新工科背景下《材料成型原理》课堂教学模式改革*

2022-01-01习小慧王金亮张世健

广州化工 2022年20期

习小慧，王金亮，张世健，王贵

(广东海洋大学机械与动力工程学院，广东湛江 524088)

为了应对新一轮科技革命与产业革命的战略行动，2017年2月以来，教育部积极推进新工科建设，先后形成了“复旦共识”、“天大行动”和“北京指南”，全力探索形成领跑全球工程教育的中国模式、中国经验，助力高等教育强国建设[1]。在新工科建设的大背景下，高校教育更强调学科的实用性、交叉性与综合性，新工科人才应该具备较强的工程实践能力、创新能力和国际竞争力，是能够引领未来技术和产业发展的高素质复合型人才。

在材料类专业人才的培养过程中，作为专业基础核心课程之一，材料成型原理将材料成型理论与工艺融为一体，综合介绍各种材料成型技术的基本原理、工艺方法和技术要点。通过该课程的学习，能够让学生掌握材料成型过程中凝固成型、焊接成形、塑性成形过程的基本原理技术，从而掌握材料成型缺陷的预防措施，使学生对课程中涉及的原理技术有较为深入的理解，扎实该领域的基础知识，为后续专业课的学习打下坚实的理论基础。通过知识传授和能力培养的相互渗透，使学生能把握材料成型过程的共性，熟悉材料成型特点。因此，探讨材料成型原理课程的教学模式，培养学生运用材料成型基本原理分析实际生产问题的能力，对丰富本科专业课程教学及改革的内容、深化材料成型及控制工程专业教育教学改革具有重要意义。

本文拟从新工科的视角，结合材料成型原理课程的教学实践，针对目前材料成型原理传统课程教学体系和教学方法存在的不足，对新工科背景下的材料成型原理课堂教学模式改革进行探索，以期对提高教学质量具有一定意义。

1 材料成型原理课程教学存在的问题

1.1 学生学习兴趣有待提高

学生的学习兴趣受多种因素的影响，其中有些因素是存在于课堂外的。随着科技的发展，电子产品以及伴随着的附加产品(如游戏、动漫、影视、直播等)日益增多，大大吸引了学生，将学生的兴趣引向电子附加产品，而严重丧失了对课本学习的兴趣。这直接导致课堂中学生拿手机玩游戏、看直播的现象泛滥。

材料成型原理是材料专业的基础核心课程，由相对独立的四部分组成，分别是液态成形理论基础、连接成形理论基础、金属塑性加工力学基础和塑料成型理论基础，有若干概念、原理、机理所构成。课程内容多、信息量大、抽象、理论性较强。想要掌握本课程，学生除了需要具备材料专业的工程材料基础或金属学与热处理课程的基础知识，包括Fe-C相图、二元合金的凝固以及塑性成形等，还要求学生对课程内容有提纲挈领性的整体掌握，并建立前后知识点间的联系。由于部分学生工程材料基础或金属学与热处理课程的基础知识薄弱，刚学习材料成型原理课程时难度较大；而且，本课程每一独立篇章内的内容又是相互衔接，前边的知识内容理解不透彻，将导致学生对后边的知识理解难度加大，因此逐渐失去了对材料成型原理的学习兴趣。

材料成型原理课程是大三上学期的课程，学生经过前两年的学习和了解，对本专业的就行形式持有悲观态度，对来校招聘的企业不满意，对将来的就业环境不满意，失去学习本专业课程的兴趣。有的学生会自行选修其他专业的课程学习，或者有的学生在学校自行创业，不愿意学习本专业课程。

1.2 教学方法有待改革

材料成型原理课程涉及内容广泛，涵盖了凝固、焊接、材料成型力学、塑料成形等多方面知识。课程内容共14章，但是受到专业课学时的限制，只有48学时(理论+实验)的课程安排，致使学生学习该课程的学时较少。因此，如何在短时间内将课程知识传递给学生，并让学生能够消化重要知识点，增强学生的主观能动性，是材料成型原理课程的教学关键。

此外，材料成型原理是一门和生产实践结合紧密的课程，可用于指导生产实践。但是，由于两者之间的思维方式差别较大，想在课堂中建立两者间的直接联系较难。而且，传统教学手段单一，没有将生产实践案例较好的引入材料成型原理课程的学习中，往往使学生学习枯燥、乏味，难以满足新工科背景下应用型人才的培养理念。本门课程的学习，除了掌握基本理论知识外，更重要的是能应用所学理论知识解释生产实践中的现象，并能够解决实际工程问题，建立基本的工程思维方式的能力。因此，如何在课堂教学中培养学生主动学习和主动探究的能力，是一个值得深入探讨的问题。

1.3 考核体系有待完善

针对材料成型原理课程教学，传统的考核方式一般包括平时成绩和期末试卷成绩，分别占比30%和70%。其中，期末试卷的考核内容主要是课堂讲授的知识点，重点关注学生对基本概念的记忆[2]，基础理论知识的理解以及塑性成形过程的力学计算。平时成绩的考核主要关注学生的出勤率和平时课堂作业的上交情况。然而，材料成型原理课程是服务于实际工程生产的课程，在新工科背景下，学习该课程的目的应该是使学生掌握用专业理论解决实际生产问题的方法，培养学生独立思考、独立解决问题的能力。传统的考核方式会促使学生在临近考试的一周时间，利用短期突击方式瞬时记忆课程知识点，应付考试。而且，在日常上课过程中，学生也只是保证出勤，并不能保证课堂听课质量。这样导致学生仅仅是考试期间熟记了考试知识点，无法做到对所学知识融会贯通，并应用于生产实践。因此，材料成型原理课程的传统考核方式存在诸多不足。在新工科背景下，为了培养创新型、实用型人才，必须对传统考核方式做出改革。

2 新工科背景下生产实践知识在教学过程中的重要作用

材料成型原理是服务于生产实践的一门核心专业课，教学过程应该与生产密切相连。学生学习过程中没有充分感受到所学课程与生产实践的关系，这也是学生学习兴趣下降的一个原因。针对此问题，教师在该课程的教学过程中，如何让学生认识到课程的重要性，以及学好该课程对于自己将来的职业发展的益处是至关重要的。生产实践知识是让学生通过理论知识认识生产实践的重要桥梁，是学生认识社会的重要知识体系。通过生产实践知识的学习，学生一方面可以将理论所学知识进一步巩固，加深理解；另一方面可以让学生充分了解所学知识在将来的社会实践工作中的用处，增强学生学习主动性、兴趣的同时，培养学生学习的主观能动性。此外，生产实践知识的传授有利于培养学生的爱国情怀和工匠精神。目前，与欧美一些发达国家相比，我国在工业和科技上尚有一定差距。例如，我国的精密加工技术与德国还有一定差距，芯片的制造技术也是制约我国科技发展重要瓶颈问题。这些技术存在差距的一个主要原因是工匠精神的缺失。在授课过程引入一些大国工匠的生产实践案例，让学生有所感，有所想，逐渐培养对本专业的热爱，提高对未来职业发展的自信心和自豪感。

3 新工科背景下的课程教学方法改革

3.1 案例教学法

案例教学具有工程实践性和趣味性，使枯燥的理论知识具体化、形象化，便于理解和掌握。它对学生的认知水平、分析问题的能力、研究问题的能力、解决实际问题的能力都有明显的提高作用，同时有助于发展学生的创新能力和培养学生的团队协作精神[3-4]。例如，讲解铸件凝固组织的形成与控制中，可引入电影《指环王3》中精灵公主为阿拉贡铸剑的片段，讲述宝剑的铸造过程，引发学生学习兴趣，然后再引入铸件凝固过程不同组织的形成过程，加深学生理解。讲解铸件中树枝晶的形成过程，可引入自然现象中雪花的形成过程，通过播放雪花形成过程的视频，让学生更加直观的理解铸件中树枝晶的形成，从而引发学生思考，去进一步探究树枝晶形成背后的机理。

3.2 实践教学内容的改革

加强实践教学环节的建设，提高学生分析问题和解决问题的能力[5]。传统的实践教学过程都是按部就班地依照理论课程设置实验内容，多为演示性的[6]，让学生通过模拟软件观察铸造过程以及塑性成形过程(如轧制和冲压)，综合设计型实验和研究创新型实验较少，实验内容单一，不能培养学生综合能力及创新意识。因此，为了培养学生的工程实践能力和创新意识，鼓励部分学有余力的学生加入教师的科研项目中。例如，让学生参与钢种成分的设计以及铸造和轧制工艺的制定，并对经过不同工艺处理的样品进行组织观察，建立工艺和组织间的关系。将课堂所学知识与实践相结合，巩固课堂所学知识的基础上，掌握钢铁材料的组织观察技术。此外，还可以让学生参与教师科研中力学性能的检测中，具体包括拉伸性能和冲击性能。学生可以自主进行不同材料的拉伸实验和冲击实验，总结力学性能数据，结合课程中的应力应变知识分析不同材料的塑性变形特征。

3.3 案例教学与翻转课堂耦合式教学

“翻转课堂”是让学生在课堂外自主学习知识，再在课堂中内化知识的教学方式[7]。在课堂外，学生带着教师所给布置的任务有目的地进行自主学习，并记录下自己在自学过程中遇到的问题；在课堂内，学生针对自己所学向教师进行汇报，教师根据学生的学习情况进行答疑，归纳总结呈现出课堂所学的知识脉络。针对材料成型原理课程，基于授课对象是材料类专业学生，所以我们在选择案例的时候要和本专业切合。案例教学和翻转课堂的耦合教学模式举例如下：

章节名称：液态金属的凝固形核

教学目标：掌握凝固热力学原理，会对比分析均质形核和异质形核的临界形核半径和临界形核功

根据教学目标，我们选择如下案例：以炼钢过程为例，纯Fe静态凝固过程临界形核半径和临界形核功的计算，不锈钢凝固过程临界形核半径和临界形核功的计算，对比分析两者的异同。

将案例发布给学生，同时发布以下任务，引导学生学习本章节知识点。

任务1：从热力学角度分析液态金属的形核条件？

任务2：从表面能和体积能分析均质形核的条件，并推导出临界形核半径公式。

任务3：从表面能和体积能分析异质形核的条件，并推导出临界形核半径公式。

任务4：对比分析均质形核和异质形核的相同点和不同点。

在课堂中，让学生回答所列任务点问题，教师针对学生回答进行归纳总结答疑，完整呈现出所涉及的课程知识点。

在这个过程中，学生的认知过程是从理论到实践，再从实践回归理论的过程，最终实现了学生对课本知识点的充分吸收和消化，显著提高课堂教学效果和学生自学能力。

3.4 改进课堂考核机制，建立全过程课堂评价体系

加大平时课程的考核力度，考虑学生在学习实践过程中的各个环节，消除对最终考试成绩等知识掌握最终评价指标的依赖性，建立学生学习过程的全方位评价。将平时成绩比例由30%提高至40%，除了常规的出勤情况、平时作业纳入平时成绩外，还要充分考虑对学生进行过程与方法、实践与态度的评价，如表达与交流能力、自学与思考能力、与老师的沟通能力等。其中，常规的出勤情况、平时作业占比20%，过程评价占比20%。全过程评价需要从学生的课前预习、课堂互动、课后交流等方面进行评价。全过程评价体系的建立可以让学生充分真正地融入课堂中，让学生有真正的参与感和较强的体验感，而不仅仅是坐在讲台下的一个被动的接受者。这不仅有助于教师和学生之间建立一种良好的关系，还可以很好地锻炼学生的整体素质。

期末考试占比60%，主要侧重材料成型原理基础知识的考查。然而，目前的考试方式是考试前老师画重点，学生按照范围复习，即使平时不认真听讲的学生也能顺利通过考试，这一现象严重打击了部分上课认真听讲的学生的积极性。因此，在考试试题的设置上，必须将试题的灵活性、多变性及综合性体现出来，让学生能够活学活用。