工程材料力学性能课程教学改革思考与探索

    叶芳霞

    摘 ?要 为了推进工程材料力学性能课程教学改革，提高教学水平，从材料科學与工程专业的特点出发，对工程材料力学性能课程的教学进行探索与思考，从教学内容及教学方法优化、教学手段改进、实验的科学设置及过程考核强化等方面，探讨该课程教学改革思路及在教学中的实践。通过教学实践，学生的学习热情得到提高，知识运用能力得到加强，工程实践能力和创新能力也得到一定程度的提高。

    关键词 工程材料力学性能;教学改革;实验;教学方法;SPOC;网络教学平台

    中图分类号：G642.0文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2019）18-0076-03

    Consideration and Exploration on Teaching Reform of Mecha-nical Properties of Engineering Materials//YE Fangxia

    Abstract In order to promote the teaching reform of mechanical pro-

    perties of Engineering materials course and improve the teaching level， this paper considers and explores the teaching of mechanical properties of engineering materials according to the specialty charac-

    teristics. The teaching reform ideas and practice of this course are

    discussed from the aspects of optimizing teaching contents， optimi-zing teaching methods， improving teaching means， setting up expe-riments scientifically and strengthening process assessment， etc.. Through teaching practice， students learning enthusiasm have been improved， and their ability of knowledge application， engineering practice and innovation have been strengthened.

    Key words mechanical properties of engineering materials; teaching

    reform; experiments; teaching methods; SPOC; Network teaching platform

    1 引言

    工程材料的力学性能是关于材料在外加载荷（外力）作用下或载荷和环境因素（温度、介质和加载速率等）联合作用下表现的变形、损伤与断裂的行为规律及其物理本质和实验测试技术的学科。与材料的物理性能、化学性能一样，材料的力学性能是材料科学与工程四大基本要素之一的材料性能的重要组成部分，是各类材料在实际应用中都必须涉及的共性问题。材料力学性能课程是材料专业的基础课，该课程既是材料科学基础课程的延伸，也是失效分析等课程的基础[1]。

    在金属材料专业中，材料力学性能课程同样起着承前启后的重要作用，是工程应用中材料力学性能检测、选材和失效分析的基础，其工程实际意义是显而易见的[2]。通过学习该课程，不仅有助于学生掌握材料各种力学性能指标的工程物理意义及材料强度的研究思想和方法，而且有助于学生掌握各种因素对材料力学性能指标的影响，可直接用来解决工程应用中的技术难题和指导生产。

    本文从优化教学内容、优化教学方法、改进教学手段、科学设置实验和强化过程考核等方面，思考并探索工程材料力学性能课程的教学，提出相应的改进措施。

    2 优化教学内容

    根据教学大纲，本课程选择的教材为束德林主编的《工程材料力学性能》。该教材共11章，可分三部分进行讲授：

    第1～4章为第一部分，主要阐述材料在静载荷及动载条件下的变形和断裂过程，其力学性能指标用于评价零件的抗过载失效能力及其安全性;

    第5～8章为第二部分，主要论述疲劳、环境效应、磨损和蠕变等失效形式，零件的寿命也是由材料对这几种失效形式的抗力决定的;

    第9～11章为第三部分，主要介绍聚合物材料、陶瓷材料和复合材料的力学性能[3-4]。

    该教材中的重要概念和一些定律是从工程力学和材料科学基础等课程衍生而来的，同时，部分内容也为后续的“失效分析”等课程奠定一定的基础[4]。

    “工程材料力学性能”课程由于课时较少，再加上内容比较抽象，涵盖的范围较广，要想系统且深入地把教材中所有的内容都为学生讲解是很难做到的[4]。所以，以激发和培养学生的学习兴趣为出发点，在教学过程中必须深化、优化教学内容。同时，根据专业特色和专业需求，对相关内容进行强化和弱化。西安文理学院材料科学与工程专业只涉及金属材料，所以需要强化课程中金属材料在静荷载下力学性能、应力腐蚀和氢脆断裂、磨损及金属高温力学性能等章节内容，弱化陶瓷、聚合物及复合材料等的力学性能，即将专业涉及相对较少的章节内容进行弱化，这样可以留出一定的空间让学生进行自学。

    3 优化教学方法

    案例教学，坚持理论联系实际 ?将日常生活中的事例加以充分利用，把理论与实践结合起来，激发学生积极思索与探讨，以启发式的教学方法引发他们的好奇与疑问[5]。这样不仅有助于学生对知识的理解与内化，而且有助于学生对知识的丰富及应用。比如引入实际生产、生活中桥梁用钢、建筑用钢、曲轴等各种断裂案例，有助于学生对金属断裂内容（认识、理解各种断口）的理解，可以使学生从材料学角度分析材料失效的原因、机理，并结合服役条件提出改进措施[6]。

    再如讲到“低温脆性”这个知识点的时候，以往的讲解内容是直入主题，先讲低温脆性的概念，再讲低温脆性的本质，最后讲影响低温脆性的因素及预防措施。按照这样的教学内容和教学思路讲起来，学生不仅觉得枯燥无味，而且觉得机理分析方面深奥难懂。在新的教案和教学内容中，笔者以《泰坦尼克号》《日瓦戈医生》等经典影片的相关片段作为问题的引入：为什么在寒冷的冬季，船体在触礁后和铁路在遭受一定的冲击力之后会发生脆断呢？带着这样的问题学习“低温脆性”这一内容，学生会对接下来的讲课内容更加感兴趣。在教学内容方面，把泰坦尼克号船体材料的成分、组织、外界环境温度等综合因素进行列表分析和扫描电镜照片组织分析，不仅使低温脆性的本质浅显易懂，而且使学生对影响低温脆性的因素理解更加深刻。

    在讲到金属的理论强度与实际强度之间相差1000倍的差值时，笔者引入掰弯铝的实验演示，提出问题：理论值与实验值之间1000倍的差值去了哪里？这个问题困扰了材料学家好多年，即使在20世纪那样一个大师辈出的年代，依然没有得到解决。接着用两层地毯滑移动画演示、毛毛虫蠕动演示，形象地解释位错理论。通过位错及位错理论这个桥梁，就找回金属的理论强度与实际强度之间相差的1000倍的差值。通过对课程教学内容的优化，不但使所学知识得到巩固，而且使学生分析问题和解决问题的能力得到提高。但是，笔者在教学过程中又犯一个不小的错误，就是没有留白。因此，在教学中，讲课内容要少而精，重点、难点要多角度、深层次讲深讲透;事实性知识少讲或不讲，留足空间给学生自助探究、想象、领悟、内化。

    与学科发展前沿相结合 ?学生的学习在过去一直是被动的，即教学以教师的讲解和学生的接受性学习为主，教师讲解知识、技能、概念、原理，学生预习、模仿和做题。这样对学生学习的主动性极为不利，学生只会满足课本知识，创造性不能得到很好开发[5]。鉴于此，教师在教学过程中要适当地介绍学科前沿的发展情况，并将自己的科研与课程教学内容结合起来。如当讲到材料的硬度这个知识点的时候，不仅仅局限于教材中的几种硬度的测量原理及应用范围，通过查阅、跟踪一些最新的参考文献，发现原来显微硬度还是可以测量材料的断裂韧性的。笔者将这种科研思路融入教学中的这个知识点，不仅使学生对“材料的硬度”这个知识点能够更好地掌握，而且使学生学会主动探索知识和应用知识，提高了解决问题和分析问题的能力，使学生的眼界也开阔了许多。

    增强自主学习能力 ?倡导以学生为主是优化教学方法的有效途径，培养学生具备自我学习的能力，强调学生是学习的主人，引导学生自己查阅资料与释疑并加以总结。教师要在这个过程中充分发挥引路人的作用，使学生的积极性与主动性充分调动起来。以“复合材料的力学性能”为例，说明如何进行教学方法的优化。

    第一步：教师让学生上网查阅“复合材料耐磨性”的相关资料，并就“颗粒增强金属基复合材料的耐磨性”的提出、原理及发展现状写一篇综述性报告，在下一节课让学生自己讲解。

    第二步：教师结合自身的科研及备课内容，给学生进一步讲解“颗粒增强金属基复合材料”的制备方法及相关工艺特点。

    第三步：教师引导学生根据自己查阅的相关资料和授课内容，对自己的综述报告进行补充和完善。

    这样的“三步式”教学法，不但使学生的学习积极性得到提高，而且使学生对知识掌握得更加深刻和牢固。同时，学生的视野得到拓展，科研兴趣和自我获取知识的能力也进一步增强了。

    4 改进教学手段

    为了实现教学目标，完成教学内容，除了使教学方法得以优化外，还应采用适当的教学手段。“工程材料力学性能”不仅课程内容比较多，而且学时有限，图表和图片较多。在课程内容教授过程中，金相组织及断口形貌的特点、变形过程及实验现象的变化过程与变化规律等，很难通过语言表述清楚。而采用动画、视频等多媒体辅助教学手段，在授课学时减少的同时，使教学信息量增加了，丰富了教学过程，使教学效果有了明显增强。此外，在多媒体课件中收集大量的Flash、视频及图片等资源，如有关强度、硬度、低温脆性、韧性等的动图和视频，使抽象的概念变得生动形象，使学生对相关知识点的理解和记忆更加深刻[6]。

    同时，要引导学生采用多样化学习方式，在课后还要使学生学习的自主性得到激发[2]。随着信息技术与科技的发展，网络信息资源逐渐成为一种新型的教学资源。随着网络教学的开展，学生的学习越来越多地受到网络的影响，这是由网络环境的开放性、资源的易获取性和内容的丰富性等特征决定的。目前，课程网络平台建设是我国课程体系改革的主要手段及内容之一，也是教学的发展趋势。

    “工程材料力学性能”网络教学平台的构建，是材料科学与工程专业对人才培养的需求，可使教学资源相对静态的问题得到较大程度的解决，同时可解决学科快速发展与工程实践交联薄弱之间的矛盾。西安文理学院引进泛雅网络教学平台，教师在授课的同时，可建立相应章节的在线视频、PPT以及习题等;学生可以通过网络课程开展自主性学习，解决课后仍存在疑惑的地方，仍有疑问的可以在线提问，由教师在线进行解答。学生自主学习的时间和空间利用这种线上线下相结合的混合式学习方法得到拓展，教学效果明显改善。

    此外，在平台中建立材料新动态模块。随着科学技术的发展，材料的发展速度越来越快。对新材料、新技术，如一些新型的功能材料，由于授课时间的限制，课堂上来不及展开讲述的内容放到网络平台上。同时，为了保持网络内容的超前性，還可以将材料的最新研究动态及发展趋势放到网络平台上，拓宽学生视野，激发学生的开拓创新意识。在后续的SPOC建设中，要整合各类教学资源，使自己的SPOC更加有趣、有启发性，更加精彩。如借助中国大学MOOC，拷贝一门已经结课的MOOC的学期内容，删减或新增补充内容;也可借鉴网易公开课程或参考其他网络资源等。

    5 科学设置实验

    通过改变实验所用材料和实验条件，从而得到不同的实验结果，让学生掌握试样的制备、仪器的操作、数据的处理等方面的能力。对于参与教师科研项目和大学生创新训练项目的学生，可亲身体验科研实践，如当项目中需要做拉伸、弯曲、硬度、冲击、磨损和疲劳等各种性能实验时，可利用自己制备的试样，从而使发现问题、分析问题以及解决问题的能力得到提高。此外，可以杜绝实验报告相互抄袭的现象[6]。

    此外，为了进一步增强学生的动手能力，还可以通过增加综合性、设计性的实验，加深学生对整个材料科学体系的理解，在学生的思维得到启迪的同时，使学生的综合应用能力、创新意识和创新能力得到提高。

    6 强化过程考核

    在期末试卷的设计上，要减少对记忆性知识点的考核，增加应用型主观题量[1]，将命题重点放在考核学生对知识点的理解和综合运用能力上，这样才能更好地反映学生对知识的掌握能力和应用能力，让学生能够根据自己所学的知识进行自由发挥。同时，必须注重教学环节的过程考核，使学生能够重视过程学习，积极参与教学活动和教学过程。最终的成绩由平时考核、实验考核和期末考试三部分组成，其中平时考核包括到课情况、线上自主学习情况及课后作业;实验则根据学生试样准备、设备操作、实验报告等情况进行综合考核。通过对本门课程的考核方式进行改革，学生的学习积极性有了很大提高，为后续专业课的学习及将来工作以后从事材料的研发和生产奠定很好的基础。

    参考文献

    [1]陈刚，范培耕，周安若，等.应用型工科类本科院校材料力学性能课程教学研究[J].中国冶金教育，2017（3）：21-23.

    [2]陈逸，程亮，张云龙，等.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[J].高教学刊，2018（17）：122-124.

    [3]束德林.工程材料力学性能[M].3版.机械工业出版社，2016.

    [4]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）：16-17，21.

    [5]白允强，王章忠，周衡志.应用型本科“材料力学性能”课程教学改革[J].中国冶金教育，2010（3）：49-51.

    [6]彭红兵.应用型人才培养下《材料力学性能》课程教改实践[J].科技创新导报，2017（32）：222-223.