基于OBE理念的《计算机在材料科学与工程中的应用》教学改革——以热处理工艺模拟为列

李 伟 赵淑枝 孙士昭 宋 鸽 褚 亮 刘德宝 董治中

（1.天津理工大学材料科学与工程学院 天津 300384；2.天津市威曼生物材料有限公司 天津 301600）

引言

材料科学与工程专业涉及热处理工艺、相变等教学内容，是我校办学历史最悠久的专业之一。目前本专业的热处理工艺环节仍主要以“讲授式”授课，以理论教学为主，而模拟计算实践能力培养远远不够，与企业迫切需求该领域专门人才方面存在一定脱节问题。

本文通过对《计算机在材料科学中的应用》课程改革与实践探索，以热处理工艺模拟为例，通过将理论知识与模拟计算相结合，将学生自学、教师指导与学生实践相结合，提高学生将理论知识应用到研究实践中的能力。对培养创新型人才和高等教育的改革有着积极的意义。

一、学科发展中存在问题

《计算机在材料科学与工程中的应用》课程是专为材料类学生开设的，依据高校工科课程特色主要分为两大阵营，一类是以综合性大学为代表的材料物理专业，如南开大学等，主要讲授Jade、Origin、Chemoffice、Endnote等软件；另一类是，工科特色鲜明的工科院校，如天津大学等，课程中均涉及热处理工艺和相变研究，以及温度场、热场等的物理建模和模拟[1]，主要讲授如Thermo-calc、J. Mat. pro和Deform、Ansisy等软件。国内很多兄弟院校如西北工业大学等直接设有计算材料学专业。我校的材料科学与工程专业属于纯工科专业，目前存在的主要问题包括：

1）课程教学内容与综合性大学教学内容类似，较少涉及理论建模及热处理工艺、相变模拟等方面的知识，与专业设置定位存在一定差距。

2）本课程多以教师讲授为主，学生的实际操作训练学时不足，对学生的实践能力培养不够。

二、OBE理念应用型人才培养模式

与传统的“讲授式”、“填鸭式”、“一言堂”模式不同，OBE（Outcomes－Based Education）教学理念的精髓在于教学各环节以“结果”为核心进行逆向设计和安排：一是强调学生学习效果，二是重视学生学习的主动性。以不断变化的企业需求结果为导向，构建实现学生综合知识、能力和素养达到企业需求指标的课程体系，及时调整毕业能力要求，完善以学生学习结果为唯一标准的教学质量监控与评价体系。

目前，OBE理念被许多的国家和地区认可，并被引入到教学体系的各教学环节中。在培养应用型人才的新工科背景下，我国众多的高等院校逐渐认可这种新的教学理念，并在教学改革摸索过程中得到应用[2，3]。其主要优势主要在于：

1）借助理论建模与模拟预测的优势，增强学生的实践能力、提高学生创新能力，适应新工科材料学专业人才培养的要求。

2）及时把最新科研成果转化为教学内容，加强科研反补教学，激发学生专业学习兴趣；

3）为企业培养工程模拟专门人才，具有重要的现实意义。

三、《计算机在材料科学中的应用》这门课程，应从以下几方面进行教学改革：

（1）教学内容方面：应增加Thermo-calc、J. Mat. pro和Deform、Ansisy等软件，通过理论模型和计算，预测或设计材料结构与性能，让学生了解计算机在材料科学与工程领域的应用状况。

（2）教学手段和方法：采用OBE理念设计教学内容，体现以结果为导向的教学模式。培养学生形成计算模拟的思想方法，运用相关知识建立数学模型，建立材料微观结构、宏观性能和实际应用之间的关系。

四、以热处理模拟为例阐述OBE教学理念

学生在学习完成《热处理工艺》这门课程及具备热处理相关理论基础后，学习Deform软件中对于热处理工艺相关建模及分析知识：

1）首先由任课教师提出企业需求结果：为提高产品性能，需对工件进行热处理工艺优化，因此需要探究工件经渗碳，油淬和回火工艺后的温度梯度分布状态，各种影响因素如加热速度、加热温度、保温时间、冷却速度和冷却方式等对组织及性能的影响，如图1所示。但由于时间关系紧迫，以及成本太高，全部进行实验是有困难的，因此需对其进行广泛的模拟实验研究。这是OBE理念的结果导向的起始点，带着这一结果去探索问题，可以吸引学生对这一目标的关注，进而才能够让学生深入思考相关问题。

图1 企业需求的温度场分布状态图[4]

2）体现学生主观能动性：为解决上述问题，学生可自行梳理热处理相关知识或查询有关文献资料，找寻与热处理温度梯度分布有关的影响参数，并按照上述知识总结后，绘制相应的工艺路线图。如图2所示，传统教学模式下（图2（a）），学生对于加热温度A，加热温度B及加热过程中组织，性能、晶粒变化等没有一个感性的认识，对于保温时间A和保温时间B的认识也不够深入。而在OBE理念下计算机模拟模式中，学生对于各个加热环节、保温环节，都可以进行及时的模拟，那么组织如何演变的，组织如何影响性能的就会一目了然。

图2（a）传统教学模式下的热处理工艺路线图和（b）OBE理念下计算机模拟模式下绘制热处理工艺路线图

3）教师辅助指导下学生自行讨论：对于传统的热处理工艺过程，学生们的认识是不够全面和深入的，教师应提示哪些因素容易忽略，如不同温度保温时的热传系数不同，工件的对称面存在对温度梯度分布影响，以及工艺过程中介质如油、空气等不同的影响。该过程可以充分调动大部分学生们的积极性，是学生探索知识与发现问题的关键环节，应留出足够时间供其学习。

五、结束语

本文通过阐述我校材料科学与工程专业热处理方向及《计算机在材料科学中应用》课程特点和OBE理念培养人才模式的结果导向特点，最后以热处理工艺模拟为列，阐述OBE理念学生深化认识热处理理论知识，以及理论知识与计算模拟实践相结合。通过上述教学设计，培养学生形成计算模拟的思想方法，提高学生自我学习主观能动性及学习兴趣，将学生自学、教师指导与实践相结合，培养符合新工科、适应现代企业需求的高级专门人才。