应用型本科高校金属材料类专业“材料的力学性能”课程教学改革探讨

陈逸 程亮 张云龙 陈菊芳 卢雅琳

摘 要：在应用型本科高校课时压缩背景下，针对现有“材料力学”和“材料的力学性能”课程基本内容及实验重复较多的现状，对金属材料类专业“材料力学及其性能”课程教学改革的必要性进行了分析，并从优化教学内容、调整实验课程以及改进授课方式等方面对“材料力学及其性能”的教学方法进行了探讨。通过教学改革，压缩了金属材料类专业的教学课时，优化了教学资源，使得教学内容联系更加紧密，有利于材料学院金属材料类专业教学质量的提升，实现了培养本专业学生综合素质以及提高创新能力的教学目的。

关键词：材料力学及其性能；课程改革；应用型本科

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2018）17-0122-03

Abstract： Under the background of the reduction of teaching hours in application-oriented universities， and according to the status quo of the Mechanics of Materials and Mechanical Properties of Materials teaching， this thesis analyzes the necessity of the teaching reform， and discusses the teaching methods from optimizing teaching content， adjusting experimental courses， and enriching the teaching methods. After the teaching reform， the teaching hours for Material majors are shortened， and the teaching resources are optimized， making the teaching contents much integrated， which is good for improving teaching quality so as to better cultivate students' comprehensive ability and innovation ability.

Keywords： Mechanical Properties of Materials； teaching reform； application-oriented university

自20世紀70年代以来，德国高等教育界在探讨大学教育模式的过程中开始逐渐重视应用型大学生人才培养，率先开启应用型大学教育模式，旨在培养高级技工和工程师，进而铸就了德国强大的工业实力，为德国经济的高速发展奠定了基础[1-2]。基于此背景，国内高层及高教界也开始探索国内本科院校向应用型本科的转型之路。中国教育部目前对应用型本科院校也有了明确定位，该类本科院校以应用型的类型定位，并且以培养应用型技术技能型人才为本职责使命，早在2014年国家就已经确定目前全国普通本科高等院校中50%的高校将所逐步向应用型本科院校转变，希望可以为中国新经济的转型提供助力。作者所在的江苏理工学院即为首批转型应用型本科试点院校之一。在教育部关于引导部分地方普通本科高校向应用型转变的指导意见中明确指出要加强实验、实训、实习环节，其中实训实习的课时占专业教学总课时的比例需要达到30%以上[3]，这也意味着应用型本科高校理论课时将逐步压缩。

一、“材料力学”和“材料的力学性能”教学内容分析

“材料力学”课程是应用型本科高校工科专业的一门通用的专业基础课，所修专业包括机械类、材料类以及力学与土木工程类等[4]。“材料力学”课程的主要任务是研究材料受到各种外力作用时产生的应变、应力以及所引起的强度、刚度以及稳定性问题，是许多专业课的基础，在整个教学体系中起到承前启后的作用，并且可以直接解决许多工程实际问题。它对工科学生科学素质、工程素质的培养及创新能力的发挥起到重要的作用。而“材料的力学性能”课程则是应用型本科高校金属材料类专业重要的专业基础课，该课程以及金属材料为基础重点阐述各类工程材料在静载荷以及动载荷作用下的力学性能，着重描述其失效现象并分析其微观机理[5]。材料的力学性能在金属材料类专业中同样起到承前启后的作用，是工程选材、材料力学性能检测和失效分析的基础，具有重要的工程实际意义。

图1为目前作者所在的江苏理工学院金属材料系所开设的“材料力学”以及“材料的力学性能”课程目录[6-7]。“材料力学”作为一门工科专业基础课，对于金属材料类专业，同样使用相同的教材，主要授课内容包括基本变形、应力状态及强度理论、组合变形、压杆稳定以及动载荷等。“材料的力学性能”课程的主要授课内容包括静载荷作用下的力学性能（拉伸和压缩、剪切、扭转、弯曲）以及动载荷作用下的力学性能（冲击韧性、断裂韧性、疲劳、应力腐蚀以及高温力学性能等）。由图1可以发现两门课授课内容的重复率较高，重复内容包括拉伸与压缩、剪切、扭转、弯曲和疲劳等，虽然授课内容不完全相同，但主要内容类似。目前本专业“材料力学”课程为64学时，其中包括3个实验课程（金属拉伸实验，金属扭转实验以及弯曲实验）；而“材料的力学性能”课程开课学时为48学时，包括金属硬度实验，金属冲击实验以及金属拉伸实验。可以发现，两门课程所开设的实验课程也存在一定的重复。

在应用型本科院校理论课时压缩的背景下，针对金属材料专业，“材料力学”以及“材料的力学性能”课程改革具有必要性，同时开设两门课程极大的浪费教学资源，将两门课程合二为一，既启到了压缩课时的目的，又可以使教学内容联系更加紧密，优化了教学资源，并可以加深学生对金属材料专业的认知进而提高学习效率，有利于材料学院金属材料类专业教学质量的提升，并可以实现培养大学生综合素质以及提升创新能力的教学目的。因此，本文针对现有“材料力学”和“材料的力学性能”课程基本内容及实验教学内容重复较多的限制，对金属材料类专业“材料力学及其性能”课程改革的必要性进行分析，并从优化教学内容、调整实验课程以及改进授课方式等方面对“材料力学及其性能”的教学方法进行探讨。

二、“材料力学及其性能”课程

针对以上分析，依据金属材料系的实际情况，作者构想开设一门新课，“材料力学及其性能”，该课程可以综合“材料力学”和“材料的力学性能”两门课程的所有重点教学内容，其目录如图2所示。可以看出该课程内容主要分为3部分，第一部分内容为材料静载及其性能。考虑课程内容的紧凑型与连贯性，该部分内容包含材料力學的大部分内容，从四种基本变形讲解到组合变形以及压杆稳定等。并且在讲解每一种变形的力学后会紧随着讲解其力学实验及力学现象，比如讲解完轴向拉伸和压缩的强度条件后会紧接着讲解拉伸和压缩实验以及弹性变形、塑性变形和加工硬化等现象。这样的课程安排会使得材料力学和材料力学性能的内容能紧密的联系在一起，加深学生的理解。第二部分内容主要介绍材料动载力学及其性能，主要授课内容包括原“材料力学”和“材料的力学性能”共同涵盖的金属的疲劳这一章节，以及原“材料的力学性能”课程中的断裂和冲击韧性等，这样的章节设置避免了相同知识的重复讲授。第三部分内容则主要讲解环境条件下金属材料的力学性能，包括应力腐蚀、氢脆以及高温力学性能等。

现有“材料力学”课程包括金属拉伸，金属扭转以及弯曲3个实验；“材料的力学性能”课程则开设有金属的硬度，冲击以及拉伸3个实验。为避免实验重复并增强学生对课程认知，“材料力学及其性能”课程拟开设4个实验：金属静载认识实验，金属拉伸实验，金属动载认知实验，金属冲击实验。

“材料力学及其性能”拟开设课时为64学时，其中实验教学为6个学时。相比目前开设的64学时材料力学课程以及48学时材料的力学性能课程，可以缩减48学时。

三、教学方法探讨

（一）优化教学内容

将金属材料系原有的“材料力学”以及“材料的力学性能”两门课程合并为一门“材料力学及其性能”课程，首先可以优化和改进教学内容。通过调整，原先有重复的拉伸、扭转、弯曲、疲劳等章节可以合并教学，起到节省教学资源的作用。同时，在新课材料力学及其性能中省去了原“材料力学”课程中最后一章能量法以及“材料的力学性能”课程中最后三章复合材料、高分子材料和陶瓷材料的力学性能章节，主要是基于以下考虑。首先：对于金属材料专业，“材料力学”最后一章能量法内容较为复杂，在后续课程中应用较少，因此考虑不予纳入；其次，金属材料专业主要侧重金属材料的制备、加工、分析检测等，基本不涉及其他材料，因此在新课程中可以将复合材料、高分子材料和陶瓷材料的力学性能的内容省去；最后，由于需要将课时压缩至64学时，因此不重要的章节可以不用课堂上直接授课，如果学生有兴趣，以课后自学为主。

（二）调整实验课程

由于“材料力学”和“材料的力学性能”实验课程有重复，因此需要对其进行调整。“材料力学及其性能”课程开设的实验包括认知实验和实际动手实验两种，分为静载和动载两部分。由于实验课时有限，而金属材料的承载方式较多，因此考虑设置认知演示实验，包括静载认知演示实验和动载认知演示实验。认知演示实验主要是老师操作，将金属材料的拉伸与压缩、扭转、弯曲等静载实验以及硬度、冲击、疲劳、蠕变等动载实验给学生依次演示一遍，认知实验安排在课程授课前，使得学生对不同外载荷下金属的力学特性有感性的认识，随后授课教师再对各种载荷条件下金属的力学特点进行一一分析，不仅可以激发学生学习本课程以及本专业的兴趣，更能对所学知识有更加直接和深刻的认识，也真正在教学过程中体现了理论分析与试验研究并重的思想。并且和其他专业相比，金属材料专业开设认识实验有天然的优势。首选，金属材料系具有金属静载和动载力学性能的所有设备，其次，金属材料系教师均为本专业经验丰富的教师，对这些设备非常熟悉，完全可以胜任教学演示。“材料力学及其性能”作为金属材料专业重要的专业基础课，毕业后许多学生将会从事本专业相关工作，材料的力学性能知识在工作中的许多场合都有应用，因此，实际动手实验也是必要的，考虑金属材料的拉伸性能和冲击性能分别是最典型的金属材料静载和动载性能，因此将金属拉伸实验和金属冲击韧性实验设为本课程的学生实际动手实验。

（三）改进授课方式

《材料力学及其性能》课程作为一门新课，如何提高课堂教学效果，改进授课方式尤为重要。在授课过程中，应借鉴先进的教学理念和教学模式，并且不断探索和创新教学手段和方法，积极将理论教学与案例教学相结合以及项目案例分析法等多种创新教学方法应用到实际的教学过程中。

针对案例教学方法，在教学过程中要注意和金属材料专业背景相结合起来。比如本人常常引用的教学案例，1998年德国高速铁路事故，造成了严重的后果，导致了100多人死亡。首先给学生播放纪律片视频，随后给学生找出事故原因，是由于一个高铁轮子的疲劳断裂所引起的。进而继续给学生讲解，为何在高铁运行过程中明显远小于其屈服强度的外力会导致轮子最终的断裂，这样就把静载荷和动载荷对材料力学行为的影响差别给学生讲述清楚了。这种针对金属材料专业的实际案例和力学理论教学相结合的教学方法可以起到非常好的教学效果，也提高了学生的课堂兴趣。

如果学生对“材料力学及其性能”课程的知识产生了浓厚的兴趣，同样可以实现教学效果的提升。由于目前金属材料系教师不仅有教学任务，更承担多项与本专业相关的科研课题，在授课过程中，教师可以有意识的将与章节内容相关的科研课题向学生做个全面介绍，包括研究目的及意义、研究方法以及研究结果，把学生引入到材料力学及其性能的科研情景中，让学生更加明白所学知识在实际生活中到底是如何运用的，并且针对课题的相关技术难点，鼓励学生思考并提出不同的解决方案，可以提高学生的创新性和创造性，实现了培养综合素质和学生创新能力提升的教学目的。

同时，在课后还要注重激发学生学习的自主性并且引导学生采用多样化学习方式。江苏理工学院引进了泛雅数字化中心网络平台，教师在授课的同时建立相应章节的网络课程，包括在线的视频、PPT以及习题讲解等，学生在课后如果有不懂的地方，可以通过网络课程开展自主性学习，并且可以提问以及教师在线解答。这种线上线下相结合的混合式学习方法拓展了学生自主学习的时间和空间，起到很好的教学效果。

四、结束语

本文针对材料学院金属材料专业现有“材料力学”和“材料的力学性能”课程基本教学内容及实验重复较多的现状，分析了教学改革的必要性并探讨了将两门课程合并为一门新课“材料力学及其性能”的可行性，并从优化教学内容、调整实验课程以及改进授课方式等方面对“材料力学及其性能”的教学方法进行了探讨。但金属材料系专业的教学改革和实践是一个长期的过程，在随后教学过程中，还需要对“材料力学及其性能”课程在实践中不断的总结经验，不断的调整并逐步完善。

参考文献：

[1]杜劲，陶恒.基于工程教育认证的机械专业人才培养[J].高教学刊，2016（14）：204-205.

[2]吴勤仂.中德比较视野下的我国技工培养问题研究[D].江西师范大学，2008.

[3]夏美武.地方本科高校“转型陷阱”及其规避路径[J].职教论坛， 2016（7）：11-17.

[4]郑佩.材料力学教改思考[J].科教导刊（上旬刊），2017（2）：110-111.

[5]王永东，李柏茹，徐家文，等.应用型本科材料力学性能课程教学改革与实践[J].中国冶金教育，2014（5）：16-17.

[6]陈菊芳，朱福先，韩文钦，等.材料力学[M].西安电子科技大学出版社，2016.

[7]郑修麟.材料的力学性能（2版）[M].西北工业大学出版社，2000.