促进创新创业的材料成型原理教学改革与实践

2020-12-08

铸造设备与工艺 2020年4期

（大连大学机械工程学院，辽宁大连 116622）

高等教育的任务是培养有创新精神和实践能力的高级专门人才，高素质创新型人才的竞争代表着国家间综合国力的竞争。高等院校作为重要的育人基地，担负着全面推进素质教育，培养高素质创新型人才的历史使命。大学生思维敏捷，想象力丰富，蕴含着巨大的创新潜能。知识是素质和能力的基石，教学是获得知识的途径，要切实培养和提高大学生创新能力首先要从教学开始。教学内容创新、教学方法创新、评价方式和标准创新，更重要的是教师必须先“新”，掌握最新的科研成果、学习先进的教学方法。大学教师很重要的一部分工作就是科研，科研过程实际上就是创新过程，高水平的科研工作是提高教学水平的助推器，将科研与教学紧密结合是提高教学水平的有效途径之一[1]。让学生积极参与到教师的科研中，提高学生的知识运用能力和动手实践能力，激发学生内在科研创新能力。同时，学生从科研中观察到的实验现象和得到的实验结果又能帮助学生理解、巩固理论知识，将书本上抽象的理论和公式与实践相结合，增加学习兴趣，提升教学质量。从而达到科研与教学互相促进，创新素质与能力提升的多重效果。

《材料成型原理》是材料成型及控制工程的一门重要专业基础课程，包括液态成形、连接成形和塑性成形等三篇主要内容，兼顾塑料成形、粉末冶金等其他先进的成形方法。材料成型原理研究材料在成形过程中的组织结构、性能、形状随外在条件的变化规律[2-3]。材料成形的最终目的是高效、低耗、无污染地制造出高性能的符合人类不断增长的要求的产品。该课程在整个教学过程中担负着承前启后的作用，学生通过本课程的学习，可以对材料成形过程及其基本原理有实质性的、深入的理解，为分析和解决材料成形过程中的质量缺陷问题，培养学生研究新型材料、开拓新型材料成形技术的创新能力，提高学生的综合素质奠定坚实的理论基础。

1 现状分析

材料科学是一门成熟的学科，材料成型原理在我国高等工科院校中已形成相对稳定的课程体系，并在人才培养中发挥了重大的作用。目前，国内一些工科院校已经逐步建立起该课程的国家级、省级精品课程，极大地丰富了该课程的教学内容，促进了该课程的教学质量。

但是，材料成型原理包含了铸造、焊接、塑性成形等各种成形技术的原理和理论，多年来各个版本的教材主体内容没有较大变化，部分内容过于陈旧，知识点多而分散，理论性强，基本理论容易混淆、概念模糊不清，对重点难以理解和掌握。并且，随着科学水平的发展，新理论、新工艺、新技术不断出现，知识量的不断增加与教学学时大幅度缩减的矛盾给教学过程带来了更大的挑战，使课程建设变得更加迫切。传统的教学模式主要是以教师课堂讲述为主，考核方式采用单一的试卷和平时成绩来评价学生的学习结果，学生被动性、机械性获取知识，未能充分的参与到学习过程中，未能发挥主观能动性及创造性，严重影响了教学质量的提高和人才的培养。随着素质教育要求的提高，陈旧落后的教学内容及方法已不能满足人才培养的要求，多媒体教学手段单一、实践性教学环节薄弱，这些将直接影响学生的学习效果和灵活应用于实践的能力。

2 材料成型原理课程改革

2.1 优化教学内容

教学内容是决定教育质量的关键因素之一。材料成形原理内容丰富庞杂，要在教学中选定一条主线，删掉陈旧、过细的内容，简化基础理论的推导，紧紧围绕材料的组成、结构与性能的内在关系，强化在材料成形过程中通过控制和改善材料组织与性能获得优质产品的方法和途径。重点理解金属材料的性能很大程度上取决于材料的结构，通过控制和改善材料微观组织，获得良好的性能；同时，金属材料的性能又反过来指导优化材料的成形工艺。例如，在讲解金属塑性成型部分时，删掉复杂的理论推导，补充一些塑性成型的科研数据和分析照片，重点分析性能与结构之间的关系，并介绍相关模拟软件的应用，简化传统的理论计算。

将创新教育真正的融入课堂，学习的目的不再是为了传承前人的知识，记忆不再是最重要的能力与目标，要帮助学生建立个性化的知识体系[4]。在教学中，围绕主线，深入浅出地讲解理论，适当增加一些可供学生讨论的内容和前沿科技成果。这一点在日本的课堂上已经充分地实现，除了教材，教师会准备辅助资料发放给学生，选取的是最新的相关科研成果。如在随着社会的发展和科技技术不断进步，新材料、新工艺、新方法不断出现，材料成形原理的内容也在不断更新和完善，教师要注意结合本学科前沿研究领域和最新发展动态、介绍重点科技成果，丰富和活化教学内容。

2.2 更新教学方法

大学教育不仅是简单的专业知识灌输，更要注重培养学生的素质和能力。教师要改变过去满堂灌的讲授式教学方法，采用案例式、讨论式、在线自学式、现场演示式等多种教学方法[5]，让学生参与到教学活动中，使被动接受变为主动学习。在对某一知识点讲解时，结合科技发展前沿问题进行探讨，案例式与讨论式相结合，不仅能够培养学生的工程实践能力，也能提高学生的思考能力。如在讲解应力状态对塑性的影响时，引入等径角挤压这一类新塑性加工技术的讲解，介绍这种新技术出现、发展的历程，结合讲授知识点讨论改善塑性的原理，并可在课堂上进行随堂的知识点问答，采用手机选择卡进行回答，这样既能活跃课堂气氛，也能加深学生对知识点的理解，将极高地提升学生的科研素养。通过使用现有的手机在线学习APP 系统，进行学生的自学、课后辅导和答疑、小组讨论及小测试等内容，实现被动学习到主动学习的转变。

将慕课的概念和方法与传统教学相结合。材料成型原理的授课内容多，理论知识多，可以选取部分重点、难点知识，结合科研和生产现场案例录制微课视频，学生通过课前的学习对所讲内容有初步的理解，回答教师提出的问题，并可以与教师和其他同学在线进行讨论，然后在课堂进行讨论和总结，在这一过程中既学到了理论知识，还能够切实感受科学研究工作及生产实践，加深对知识的理解和掌握。

2.3 改革考试制度

考试是检查学生对所学知识的掌握程度也是检查教学质量的一个重要手段。第一步通过建立试题库，使试题内容覆盖全部知识点，避免人工编制试卷时产生的试题雷同、难易标准不一、评分标准变动大等弊端，从而使得考试更加公正。但是传统的考试形式以一张卷为主，不利于学生创造性思维的发挥，因此，我们将采取综合考核的方法。除了期末考试成绩和出勤、作业成绩，增加一个综合论文。将学生分成几个讨论小组，自行选定相关的研究内容，进行资料查阅、设计创新试验、撰写创新论文，将理论知识与实践相结合，促进学生对理论知识的理解和掌握。通过不同观点的争论和探讨，激发学生的独立思考和创新意识，培养学生查阅文献、收集资料及撰写科技论文的能力。这种考核方式有助于提高学生的积极性和主动性，锻炼了学生自主创新、综合分析和解决问题的能力。

2.4 加强实践教学

目前与材料成形原理课程相关的实践教学主要是认识实习和生产实习，但由于现代企业生产的自动化程度较高，学生往往不能近距离接触加工过程，因此需要一种学生能够切实参与其中的实践教学手段。当前，国家切实推进大学生创新创业工作，以此为契机，将学生分为多个创新小组，各小组可参与到教师的科研项目中，或根据所学知识自主设计实验项目，查阅资料、设计方案、进行操作，将科学研究和生产实际融入到教学当中，使学生更好地理解课程的内容，促进学习的积极性和主动性，培养学生用理论解决实际问题的能力。通过这些科研活动，使学生了解材料学科的发展动态及最新研究进展，提高学生的学习兴趣，鼓励学生勇于创新。同时为大学生创新创业等科技活动奠定了良好的基础。如在讲解塑性成形的基本模型时，鼓励学生自己动手参与到老师的科研中，分析不同材料的实际应力-应变曲线，与所给理论模型进行对比分析，既加深了对理论知识的理解，又能将理论与实际很好地结合。

2.5 教学手段

随着科技的发展，多媒体技术已广泛应用于教学中，它集合了文字、图像、声音、动画等多种元素，增加了教学的直观性和生动性。但是材料成形原理理论性强、课程信息量大，需要结合传统的板书进行推演，让学生掌握分析过程和思维方法。材料成形原理课程的原理性非常强，即使在课堂中进行视频播放讲解，学生在理解上还是比较困难的，如果没有现场教学，学生会感到抽象和枯燥，但由于条件限制往往不能实现现场教学，这便要引进吸收新的技术—VR 动画。利用VR 技术，建立虚拟实验室，学生可走进这个虚拟实验室，身临其境的进行实验操作，且操作结果可以反馈给学生，来判断操作的正确性。例如，浇铸螺旋状试样测量合金的流动性，由于合金温度高，操作危险，改成VR 虚拟实验，学生可测试不同材料不同条件下合金的流动性，并能真正掌握操作规范。目前，华中科技大学和北京科技大学等高校都建立了这种实验室，大大丰富了教学手段，增加学生的积极性。如铸造成形由于恶劣的工作条件和危险的环境，不可能带学生进行现场教学，用虚拟现实的方法既让学生身临其境地体验了这种成形方法，又能保证学生的安全。