王彥芳 石志強(qiáng) 曹 寧 王引真 何艷玲中國(guó)石油大學(xué)(華東)材料科學(xué)與工程系 山東青島 266580

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工程材料學(xué)研究性教學(xué)模式的探索與實(shí)踐

王彥芳 石志強(qiáng) 曹 寧 王引真 何艷玲
中國(guó)石油大學(xué)(華東)材料科學(xué)與工程系 山東青島 266580

摘 要：研究性教學(xué)通過(guò)教師的引導(dǎo)、啟發(fā)和幫助，使學(xué)生能自覺地發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。本文從課程內(nèi)容體系、教學(xué)方法、考核方式和課程實(shí)驗(yàn)等多方面進(jìn)行了改革嘗試，探索了研究性教學(xué)在工程材料學(xué)課程中的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：工程材料學(xué)；研究性教學(xué)；教學(xué)模式

工程材料學(xué)課程是材料科學(xué)與工程專業(yè)(Materials Science and Engineering，簡(jiǎn)稱MSE)的一門專業(yè)核心課程。該課程的基本教學(xué)要求是：掌握合金化理論的基本知識(shí)，了解材料成分設(shè)計(jì)的基本依據(jù)；熟悉生產(chǎn)中常用的材料及其熱處理工藝、組織、性能與應(yīng)用及環(huán)境之間的關(guān)系，根據(jù)零件技術(shù)要求，能正確地選擇材料和制訂工藝，并初步具備新材料開發(fā)的能力。學(xué)生學(xué)完材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料工程基礎(chǔ)、材料性能學(xué)等基礎(chǔ)理論課后，頭腦中堆滿了有關(guān)材料科學(xué)的概念和現(xiàn)象，但是在遇到實(shí)際問題時(shí)往往無(wú)從下手。工程材料學(xué)就是從材料科學(xué)和實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的角度出發(fā)，根據(jù)學(xué)生已有的材料科學(xué)的基礎(chǔ)理論，建立整體統(tǒng)一的概念和體系，闡明它們之間的內(nèi)在關(guān)系，幫助學(xué)生學(xué)會(huì)分析問題和解決問題的方法，培養(yǎng)在實(shí)際工程中正確地選擇材料和使用材料的能力。本課程不僅要把重要的工程材料及其合金化原理及熱處理介紹給學(xué)生，更重要的是要把材料研究的基本思路和基本方法傳授給學(xué)生，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能獨(dú)立分析和解決實(shí)際問題的能力，以適應(yīng)社會(huì)對(duì)材料人才的需求。

工程材料學(xué)是MSE專業(yè)本科教學(xué)計(jì)劃中的最后一門專業(yè)主干課程，是學(xué)生走上工作崗位后應(yīng)用最多最直接的課程，在專業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)中占有非常重要的位置。在工程材料學(xué)課程中開展研究性教學(xué)，可充分利用課程特點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問題的能力和工程應(yīng)用能力。本文結(jié)合工程材料學(xué)教學(xué)改革的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)在課程教學(xué)中開展研究性教學(xué)的模式進(jìn)行探索。

1優(yōu)化和整合課程內(nèi)容 構(gòu)建油氣特色課程體系

課程選擇哈爾濱工業(yè)大學(xué)王曉敏教授編寫的《工程材料學(xué)》為教材，該教材在鋼的合金化基礎(chǔ)和常用材料方面介紹的非常具體全面。但材料的發(fā)展迅速，一些新材料、新技術(shù)、新工藝在原教材內(nèi)容中沒有得到體現(xiàn)，同時(shí)對(duì)行業(yè)特色院校，缺少相關(guān)案例。我們?cè)谡n程教學(xué)中，在教材基礎(chǔ)上，根據(jù)學(xué)校特色，進(jìn)行了如下改革：

(1)根據(jù)材料學(xué)科發(fā)展，增添了一些新材料、新工藝和新技術(shù)。如微合金非調(diào)質(zhì)鋼、新型模具鋼、塑料模具鋼、大鍛件鋼、非晶態(tài)合金、鎂合金等內(nèi)容。

(2)根據(jù)我校的“油氣”特色，整合部分選修課程的內(nèi)容，適當(dāng)增加油氣專用金屬材料的內(nèi)容。如油氣管道用材、鉆桿及抽油桿用材、油氣鉆采工具用材等；并在課堂案例教學(xué)中增加“油氣”用材的案例比例。

(3)增加“選材”模塊。課堂講授著重闡明材料成分與處理工藝的特點(diǎn), 強(qiáng)調(diào)材料組織與性能及應(yīng)用之間的關(guān)系, 使學(xué)生掌握各類材料成分設(shè)計(jì)和制訂工藝的依據(jù)。選材模塊主要以課堂討論、課后作業(yè)等形式出現(xiàn)，讓學(xué)生從應(yīng)用出發(fā)，根據(jù)具體工況，選擇材料，制定強(qiáng)化工藝，形成“零(部)件-工作條件-性能要求-合金化-熱處理-組織-性能-應(yīng)用”的材料研究與分析思路，對(duì)知識(shí)點(diǎn)做到融會(huì)貫通，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

2構(gòu)建多位一體的研究性教學(xué)方法

課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課后作業(yè)是培養(yǎng)學(xué)生的重要手段。為了既能把專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)系統(tǒng)地傳授給學(xué)生，又能使學(xué)生掌握材料研究的基本思路和基本方法，我們?cè)谝韵聨讉€(gè)方面構(gòu)建了多位一體的研究性教學(xué)方法。

(1)抓住課程主線，講清思路，提高課堂教學(xué)效果。采用傳統(tǒng)的課堂教學(xué)方法把合金化與熱處理原理系統(tǒng)地傳授給學(xué)生，在講授過(guò)程中注重展示原理的形成過(guò)程，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。在課堂教學(xué)中緊緊抓住“服役條件-性能要求-合金化原理-熱處理強(qiáng)化工藝-組織/結(jié)構(gòu)-性能-典型牌號(hào)-應(yīng)用”的主線，讓學(xué)生掌握材料研究與分析的思路和方法，提高課堂教學(xué)效果。同時(shí)，運(yùn)用歸納、小結(jié)的方法將分散的內(nèi)容集中、繁雜的內(nèi)容高度概括，教給學(xué)生分析思路。不僅讓學(xué)生理解和掌握材料的內(nèi)涵，達(dá)到學(xué)活、學(xué)好的目的，而且提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

(2)采用教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體的模式，開展課堂討論。為了從根本上克服滿堂灌、學(xué)生圍著教師和書本轉(zhuǎn)的弊端，使學(xué)生成為教學(xué)的主體，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，在課程教學(xué)中設(shè)置3～4次課堂討論課。教師提前布置討論題目和要求，學(xué)生查閱資料，完成討論提綱。課堂討論課采取分組討論的形式，首先小組內(nèi)進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，形成小組解決思路。然后各個(gè)小組匯報(bào)解決方法，選出較優(yōu)方案。最后教師做課堂總結(jié)，指出存在的問題及在今后學(xué)習(xí)中應(yīng)注意的事項(xiàng)。課堂討論的形式，既提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又增加了學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的深入理解。課堂討論課的難點(diǎn)是開放性討論題目的設(shè)計(jì)及如何提高學(xué)生的參與度。

(3)布置大作業(yè)，撰寫小論文，培養(yǎng)學(xué)生思考和表達(dá)能力。工程材料學(xué)是專業(yè)基礎(chǔ)理論知識(shí)和生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用知識(shí)之間的橋梁，課程的內(nèi)涵是專業(yè)知識(shí)的融會(huì)貫通。布置大作業(yè)，撰寫小論文不僅可鞏固學(xué)習(xí)效果，在科學(xué)研究基本訓(xùn)練、提高綜合實(shí)踐能力與素質(zhì)等方面，有不可替代的作用。課程組在課堂講解完一定章節(jié)，學(xué)生初步理解了材料學(xué)課程的“主線”后，布置了與石油石化行業(yè)緊密相連的4個(gè)題目：海洋平臺(tái)用鋼、壓力容器用鋼、輸送管線用鋼和耐H2S腐蝕油氣管桿材料的成分設(shè)計(jì)。將學(xué)生分成若干小組，針對(duì)題目，查閱相關(guān)資料，根據(jù)服役條件，分析其性能要求，設(shè)計(jì)合金成分(合金化途徑)，并制定工藝規(guī)范。通過(guò)綜合作業(yè)，不僅培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立思考、分析總結(jié)和書面表達(dá)的能力，并且真正使該課程起到學(xué)校(專業(yè)基礎(chǔ)理論知識(shí))和企業(yè)(生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用)之間的橋梁的作用。

3開設(shè)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

工程材料學(xué)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為理論聯(lián)系實(shí)際的橋梁和紐帶，是培養(yǎng)學(xué)生工程意識(shí)、動(dòng)手能力和實(shí)踐能力不可缺少的教學(xué)環(huán)節(jié)。以前實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括典型合金鋼組織觀察、常用鑄鐵組織觀察和有色金屬組織觀察三部分。實(shí)驗(yàn)主要是針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行組織觀察，拍攝金相照片。這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)無(wú)法使學(xué)生了解處理工藝對(duì)組織、性能的影響，也無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)真正建立起材料的成分-工藝-組織-性能之間的關(guān)系，在培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、分析和解決問題能力以及創(chuàng)新能力等方面明顯不足。課程組在三個(gè)組織觀察實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上(必修)，又增設(shè)了齒輪、軸類零件及工具類零件選材的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，供學(xué)生分組選做。實(shí)驗(yàn)要求依據(jù)設(shè)定零件的形狀、尺寸及力學(xué)性能指標(biāo)要求，選定一種典型零件進(jìn)行選材、制定合理的熱處理工藝規(guī)范和實(shí)施方案、選擇合適的熱處理設(shè)備和硬度檢測(cè)設(shè)備，并協(xié)作完成熱處理操作、硬度測(cè)試、金相樣品制備、組織觀察和分析。通過(guò)綜合實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生了解正確選材、制定工藝規(guī)范、選擇實(shí)驗(yàn)設(shè)備的一般原則，掌握金屬材料化學(xué)成分-熱處理工藝-顯微組織-力學(xué)性能之間的關(guān)系。綜合實(shí)驗(yàn)作為課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的延伸，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決實(shí)際問題的能力，為學(xué)生畢業(yè)后從事技術(shù)工作打下良好基礎(chǔ)。

4多元化、分層次的考核方式改革

工程材料學(xué)課程理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)，若單一地采用“知識(shí)立意”的閉卷考試或“能力立意”的開卷考試，都缺乏考試的科學(xué)性、全面性的評(píng)價(jià)功能。課程組采用了“多元化、分層次”的考核方式改革。課程考試改革主要以科學(xué)合理衡量學(xué)生知識(shí)與能力的真實(shí)水平、正確引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成良好的學(xué)風(fēng)為理念，課程總成績(jī)由理論考試(閉卷，60%)+小論文(開卷，20%)+實(shí)驗(yàn)(10%)+平時(shí)成績(jī)(10%)構(gòu)成。理論考試，采用閉卷形式，主要考察學(xué)生的基本概念和基本理論知識(shí)掌握的程度。大作業(yè)是針對(duì)某一類材料的綜合性問題，學(xué)生查閱資料，撰寫小論文，采用開卷形式。實(shí)驗(yàn)成績(jī)主要根據(jù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫，由實(shí)驗(yàn)教師給出。平時(shí)成績(jī)由任課老師根據(jù)上課出勤、課堂討論課發(fā)言積極性及課后作業(yè)綜合給出。通過(guò)考試改革，使學(xué)生不斷改進(jìn)學(xué)習(xí)方法，全面提高能力和素質(zhì)，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維，學(xué)以致用，理論聯(lián)系實(shí)踐，解決材料工程中的實(shí)際問題；同時(shí)也促使教師不斷總結(jié)、探索創(chuàng)新，以考試改革理念為“指揮棒”，進(jìn)一步改進(jìn)教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量，全面培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力、實(shí)踐能力。

5結(jié)束語(yǔ)

研究性教學(xué)的目的是引領(lǐng)學(xué)生在主動(dòng)探索、主動(dòng)思考、主動(dòng)實(shí)踐的過(guò)程中吸收知識(shí)、應(yīng)用知識(shí)、解決問題，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)造能力。研究性教學(xué)目前已成為世界各國(guó)本科教育共同追求的一種科學(xué)的教學(xué)方式，但由于各個(gè)學(xué)校專業(yè)特色、科研特色等方面各有不同，研究性教學(xué)的模式和體系也存在較大差異。筆者在工程材料學(xué)課程教學(xué)中在課程體系、教學(xué)方法、考試改革和實(shí)驗(yàn)改革等方面做了一些嘗試，希望在為培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、解決問題的能力和創(chuàng)新能力方面發(fā)揮積極作用。

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Exploration and Practice of Research-based Teaching in Science of Engineering Materials

Wang Yanfang, Shi Zhiqiang, Cao Ning, Wang Yinzhen, He Yanling
China University of Petroleum (East China), Qingdao, 266580, China

Abstract:Research-based teaching is a kind of teaching activities, which teachers pay attention to guiding, inspiring and helping students try to find questions, solve problem on their own initiative. In this paper, some reform measures, such as curriculum system, teaching methods, examination methods and experiment, are carried out in the Science of Engineering Materials course. The research-based teaching mode can fully mobilize students’ enthusiasm, initiative and creativity, and better promote the teaching effects.

Key words:science of engineering materials; research-based teaching; teaching mode

基金項(xiàng)目：山東省工程材料精品課程建設(shè)項(xiàng)目；中國(guó)石油大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目(編號(hào)：YK201407)。

作者簡(jiǎn)介：王彥芳，博士，副教授。

收稿日期：2015-07-02