工程材料学研究性教学模式的探索与实践

王彦芳 石志强 曹 宁 王引真 何艳玲中国石油大学(华东)材料科学与工程系 山东青岛 266580



工程材料学研究性教学模式的探索与实践

王彦芳 石志强 曹 宁 王引真 何艳玲
中国石油大学(华东)材料科学与工程系 山东青岛 266580

摘 要：研究性教学通过教师的引导、启发和帮助，使学生能自觉地发现问题、分析问题、解决问题，培养创新能力。本文从课程内容体系、教学方法、考核方式和课程实验等多方面进行了改革尝试，探索了研究性教学在工程材料学课程中的应用，培养学生的创新能力。

关键词：工程材料学；研究性教学；教学模式

工程材料学课程是材料科学与工程专业(Materials Science and Engineering，简称MSE)的一门专业核心课程。该课程的基本教学要求是：掌握合金化理论的基本知识，了解材料成分设计的基本依据；熟悉生产中常用的材料及其热处理工艺、组织、性能与应用及环境之间的关系，根据零件技术要求，能正确地选择材料和制订工艺，并初步具备新材料开发的能力。学生学完材料科学基础、材料工程基础、材料性能学等基础理论课后，头脑中堆满了有关材料科学的概念和现象，但是在遇到实际问题时往往无从下手。工程材料学就是从材料科学和实际应用相结合的角度出发，根据学生已有的材料科学的基础理论，建立整体统一的概念和体系，阐明它们之间的内在关系，帮助学生学会分析问题和解决问题的方法，培养在实际工程中正确地选择材料和使用材料的能力。本课程不仅要把重要的工程材料及其合金化原理及热处理介绍给学生，更重要的是要把材料研究的基本思路和基本方法传授给学生，培养学生综合运用所学理论知识和实验技能独立分析和解决实际问题的能力，以适应社会对材料人才的需求。

工程材料学是MSE专业本科教学计划中的最后一门专业主干课程，是学生走上工作岗位后应用最多最直接的课程，在专业知识结构中占有非常重要的位置。在工程材料学课程中开展研究性教学，可充分利用课程特点，培养学生综合分析问题的能力和工程应用能力。本文结合工程材料学教学改革的实践经验，对在课程教学中开展研究性教学的模式进行探索。

1优化和整合课程内容 构建油气特色课程体系

课程选择哈尔滨工业大学王晓敏教授编写的《工程材料学》为教材，该教材在钢的合金化基础和常用材料方面介绍的非常具体全面。但材料的发展迅速，一些新材料、新技术、新工艺在原教材内容中没有得到体现，同时对行业特色院校，缺少相关案例。我们在课程教学中，在教材基础上，根据学校特色，进行了如下改革：

(1)根据材料学科发展，增添了一些新材料、新工艺和新技术。如微合金非调质钢、新型模具钢、塑料模具钢、大锻件钢、非晶态合金、镁合金等内容。

(2)根据我校的“油气”特色，整合部分选修课程的内容，适当增加油气专用金属材料的内容。如油气管道用材、钻杆及抽油杆用材、油气钻采工具用材等；并在课堂案例教学中增加“油气”用材的案例比例。

(3)增加“选材”模块。课堂讲授着重阐明材料成分与处理工艺的特点, 强调材料组织与性能及应用之间的关系, 使学生掌握各类材料成分设计和制订工艺的依据。选材模块主要以课堂讨论、课后作业等形式出现，让学生从应用出发，根据具体工况，选择材料，制定强化工艺，形成“零(部)件-工作条件-性能要求-合金化-热处理-组织-性能-应用”的材料研究与分析思路，对知识点做到融会贯通，培养学生分析问题和解决问题的能力。

2构建多位一体的研究性教学方法

课堂教学、实验教学和课后作业是培养学生的重要手段。为了既能把专业基础知识系统地传授给学生，又能使学生掌握材料研究的基本思路和基本方法，我们在以下几个方面构建了多位一体的研究性教学方法。

(1)抓住课程主线，讲清思路，提高课堂教学效果。采用传统的课堂教学方法把合金化与热处理原理系统地传授给学生，在讲授过程中注重展示原理的形成过程，以激发学生的学习兴趣和探究意识，培养学生的创新精神。在课堂教学中紧紧抓住“服役条件-性能要求-合金化原理-热处理强化工艺-组织/结构-性能-典型牌号-应用”的主线，让学生掌握材料研究与分析的思路和方法，提高课堂教学效果。同时，运用归纳、小结的方法将分散的内容集中、繁杂的内容高度概括，教给学生分析思路。不仅让学生理解和掌握材料的内涵，达到学活、学好的目的，而且提高学生分析问题和解决问题的能力。

(2)采用教师为主导，学生为主体的模式，开展课堂讨论。为了从根本上克服满堂灌、学生围着教师和书本转的弊端，使学生成为教学的主体，充分发挥学生的主观能动性，在课程教学中设置3～4次课堂讨论课。教师提前布置讨论题目和要求，学生查阅资料，完成讨论提纲。课堂讨论课采取分组讨论的形式，首先小组内进行头脑风暴，形成小组解决思路。然后各个小组汇报解决方法，选出较优方案。最后教师做课堂总结，指出存在的问题及在今后学习中应注意的事项。课堂讨论的形式，既提高了学生的学习兴趣，又增加了学生对知识点的深入理解。课堂讨论课的难点是开放性讨论题目的设计及如何提高学生的参与度。

(3)布置大作业，撰写小论文，培养学生思考和表达能力。工程材料学是专业基础理论知识和生产实际应用知识之间的桥梁，课程的内涵是专业知识的融会贯通。布置大作业，撰写小论文不仅可巩固学习效果，在科学研究基本训练、提高综合实践能力与素质等方面，有不可替代的作用。课程组在课堂讲解完一定章节，学生初步理解了材料学课程的“主线”后，布置了与石油石化行业紧密相连的4个题目：海洋平台用钢、压力容器用钢、输送管线用钢和耐H2S腐蚀油气管杆材料的成分设计。将学生分成若干小组，针对题目，查阅相关资料，根据服役条件，分析其性能要求，设计合金成分(合金化途径)，并制定工艺规范。通过综合作业，不仅培养了学生独立思考、分析总结和书面表达的能力，并且真正使该课程起到学校(专业基础理论知识)和企业(生产实际应用)之间的桥梁的作用。

3开设综合设计性实验项目

工程材料学课程实验教学作为理论联系实际的桥梁和纽带，是培养学生工程意识、动手能力和实践能力不可缺少的教学环节。以前实验内容主要包括典型合金钢组织观察、常用铸铁组织观察和有色金属组织观察三部分。实验主要是针对标准样品进行组织观察，拍摄金相照片。这种实验教学无法使学生了解处理工艺对组织、性能的影响，也无法通过实验真正建立起材料的成分-工艺-组织-性能之间的关系，在培养学生动手能力、分析和解决问题能力以及创新能力等方面明显不足。课程组在三个组织观察实验基础上(必修)，又增设了齿轮、轴类零件及工具类零件选材的综合设计性实验项目，供学生分组选做。实验要求依据设定零件的形状、尺寸及力学性能指标要求，选定一种典型零件进行选材、制定合理的热处理工艺规范和实施方案、选择合适的热处理设备和硬度检测设备，并协作完成热处理操作、硬度测试、金相样品制备、组织观察和分析。通过综合实验，让学生了解正确选材、制定工艺规范、选择实验设备的一般原则，掌握金属材料化学成分-热处理工艺-显微组织-力学性能之间的关系。综合实验作为课堂教学和实验教学的延伸，培养学生分析问题和解决实际问题的能力，为学生毕业后从事技术工作打下良好基础。

4多元化、分层次的考核方式改革

工程材料学课程理论性和实践性都很强，若单一地采用“知识立意”的闭卷考试或“能力立意”的开卷考试，都缺乏考试的科学性、全面性的评价功能。课程组采用了“多元化、分层次”的考核方式改革。课程考试改革主要以科学合理衡量学生知识与能力的真实水平、正确引导学生养成良好的学风为理念，课程总成绩由理论考试(闭卷，60%)+小论文(开卷，20%)+实验(10%)+平时成绩(10%)构成。理论考试，采用闭卷形式，主要考察学生的基本概念和基本理论知识掌握的程度。大作业是针对某一类材料的综合性问题，学生查阅资料，撰写小论文，采用开卷形式。实验成绩主要根据学生的实验技能和实验报告的撰写，由实验教师给出。平时成绩由任课老师根据上课出勤、课堂讨论课发言积极性及课后作业综合给出。通过考试改革，使学生不断改进学习方法，全面提高能力和素质，激发学生创新思维，学以致用，理论联系实践，解决材料工程中的实际问题；同时也促使教师不断总结、探索创新，以考试改革理念为“指挥棒”，进一步改进教学方法，提高教学质量，全面培养学生的综合能力、实践能力。

5结束语

研究性教学的目的是引领学生在主动探索、主动思考、主动实践的过程中吸收知识、应用知识、解决问题，从而培养学生的创新精神和创造能力。研究性教学目前已成为世界各国本科教育共同追求的一种科学的教学方式，但由于各个学校专业特色、科研特色等方面各有不同，研究性教学的模式和体系也存在较大差异。笔者在工程材料学课程教学中在课程体系、教学方法、考试改革和实验改革等方面做了一些尝试，希望在为培养学生的学习能力、解决问题的能力和创新能力方面发挥积极作用。

参考文献

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Exploration and Practice of Research-based Teaching in Science of Engineering Materials

Wang Yanfang, Shi Zhiqiang, Cao Ning, Wang Yinzhen, He Yanling
China University of Petroleum (East China), Qingdao, 266580, China

Abstract:Research-based teaching is a kind of teaching activities, which teachers pay attention to guiding, inspiring and helping students try to find questions, solve problem on their own initiative. In this paper, some reform measures, such as curriculum system, teaching methods, examination methods and experiment, are carried out in the Science of Engineering Materials course. The research-based teaching mode can fully mobilize students’ enthusiasm, initiative and creativity, and better promote the teaching effects.

Key words:science of engineering materials; research-based teaching; teaching mode

基金项目：山东省工程材料精品课程建设项目；中国石油大学教学改革项目(编号：YK201407)。

作者简介：王彦芳，博士，副教授。

收稿日期：2015-07-02