工程材料及其成型技术课程改革的探索与实践分析

　　辽宁工业大学（以下简称我校）自从建校以来为机械类和近机械类专业开设的唯一的材料类型的课程为《工程材料》。该课程包括材料的基础知识（材料的晶体结构、凝固、性能、塑性变形及再结晶等）和应用知识（热处理、各类金属材料、非金属材料以及零件的选材等），所涉及的内容多且庞杂，其中的概念、名词术语等所概述的材料内部结构十分抽象，学生听课或课后复习抓不住重点，不易理解和记忆，普遍感到困难。许多同学复习考试靠死记硬背，未能真正理解和掌握相关知识。另一方面，我校为机和近机类专业开设的材料类课程缺乏材料成型部分。而对于材料的使用，几乎都要赋予其一定的形状。给材料赋予形状并形成所需要的功能，是制造业的根本。因此，成形技术（工艺）是材料能否得到善用的关键。当前我国高校机械类和近机械类专业中，材料成型技术基础课程的实际开课形式有3种：单独课程、与工程材料类课程合并及与机械制造技术基础（原金属切削原理）课程合并。
　　另外，还有一些院校未开设这类课程。由于历史原因，我校自从建校以来一直没有开设材料成型技术类课。鉴于该课程在机械类和近机械类专业中的重要性，机械和汽车学院在制定2011年教学计划时与材料学院商定将原工程材料课程扩充为工程材料及其成型技术课程，课时由40学时增加到48学时，仍由材料学院教师承担，将于2013下半年在2011级机械和汽车学院各专业讲授。新的工程材料及其成型技术课程固然在只增加少量课时的条件下涵盖了《工程材料》和《材料成型技术》两门课的知识，但这两门课长期以来各成体系，虽然有些院校对合并后的该课课程体系、内容及教学方法等做了一定的研究，但还很不成熟，有必要对此进行深入地研究与探索。
　　一、课程改革的理念与目标
　　借本课程增加材料成型技术这一紧密联系生产实际课程内容的契机，改变以往重理论、轻实际的做法，在教学内容、方法及考核方式等方面树立并体现出突出应用、培养工程能力的教学理念。
　　在新的教学理念指导下，培养学生正确选材及制定合理的加工工艺的工程应用能力为目的的指导方针，在教材选编、教学内容、方法等诸多方面进行深入地研究和探索。通过本课程的学习，使我校机械和近机械类专业的学生理解工程领域对材料的主要性能的要求、各大类材料的主要特征和各种热成型方法的特点，明确各类材料的相变规律及其组织性能间的关系及材料加工工艺对组织的影响规律，掌握常用材料的组织、性能及处理工艺特点，最终能够对具体的零件结合具体工况做出正确、科学、合理的选材并确定出正确的加工工艺路线。为我校机类和类机类专业培养工程应用型人才提供必需、充分、有用的工程材料及其成型技术的基础知识和工程应用能力，使他们获得优秀的科学选材、用材和合理安排热、冷工艺路线的能力。
　　二、合理整合教学内容，构建新的课程知识体系
　　为使所授机类及近机类专业学生全面了解熟悉铸造、锻造及焊接等热加工工艺，增加材料成型技术部分。该部分涉及内容多，而新设置的工程材料及其成型技术课程与工程材料课程相比，课时仅增加8学时，这样必须压缩《工程材料》部分的内容与课时。我们遵循新的教学理念，合理地优化、缩减了《工程材料》偏理论部分的内容，淡化与核心内容关系不大的内容，强化基础理论。如：在材料的力学性能部分，删除材料的物理性能等内容；在金属晶体结构部分，删除立方晶系的晶面和晶向的表示方法等内容；在合金结构钢部分，删除微合金非调质钢、易切削钢及低淬透性钢。对白口铸铁的结晶过程及钢的表面淬火与化学热处理等内容仅作简单介绍。把金属的塑性加工部分合并到材料成型技术中的锻造部分；把典型工件的选材及工程材料的应用合并到零件失效、毛坯分析与材料选择部分。同时，丰富与后续课程、毕业设计及工程应用密切相关的内容，如铁碳合金相图、钢的热处理原理和工艺、钢的分类编号及用途等，增强学生对这些内容重点与难点问题的理解和掌握，夯实工程材料理论基础。为了培养学生的工程应用能力，使课程内容与工程实践相结合，挖掘平时在实际生产中的相关案例，通过与企业广泛联系，从中获得大量生产中的案例。如在零件失效、毛坯分析与材料选择一章，把从企业收集的案例，经过整理、分析后加入教材中。结合生产中的具体零件，在分析零件的工作条件、失效形式及对零件性能要求的基础上进行选材，制定加工工艺路线。这对培养学生工程应用能力大有益处，为他们将来从事机械行业的生产加工，打下了良好的基础。
　　课程始终贯穿材料的成分组织工艺性能之间的关系这条主线。以性能为起点，分部讲授成分、组织和工艺对性能的影响，最后通过学习铁碳合金相图和过冷奥氏体冷却曲线，综合讲解成分、组织、工艺与性能间的关系，让学生牢固掌握材料的性能取决于其成分、组织和工艺的观点，这样就变分散为集中，变模糊为清晰，以利于学生建立完整体系的概念，保证了教学内容的基础性和系统性。据此，将课程内容分为工程材料基础理论、常用工程材料、工程材料成型技术基础和工程材料的应用及成形工艺的选择四大模块，实行模块化教学、突出材料的工程应用，并对各模块的内容做了精心挑选与合理调整。
　　三、综合运用多元化教学方法和手段，提高教学效果
　　在课堂教学中，为使学生能够在听课过程中主动思考，紧紧跟上教师的讲课思路，采用案例法、启发式、问题授课法、研究式与讨论式等教学方法及这些方法的组合。如讲授加工硬化这一重要概念和内容时，先在课堂上用举例法演示用手弯曲铁丝感到发热和越来越硬的现象，用问题授课法提出产生该现象原因这一本质问题，接着揭示变形中其材料内部的组织结构的变化，然后让学生分析由此带来哪些性能的变化，以此解释加工硬化的成因。多种教学方法的应用，有效地激发了学生对本门课程的学习兴趣，提高了学习的自觉性和主动性。
　　提出并初步实施了工程材料及其成型技术课程的一种新的教学方法关键词教学法。针对工程材料及其成型技术课程内容庞杂，概念繁多且课时短的特点，提出了关键词教学法。从基本概念、章节以至全课程中提炼关键词，并将它们有机地结合，将零散的知识结构化，形成关键词网络，构建出课程的基石和框架。初步的教学实践证明，这种方法有利于学生理解记忆，对提升他们的提炼、概括等学习思维能力大有益处。
　　在教学手段上，课堂教学板书讲授与多媒体演示并重，在便于学生理解记忆的基础上，构建出图文并茂、声情融会、动静结合的教学环境。如用板书法讲解相图中的杠杆定律、二元合金相图的结晶过程等内容，可以充分展现逻辑思维全过程。晶体结构、缺陷和结晶过程等应用多媒体技术，可以充分展示三维立体的晶体结构特征与缺陷形貌及形成机理，动画演示由液态到固态的结晶过程，增加了可视性与趣味性。
　　四、改革实验教学的内容与手段，培养学生的工程应用能力和创新能力
　　为提高学生的工程应用能力和创新能力，适应创新性人才培养的需要，对工程材料及其成型技术课程的实验进行全新的改革与设计规划，包括类型、方法及考核方法等。按照教学规律，划分实验层次，整合实验内容，理顺实践过程，减少验证性实验，增加综合性和设计型实验。课程设置三个实验，即碳钢硬度测定及热处理、铁碳合金组织观察和零件的选材、热处理、性能测试与组织观察。碳钢硬度测定及热处理为基本技能型实验，通过该实验，学生能够对工程材料及其成型技术课程实验中所涉及的设备与仪器有一定的了解，有利于他们熟练地对这些设备与仪器进行操作。铁碳合金平衡组织的观察为验证性实验，是为更好地理解和掌握铁碳平衡相图而设置的。零件的选材、热处理、性能测试与组织观察为综合、设计型实验，目的是让学生运用所学的材料及成型技术的基本原理，综合分析给定零件的力学性能指标，以此选择材料、热处理及性能检测设备，制定出相应的热处理工艺并完成金相试样制备、组织观察、硬度测试及热处理操作等实践环节。这一综合、设计型实验不仅要求学生掌握课程中相关章节的内容，而且必须针对具体零件的特点进行全面分析与综合，这样选择的材料和制定的工艺才能合理。这对于学生分析问题、解决问题能力的提高是大有益处的，也为他们毕业后尽早胜任企业相关的技术工作创造了条件。
　　五、实施多种课程考核方式，充分调动学生学习的积极性
　　课程按照平时、实验与期末考试进行考核，分别占10、10和80分，其中平时考核由出勤、课堂提问和作业三部分构成，克服了以往由期末考试成绩决定学生本门课程最终成绩的弊端，使学生学习的积极性和主动性贯穿始终，形成良好的学习氛围。通过这样认真、主动地学习，有利于学生全面掌握工程材料及其成型技术的基本知识和原理，为他们今后在工业生产中能够熟练应用这些知识和原理打下良好的基础。
　　新设立的工程材料及其成型技术课程，虽然由工程材料课程扩充，课时仅增加了8学时，但在新的教学理念指导下，通过上述在教学内容、方法与手段、实验教学及考核方式等方面所采取的一系列改革措施，即教学内容的合理整合，教学方法与手段的多元化，实验的创新性及考核方法的多样化，充分调动了学生学习的积极性。同时，也提高了他们的分析问题、解决问题的能力和创新能力。