材对某一实际问题的客观描述。

我们把“挖掘机的设计”这个案例作为一个主线贯穿整个教学过程。在教学内容的相关部分(基本原理、微观结构演化、材料选择和功能设计)，都涉及到与挖掘机设计有关的几个材料问题，这些问题只能用该部分阐述的概念来理解。这种教学方法使学生能够做到先见森林后见具体的树木。所讨论的案例也使我们能够将大多数学生已经熟悉的课程内容中的各个重要知识点联系起来。对于多数学生而言，案例研究能帮助他们理解教材内不同知识点的关系，能使他们把全部内容和知识点“贯穿成一个整体”。

教师在授课时不仅应把本专业的基础知识、最前沿的技术发展动态讲授给学生，更重要的是将如何进行创新性思考和怎样寻求解决问题的方法传授给学生。在课程教学中，通过一些实际例子将前章节所介绍的原理与实际应用结合起来，以解决实际生活中那些基于材料的工程问题。因而，教学中引入的每一个概念，教师应尽力为学生介绍他们所熟知的技术方面的重要应用。在多数情况下，教师从描述一个熟悉的事件开始讨论主题，然后就为什么会发生那样的结果提出问题。这种方法启发学生学习，使他们能够对书本中的概念加深理解，增强学生解决问题的能力，在这个过程中使他们对学习产生兴趣。课前先给出综合性的分析题，课上让学生各抒己见、广开言路，课堂气氛十分活跃。

解决一个具体的问题，如材料选择问题，需要学习、了解材料领域的知识。如果学生能通过他们经历过的应用和例子来不断地充实、强化自己，他们就能更好地理解材料和工程的理论。教师还可通过生活中有趣的情景为学生介绍课程中的重要思想。通过剖析更贴近现实情况的具体案例，让学生把所学的理论知识运用于现实的“实践活动”中，以提高学生发现、分析和解决实际问题的能力。

教材中的概念和基本原理是固定的，是很难更改的，而那些开放的设计型问题，是没有所谓的“唯一正确答案”的，学生们可以放开想象，提出有效的解决方案和“正确”的答案。笔者认为，大多数工程问题都有多个合理的解决方案，并且还必须考虑到环境和经济性。在大多数情况下，一种材料的选择是一个反复权衡的复杂过程，对给定的问题极少有唯一的“正确”答案。对一个挑选材料的问题，通常有多个“正确”的答案，实际工作中必须在研究几个可行的方案后作出最后选择，如汽车油箱材料，采用铝合金、不锈钢、工程塑料都可以认为是合适的选择。通过解决这些综合性设计型问题，有益于培养学生的创造性思维能力。

3 结束语

为了适应21世纪人才培养的需求，本课程在内容和课程体系上作了较大的改革和创新，但好的效果还需经过多次教学实践验证才能得以实现。以后应当进一步对课堂教学的内容、方式、方法进行探索，提出更加有效的实施方案。构建一个具备现代材料科学发展的时代特征，以现代教育思想为宗旨的新型“工程材料及其材料成形技术基础”课程教学体系。

［1］孙康宁，李爱菊.工程材料及其成形技术基础［M］.北京:高等教育出版社，2009:1－31.

［2］陈培里.工程材料及热加工［M］.北京:高等教育出版社，2007:1－3.

［3］庞国星.工程材料及其成形技术基础［M］.北京:机械工业出版社，2005:1－5.

［4］李健，顾培亮.论循环经济的制造业技术选择与保障措施［J］.现代财经，2001，21(4):35－39.

［5］杨进中，张剑平.国外开放课程平台及课程开发模式研究［J］.中国电化教育，2012，303(4):80－87.

［6］张家军，靳玉乐.论案例教学的本质与特点［J］.中国教育学刊，2004，1(1):48－50.