面向智能制造工程专业的《工程材料》课程教学改革探讨

贾清波

（苏州大学 机电工程学院，江苏 苏州）

一 引言

伴随着新型信息技术和先进加工技术的快速发展应用，全球制造业布局发生了重要变革，以数字化信息为基础的智能制造加工成为当今全球制造业发展的新趋势[1-2]。通过将信息技术与加工技术的深入融合渗透，生产制造过程中的关键环节实现了智能化变革，智能制造技术大大改变了传统制造业的生产和管理模式。通常情况下，智能制造技术以智能工厂为载体，以加工制造数据为基础，并在互联网技术的支撑下，促进生产效率和生产效益的大幅提升。目前，世界工业发达国家纷纷提出制造业振兴战略，智能制造技术以其自身显著优势受到了广泛关注。智能制造技术的推广应用，有望推动生产自动化向智能化、先进集成化和柔性化方向发展，对于越来越多国家制造业升级转型具有重要作用。

作为支撑加工制造业发展的重要基石，材料在人类社会进步中发挥着至关重要的作用，材料科学的发展也有力地促进了制造业的快速进步[3-5]。材料科学是一门理论和实践相结合的学科，主要研究材料的化学成分组成、组织结构以及性能之间的关系，并通过加工工艺设计和优化，最终提升材料服役性能以期满足制造业的需要。作为加工制造业的主要对象，必须掌握材料领域共性规律和基础理论知识，利用实验研究材料内部结构与宏观性能之间的作用关系，最终解决实际生产和复杂工程问题。

近年来，智能制造成为了教育部明确规划发展的领域之一，并纳入了本科生专业培养范畴[6]。加工制造业技术的日益更新，导致智能制造行业对于高端材料需求强劲的同时，对材料类人才的需求也日益增强。事实上，在加工制造行业人才培养诸多环节中，对具有材料类知识人才的培养必不可少。因此，为了满足社会发展需要，高等院校在智能制造人才培养过程中对材料科学的教育教学提出了更高要求。工程材料是材料学科的一个重要组成部分，其所涵盖的基础知识是工程师应当具备的基本素养[7]。然而，在“智能制造”新时代背景下，《工程材料》专业课程教学过程中普遍存在“内容少、教材落后”现象，导致人才培养缺乏与学科前沿发展相融合、缺乏与工程实践相融合、缺乏与制造业发展趋势相融合等突出问题。

本文将结合笔者自身的教学实践经历，针对上述智能制造专业人才培养问题，重点围绕智能制造工程专业《工程材料》课程教学内容，对普通高等院校智能制造工程专业《工程材料》课程教学改革方向作探索研究。

二 课程教学特点与突出问题

智能制造工程专业涉及机械工程、自动化、计算机和工业工程等学科门类，是一门典型的多学科交叉“新工科”专业[8]。目前，普通高等院校智能制造工程专业本科学生培养主要目标为掌握机械、电子、控制和管理等基本原理和知识，并要求具有解决智能制造工程领域中复杂工程问题的能力。因此，在上述人才培养要求背景下，智能制造工程专业所开设的《工程材料》课程多以专业基础课程形式开展教学工作。然而，在教学实践过程中发现，当前的教学内容和教学方式主要延续传统机械工程专业《工程材料》课程教学模式，表现出以下突出问题：

1）理论知识传授不深入问题。在理论知识教学过程中发现，智能制造专业课程体系中机械加工、机械制造等相关专业基础课程需要频繁涉及材料学相关概念和知识，例如正火、淬硬层、磨损机制等，而《工程材料》教材多以讲述基本概念、基本理论和基本方法为主，对于机械加工制造等专业课程中涉及却未能涵盖在《工程材料》课程中的基础知识，智能制造工程专业本科生在学习过程中无法短时间接受和理解，进而影响整个专业课程学习进度。此外，在工程材料课程基础知识传授过程中存在一些比较抽象的概念，这些概念仅通过示意图展示不能够很好地被学生接受，导致理论无法联系实际，在理解材料理论知识的过程中非常困惑。

2）教学内容滞后问题。专业课程建设过程中通常开设新型智能制造工艺相关课程，例如增材制造技术、激光先进加工技术等，这些课程对材料学相关理论知识提出了更高要求。例如，激光与材料作用过程中极快的冷却速度和极高的温度梯度，导致加工材料中生成复杂的残余应力和非平衡凝固组织，使得材料表现出非同寻常的机械性能，给成形构件提出了非传统的热处理需求。在日常教学过程中发现，传统《工程材料》教材对于前沿加工技术涉及材料学知识体系具有一定的滞后性，无法与前沿科学现状相结合。因此，基于传统制造工艺而设置的工程材料课程内容无法与智能制造背景下先进加工工艺中的材料知识体系相适应，学生想学习了解更多的材料学知识却又无从下手。

3）实践能力培养问题。智能制造工程专业本科生在学习基础理论知识课程的同时，通常开展机械制造类课程设计、实验教学及专业实习等内容，以期在培养学生动手能力的同时，对相关基础理论知识进行实践检验。例如，在机械制造技术基础课程设计过程中，通常会给本科生安排设计零件加工实验课程，用以验证设计构件能否满足实际使用需求。笔者在上述教学活动开展过程中发现，智能制造工程专业本科生常常表现出对材料科学相关知识（比如刚度、疲劳强度、拉伸强度等）“不了解”或“一知半解”问题，导致学生解决实际问题能力非常欠缺。

4）创新应用思维培养问题。如何能将所学工程材料基础知识创新性应用于解决智能制造生产实际工程问题，这是检验教学质量和教学成果的有效指标。事实上，材料类科学问题在智能制造生产过程中无不涉及，通过结合《工程材料》课程中的专业基础知识以及智能制造专业课程中的其他理论知识，创新性提出解决智能制造生产问题方案。比如，通过加工工艺设计提升材料性能，进一步优化产品设计，结合精益排产规划，最终促进生产效率和效益的提升。目前，智能制造工程专业本科生在学习过程中，不能结合各专业课程基础理论知识间的相互联系并创新性地应用于实际问题，导致培养学生创新应用思维能力出现严重问题。

三 课程教学内容改革探讨

针对智能制造工程专业本科生培养的特点以及其中涉及的突出问题，考虑学生知识结构体系以及创新思维能力培养必要性，结合用人企业对于智能制造工程专业人才培养总体需求，笔者基于自身的教学体会以及企业专家建议，提出以下智能制造工程专业《工程材料》课程的改革措施：

立足培养目标，深化专业课程体系建设。智能制造工程专业课程建设体系中指出，制造类相关基础理论知识的学习旨在培养学生解决实际生产过程中复杂工程问题的能力。工程材料作为制造加工的对象，其相关知识的学习对解决制造加工工程问题非常重要，而材料类科学本身是一门多学科交叉性系统基础科学，涉及数学、物理、冶金、化学等多个学科分支的有机结合[9]。为此，智能制造工程专业课程体系建设过程中，需要学生在掌握材料基础理论知识的基础上，了解材料成分、组织、性能与用途之间的作用关系，理解加工零部件的生产全周期过程，通过工艺优化改进零部件性能和设计，达到解决实际生产过程工程问题的目的。基于上述培养目标，在当前智能制造专业课程体系建设现状下，加强专业课程体系顶层设计，坚持以学生能力培养为主体原则，以专业特色建设发展方向为指引，提升材料类及制造类专业基础课程在智能制造专业课程体系中的重要基础作用，融合材料类专业基础课程与制造类专业课程培养内容，最终结合学生知识结构体系以及企业人才培养总体需求，构建全面而成熟的专业课程内容体系。

与时俱进，系统拓展优化培养方案。在“新工科”建设和“智能制造”的双重背景下，以智能制造行业热点为切入点，结合智能制造新工艺对材料学基础知识的需求，进一步拓展材料前沿知识体系，同时强化课程培养重点内容，系统优化培养方案。例如，对于当前发展迅速的激光增材制造工艺而言，其非平衡快速凝固、往复循环加热冷却等冶金特征与传统合金材料加工工艺截然不同，导致材料在微观尺度上成分和组织的均匀性以及宏观方面上的力学和功能特性，与传统加工工艺制备的零部件都有非常显著的差异。上述差异正逐步变工程师对于零部件设计的观念，材料-结构-性能一体化整体性设计模式正日益体现出增材中制造技术的独特优势，并有望变革未来航空、航天、医疗、汽车等领域零部件的设计方式[10]。这就要求专业教师在课程讲授过程中，进一步拓展相关基础知识点，对比分析传统加工和增材制造技术的冶金特点，将研究内容转化为课程教学内容，激发学生的学习兴趣和创新探索精神。此外，教师在课堂教学过程中，在完成教学计划设定知识内容的前提下，可以通过知识体系延伸、基础理论融合以及工程案例拓展等方式，进一步丰富教学内容，保障讲授知识体系的完整性和全面性，以期实现从“学生听得懂”到“学生理解透”的转变，扎实学生基础知识，最终提升教学效果。

理论与实践相结合。以培养学生创新能力、动手能力和解决实际问题能力为出发点，开展基础知识理论与实践紧密结合的教学模式，实现从基础理论到工程创新实践能力培养的过渡，促进学生将理论知识运用到实践中去的主观学习能动性，提升学生创新思维和创新意识。材料类专业具有与工程实践紧密结合的科学特性，学生可通过实验、课程设计、创新创业、学科竞赛等方式深度参与进来，将所学理论知识得以实践，并结合实际工程问题提出创新方案解决实际问题。例如，在课程设计及实验开展过程中，可针对具体使用工况环境下零部件成品率差导致的生产效率低等问题，促使学生基于掌握的《工程材料》理论知识，选择合理的材料成分和成形工艺，制定并优化生产工艺流程，提出创新解决方案并运用到实践中去。另一方面，通过邀请智能制造相关企业一线精英参与到课程内容的讲授工作中，介绍《工程材料》相关基础知识在实际生产中的重要作用，增进学生对智能制造工艺生产过程的认识，了解行业发展动向和前沿热点问题。此外，依托高水平科技竞赛活动，如中国“互联网+”大学生创新创业大赛、全国大学生课外学术活动等，鼓励学生结合自身所学知识体系设定参赛题目，在解决工程问题的同时，实现对所学知识的巩固和实践检验，同时提升学生工程实践能力和创新应用思维能力。

四 结语

综上，《工程材料》专业基础课程在智能制造工程专业课程体系中具有十分重要的作用，针对智能制造产业对相关专业人才培养的具体需求，开展《工程材料》专业基础课程教学内容改革探讨非常必要。通过上述教学改革探索，深化智能制造专业课程体系，优化智能制造专业培养方案，促进学生掌握扎实的基础理论知识，提升学生实践能力，满足高速发展经济社会对智能制造技术人才的需要。在实际人才培养过程中，仍需要对学习成果建立健全的监督制度和具体评价制度，并根据学习成果反馈及时调整教学方法和教学内容，持续推进教学改革工作，培养学生学习能力、应用能力以及创新能力，提升智能制造专业综合素养。最终，随着教学内容的深入改革推进，智能制造专业本科生对于制造加工基础知识的掌握将更加牢固和全面，能更好符合智能制造产业对专业人才的需求，最终服务我国制造业转型和发展。