“工程材料与机械制造基础”课程知识体系研究

孙康宁+张景德+傅水根

摘  要：本文按照产品制造流程的逻辑关系构建了“工程材料与机械制造基础”课程的知识体系和能力要求。该体系的构建将为进一步修订课程基本要求（或制定课程标准）、编写教材、加快与工程训练课程的协同创新提供重要基础，为本课程教学提供参考。

关键词：课程知识体系和能力体系;工程材料与机械制造;机械制造实习

“工程材料与机械制造基础（金工）”课程因知识面宽、理论与实践密切结合，在相当长一段时期内，为我国工科人才的培养发挥了不可替代的作用。但是，随着科学技术的不断发展，越来越多的工程材料及其制造技术在工程领域的应用，使得原课程的知识体系与实习教学体系已经不能完全满足现有各专业人才培养和知识构成的需求，难以为后续学习奠定必要的知识基础，导致该课程在工科人才培养中的实际作用趋于弱化，基础地位下降，课堂与实践学时不断被压缩，教学效果和质量受到不同程度的冲击。因此，重新构建“工程材料与机械制造基础”课程知识体系就显得十分必要，也十分紧迫。在教育部机械基础课程教学指导委员会和工程训练教学指导委员会联合立项的教研项目支持下，课题组基于近实践类课程的教学理念，本着与国际工程教育认证标准接轨、与院系专业人才培养深度融合的目的，联合国内六所高校，在充分调研的基础上，对该课程新的知识体系进行了构建，对课程的知识点、能力点进行了汇集，并取得了预期成果。

一、“工程材料与机械制造基础”课程现状与存在的问题

“工程材料与机械制造基础”课程原名“金属工艺学”。历经教育部机械基础课程教学指导委员会金工课程指组近三十年的辛勤工作，先后修订制定了“九五”“十五”“十一五”三个版本教学基本要求。分析这些教学基本要求可知，虽然课程名称已从金属材料拓宽到工程材料，但其知识体系仍基本围绕金属材料及其制造展开，相关知识点在各教学基本要求中只是得到粗线条展示，缺少系统性与完整性的整理。

“十一五”以后，随着新材料、新技术、新工艺的不断出现，制造技术出现了前所未有的发展变化，产品制造所涉及材料已不再仅以金属材料为主，无机非金属材料、高分子材料、复合材料的快速发展，正在不断替代金属材料而获得广泛应用。制造技术也不再局限于金属材料的冷热加工，其中涉及各种工程材料制造的液态成形技术、塑性成形技术、连接成形技术、粉体成形技术、快速成型技术，以及各种特种加工技术、先进制造技术也在不断地获得广泛应用。各专业不仅对制造技术基础知识的需求在发生相应的变化，对课程的功能和教学目标也在不断地进行调整。卓越工程师培养标准、专业认证标准都不同程度地反映了这些变化。比如，本科层次卓越工程师培养标准[1]明确提到，要“了解生产工艺、设备与制造系统，了解本专业的发展现状和趋势”，在第3条中提到了要“具有良好的质量、安全、效益、环境等意识”，要“具有较好的环境适应和团队合作的能力等”。显然，这些标准条款与本课程设定的教学性质、教学任务和教学目标是吻合的。又如，目前国际工程教育有两大互认体系，一是以“华盛顿协议”为代表的工程教育互认体系，另一个是以欧洲大陆为代表的工程教育互认体系[2]。其中，欧洲大陆工程教育互认体系有12条专业认证标准，第3条就明确要求所培养的学生要“了解所在工程领域的工程实践知识以及材料、部件和软件的属性、状态、制造与使用”。该要求与本课程所涉及的教学内容和所提供的教学目标也是完全吻合的。目前，“工程意识、工程素质、实践能力、创新意识”，加强团队精神，熟悉相关领域的新材料、新工艺、新设备，具有环境保护和可持续发展等方面的意识，能够综合考虑经济、环境、法律、安全、健康、伦理等制约因素，掌握工程实践中基本工艺操作等各种技术、技能，具有使用现代化工程工具的能力，已经成为各专业人才培养的基本要求。

虽然从整体看，人才培养环境有利于本课程的发展，但是当前课程发展也存在一些不可回避的问题。首先，现有专业人才培养目标和培养基本要求的制定更多局限于各专业人才培养自身的特点和教学需求，缺少基于工科和复合型人才培养所需的顶层设计和统一指导，对材料与制造知识对人才培养的先导性、基础性认识不足。其次，目前课程教与学中缺少对产品制造的整体认知，教学内容更多地集中于“金属材料的制造，而不是工程材料的制造”，使课程提供的知识落后于专业的发展需求。第三，过多强调知识的传授，忽视对能力的养成，对综合能力和创新能力的训练强调不够，使教学目标对能力点的达成缺乏明确要求。第四，教学内容不断增加、学时不断减少的矛盾突出，缺少对核心知识的凝练与梳理。上述问题都是课程发展过程中不可回避的问题，需要在充分调研的基础上加以解决。

二、构建课程知识体系的思路和方法

1. 思路

工程教育有自己的认知规律。首先，获取工程知识的过程始于认知实习，遵循“认知实习—理论学习—实践—再学习—再实践—探索性认知实践”这一规律性，具有多层次循序渐进的特点。其次，获取工程知识的最佳方式是理论学习与实践相结合，但实践是第一位的，实践获取知识比理论学习获取知识更快捷、更可靠。因此，将实践与理论知识密切结合，构建实践与理论一体化的新知识体系是值得深入探究和可行的。

在知识体系构建中，本研究将理论课的知识体系与机械制造实习知识体系、实验课体系进行了交叉融合，使能力的实现不仅体现在对知识的把握上，同时也更强调通过对基本工艺和基本理论的实践过程，加深对知识的应用和理解。

（1）跳出原金属工艺学课程以金属材料及其制造技术为主线的知识体系，基于不同专业人才培养对该课程知识的需求，汇集凝练不同专业人才培养所需的工程材料和机械制造技术基础知识点和能力点。同时，结合专业认证和卓越工程师培养标准，按照各知识点的逻辑关系调整面向各专业人才培养的课程知识体系（含理论教学和实习部分），并在此基础上制定相应的教学基本要求。

（2）按照完整的产品生产制造流程搭建知识体系框架。知识体系按照模块化设计，包括工程材料、材料改性、材料成形、机械制造基础、课程实验、机械制造实习等模块，尽可能地与国际工程教育认证标准接轨，以满足不同专业人才培养的需求。

（3）为避免理论与实践、知识与能力相互分离，按照近实践类课程特点，对课程知识和能力体系进行协同构建。

（4）知识点的征集要面向不同类型的学校与专业，使知识点具有选择性。知识体系要分类设计，有充分的代表性。知识点的最终达成要体现在能力点上。

2. 方法

一是结合我国专业认证和人才培养目标，紧密结合国际工程教育发展趋势，深入调研和研讨机械类、近机类各专业人才培养目标对本课程的知识需求，汇集凝练出人才培养所需的各部分教学基本要求。在教学基本要求基础上构筑课程知识体系;在课程知识体系基础上，构筑能力体系;在知识体系和能力体系基础上，汇集知识点和能力点。

二是结合非机类专业对材料与制造技术的跨学科知识需求（或复合型人才培养需求），汇集各种相应的理论与实践知识。

三是按照各种知识点、能力点的合理逻辑关系，构筑面向专业人才（或复合型人才）培养的课程知识体系（含理论与实践教学），在此基础上制定或修订原有教学基本要求。

三、课程知识体系和能力要求的构建

“工程材料与机械制造基础”课程经过近三十年的不断建设和发展，虽然已构建了较完整的理论、实践、知识、能力、素质教学体系，但随着科学技术的进步，以及专业人才培养要求的不断变化，课程知识体系、教学性质、教学任务、教学目标、能力培养仍然需要进一步调整。课程知识体系应真正从围绕金属材料及其制造向围绕工程材料及其制造过渡，调整后的“工程材料与机械制造基础”课程知识体系应基于产品整体的制造过程（而不是单个机械零件的制造过程），教学内容不仅要体现知识的传授，更要强调能力的培养;实践能力的训练应进一步向综合能力的训练与创新能力的训练转变;为了培养复合型人才，应为不同专业提供“了解所在工程领域的工程实践知识以及材料、部件和软件的属性、状态、制造与使用等基础知识”;为了培养合格的工程师，应让学生了解、实践必要的生产工艺、设备与制造系统。为缓解教学内容不断增加、学时不断减少的矛盾，应进一步加强对核心知识的凝练与梳理，使汇集的知识点具有可选择性。有鉴于此，课题组拟将课程知识体系作了以下调整。

1. 课程知识体系

课程知识体系按专业认证的知识需求和产品制造流程中的核心内容，基于以下逻辑关系加以构建：材料与制造简论—材料基础与选材—材料成形—机械制造工艺—材料改性—机械制造实习（含零件的组装调试）—产品。每一部分不仅涉及基本要求和知识点，同时还赋予了能力点的要求。

“材料与制造简论”部分主要介绍材料与制造的历史、现状与发展，介绍本课程涉及的主要内容和制造工艺过程，目的是使学生在开始课程学习以前从整体上了解材料与制造技术前沿，了解本课程在工科人才培养中的重要作用和定位，以及本课程所涉及主要教学内容，提升学生的学习兴趣。“材料基础与选材”部分主要给学生提供材料性能和材料学的基础知识，为产品选材、零件改性、材料成形和产品制造提供材料基础知识。“材料成形”部分主要为学生提供各种形状产品或毛坯的外形制造技术，使学生了解产品制造首先是对外形的制造，材料成形是产品制造过程中不可或缺的制造技术，理解各种成形工艺在产品制造中具有多样性、可替换性和选择性，材料成形的技术基础与材料和选材部分密切相关。“机械制造工艺”部分主要介绍毛坯的切削加工与精加工技术，以及特种加工与先进制造技术，该部分与材料成形和毛坯生产部分紧密衔接，是产品获得所需几何尺寸和精度的重要生产方法，机械制造工艺在产品制造中同样具有多样性、可替换性和选择性。“材料改性”部分涉及零件整体性能或表面性质的改善，与毛坯和零件在不改变形状和尺寸精度情况下改善性能的方法紧密相关，材料与选材部分是材料改性的知识基础（为教学方便，该部分也可以放在材料与材料成形部分之间实施教学）。“机械制造实习”部分涉及零件的组装调试，其前期知识基础和实习内容来自材料成形、材料改性、机械制造工艺，在机械制造实习中不仅要对前面所涉及工艺技术进行实操，而且要对分散的零件进行组装，并对组装后的产品进行调试，直至产品出厂。该过程将涉及学生的实践、创新、工程安全、工程意识、工程能力的综合性训练，也是融会整门课程的重要环节。

此外，课程中将同时涉及各种制造技术的工艺性问题、结构工艺性问题、工艺规程制定、工艺选择、经济性分析和环境保护、实际操作能力等重要的共性问题，从整体上体现和构成对能力点的把握。

2.课程能力要求

课程能力体系在课程知识体系基础上构建。其中，“材料与制造简论”部分要求学生能掌握、材料与制造有关的基本概念，了解材料与制造的现状与发展趋势，能把握产品制造整体工艺流程，能理解本课程知识体系及逻辑关系，清楚本课程在人才培养中的作用和特点。“材料基础与选材”部分要求学生能理解材料力学性能的物理意义及其用途，判断在何种条件下材料会破坏与失效，能结合材料学基础知识，分析理解工程材料的组织、结构、性能、工艺四者之间的内在关系，会运用这些关系解释材料性能和加工中的问题，能读懂材料的牌号及含义，能了解各种材料的主要用途，熟悉材料选材原则，会为产品或零件选材。“材料成形”部分要求学生能用材料成形基础知识分析不同材料或成形件的工艺性好坏;在了解各种工艺特点的基础上，能为成形件或产品选择合理的成形工艺;在熟悉各成形工艺特点的基础上，会判别工件结构设计的合理性，改进构件不合理之处;具有制定简单成形工艺规程的能力，以及利用所学知识解释成形件缺陷产生的主要原因及质量问题的能力。“机械制造工艺”部分要求学生会运用机械加工基础知识分析典型零件表面加工工艺性能好坏，制订简单件工艺方案;能制定或选择典型零件合理的机械加工工艺，读懂工艺图纸;会判别机械零件结构设计的合理性，改进构件设计的不合理之处;能初步分析判断机械产品制造工艺的经济合理性和环境污染问题。“材料改性”部分主要要求学生能理解材料改性的目的、方法、价值和意义;熟悉热处理工艺的目的和基本工艺;能读懂基本的热处理工艺，能为简单零件制定热处理工艺;了解表面工程技术用途，能区分不同表面工程技术;能结合产品性能及成本，为产品或零件提供合理的改性建议。“机械制造实习”部分要求学生较熟练操作规定的设备或基本工艺技术;能读懂工艺图纸和工艺规程;能辨别产品制造过程中的常见缺陷;在综合工艺训练基础上，具有一定的创新能力;具有安装调试产品的初步能力;具有必要的安全意识、团队精神和工程意识。

参考文献：

[1] 教育部 中国工程院关于印发《卓越工程师教育培养计划通用标准》的通知[Z]. 教高函[2013]15号，2013-11-28.

[2] 张文雪，王孙禺，李蔚. 高等工程教育专业认证标准的研究与建议[J]. 高等工程教育研究，2006（5）.

[本文是在教育部机械基础课程教学指导委员会“工程材料与机械制造基础”课指组调研报告的基础上写成的。参加课题组的专家有孙康宁、张景德、李爱菊（山东大学），傅水根（清华大学）、朱华炳（合肥工业大学）、邢忠文（哈尔滨工业大学）、张远明（东南大学）、罗阳（四川大学）]

[责任编辑：夏鲁惠]