衛(wèi) 勇,高曦君,劉 琪,冒國兵

(1.安徽工程大學 材料科學與工程學院,蕪湖241000;2.繁昌區(qū)中醫(yī)醫(yī)院,蕪湖241220)

一、引言

《材料力學性能》是安徽工程大學材料科學與工程學院(以下簡稱我院)的專業(yè)核心課程。該課程可以幫助學生深入了解材料的微觀特征,更好地把握材料力學性能,從而評估材料的可靠性,有針對性地選擇材料,以便于更好地滿足工程應用的要求?！恫牧狭W性能》的教學效果以及學生掌握的程度可以為未來的就業(yè)以及科技領域帶來巨大的改變。2023年3月份,曹德旺等25位杰出科學家、企業(yè)家共同指出,“重論文輕實踐”的考核標準和人才培養(yǎng)方案,已經嚴重影響了中國從工程大國躍升為工程強國的進程。因而,當前的重中之重便是如何讓學生具備多元化的能力,以滿足社會的需求。

國內對《材料力學性能》課程的研究已經取得了一些成果。張國尚[1]強調,需要結合時代發(fā)展的需求和新科技的應用,制定更加完善的課程內容和教學計劃,從而推動《材料力學性能》課程教學改革的不斷發(fā)展。葉芳霞[2]則認為,需要對《材料力學性能》課程進行深入研究和探討,通過實踐教學活動來提升學生的實際動手能力和創(chuàng)新意識。張振亞[3]指出,需要進一步對課程內容進行改革,完善教學大綱、優(yōu)化教材內容、增加實踐教學環(huán)節(jié),從而提高學生的學習興趣。丁貝[4]提出需要深化《材料力學性能》課程改革,需要優(yōu)化教材內容、加強實驗教學、完善考核體系。除此之外,還需要建設教師團隊、加強科研成果轉化等。

然而國內高校目前在《材料力學性能》課程方面的研究與探索還處于起步階段,存在一些不足之處。例如:有的高校在《材料力學性能》課程的教學改革方面沒有進行全面的思考和設計;有的高校雖然對《材料力學性能》課程進行了全面的改革和創(chuàng)新實踐,但改革內容只局限于傳統(tǒng)的教學手段和教學內容等方面;還有一些高校雖然進行了《材料力學性能》課程的改革探索,但沒有形成相應的發(fā)展模式。對于我院來說,該課程教學改革仍然需要進行全面的調整。因此,本文詳細分析了《材料力學性能》課程的教學現(xiàn)狀,從而制定出更加完善的改革與實踐方案,以期為培養(yǎng)新工科背景下的材料領域復合型、應用型人才提供理論支撐與實踐路徑。

二、《材料力學性能》課程教學中存在的問題

(一)內容多、課時少

目前,我院選用課程教材為北京大學出版社《材料力學性能》(第2版),時海芳、任鑫為主編。這套教程共9個部分,包括了:(1)不同使用環(huán)境中復合材料的力學特征,以及它們的宏觀結構;(2)不同的力學參數(shù)的實際含義、物理原理、實際作用以及它們之間的聯(lián)系;(3)改善復合材料的力學特征,以及如何通過改善這些特征來實現(xiàn);(4)力學參數(shù)的檢驗與評估。近年來,由于培養(yǎng)計劃不斷改進,《材料力學性能》的授課時間已經縮短為32課時,從而限制了其有效性。然而,《材料力學性能》的基礎理論知識豐富,覆蓋了《工程材料及熱處理》《材料分析與測試方法》《材料科學基礎》《材料力學性能》等先導課程,而且涉及的專業(yè)知識面也比較寬泛,可謂是一個綜合型的教材。盡管《工程材料及熱處理》《材料分析與測試方法》《材料科學基礎》《材料力學性能》課程很重要,但是由于許多學生缺乏充分的理論和實踐經驗,他們沒有將這些科目的內容融會貫通,不能充分發(fā)揮自身的潛質,從而使得他們無法在各種材料領域取得更好的發(fā)展,也很難獲得更高的職業(yè)技能。

(二)教學方式單一

《材料力學性能》是一門專業(yè)性較強、理論內容較多的課程。往往在教學過程中,教師使用PPT進行課程內容展示,并通過“填鴨式”教學將知識點灌輸給學生。在傳統(tǒng)教學模式中,教師不會對課程內容進行及時的更新,也無法根據學科發(fā)展及時地對教學內容進行調整。在傳統(tǒng)教學模式中,學生學習的重點不是對所學知識的理解,而是對大量公式和概念的記憶。如果沒有及時復習或預習,學生很容易在學習新知識的時候遺忘了已有的知識。此外,在課堂教學過程中,教師僅僅依靠板書的方式講解課程內容,讓學生死記硬背大量公式和概念,這種方法會使學生產生學習上的枯燥感和疲憊感,同時也很難調動學生學習的積極性。

(三)人才培養(yǎng)目標不明確

自1980年以來,安徽工程大學金屬材料類專業(yè)就開始招生。到2020年,我院已經正式成立,其中材料成型及控制工程專業(yè)具有極強的工程應用性和實踐性,以鑄造、鍛壓、焊接等技術為主,注重將多學科知識有機結合,以滿足當前國家對復合型、應用型人才的需求。然而,由于教材中涉及的專業(yè)工程背景較少,未能充分展示材料力學性能課程在鑄造、鍛壓、焊接等專業(yè)中的重要性。如果僅僅依據教材內容進行講解,學生很難理解這些課程的重要性,也就無法充分發(fā)揮自身的主動性,從而導致缺乏對后續(xù)專業(yè)課程的學習深入,知識結構單一,過分側重理論,而忽略了實踐應用,從而影響學生的學習效果。脫離了培養(yǎng)應用型人才的初衷。

三、《材料力學性能》課程教學改革探索路徑與實踐

(一)優(yōu)化教學內容與課程結構

《材料力學性能》是一門既具有理論深度,又具有實踐指導意義的課程。課程內容主要包括:拉伸、壓縮、剪切、彎曲和扭轉、斷裂韌性、疲勞強度、蠕變等其他力學性能,涉及的概念和公式非常多,尤其是材料的變形行為與斷裂行為。雖然這些內容比較枯燥,但學生必須掌握,以便于今后能夠更好地運用材料的力學性能知識,并在實際應用中更加得心應手。為了達到以上目標,筆者在授課過程中將本門課程與相關課程進行了整合。首先,將材料的變形行為與斷裂行為相結合,讓學生更好地理解材料的斷裂機制;其次,將斷裂力學與疲勞理論相結合,讓學生掌握裂紋擴展速率等內容;再者,將摩擦磨損理論與金屬材料的磨損性能相結合,讓學生了解金屬材料磨損機理。此外,筆者還將該課程的實驗內容與實驗平臺相結合。利用萬能試驗機對金屬材料進行拉伸、彎曲、剪切和扭轉試驗等?？傊?應該根據實際情況,將各種理論和方法有機地融合在一起,這樣學生才能更好地掌握各種力學性能和實驗方法。在課程內容的選擇方面,學生應該重點關注金屬材料的力學性能[5-7]。

學生前期已學完《工程材料及熱處理》《材料分析與測試方法》《材料科學基礎》《材料力學性能》等先導課程。為了便于學生將先導課程與《材料力學性能》課程有機結合,筆者在授課初期有意減慢課程進度,補充相關先導課程內容。首先,將“材料在靜拉伸載荷下的力學性能”的教學規(guī)模調整至10學時,并加強學習,讓學生更好地理解和掌握相關的實踐技巧;其次,結合實際情況,讓學生更加深刻地理解和掌握相關的理論,并培養(yǎng)學生的實踐技巧和科學思維。此次改革,筆者將重點放在研究金屬材料的力學特征以及它們的生產技術上,并且大幅度減少了有關腐蝕與磨損的課堂討論。

(二)豐富教學模式與教學手段

《材料力學性能》課程涉及的內容非常廣泛,對于沒有接觸過此課程的學生來說,往往感到枯燥,而沒有興趣的學習是非常不利于學生對知識的掌握。為了激發(fā)學生的學習興趣,應豐富課程教學模式。在傳統(tǒng)的教學模式中,教師主要通過對教材內容的講授,以及大量實驗設備和實驗過程的演示,來實現(xiàn)課堂教學的目的。但是這種教學模式非常容易使學生感到乏味,無法吸引他們學習的興趣。由于這門課程涉及大量實踐操作環(huán)節(jié),因此可以將這些內容設計成案例來進行講授。例如在學習材料沖擊性能這一章節(jié)時,可以采用該案例來讓學生更加深刻地理解沖擊破壞機理、影響因素及預測方法等;其次,在《材料力學性能》這門課程中,存在大量的概念和公式,為了讓學生更好地掌握這些內容,可以通過引入實際案例來介紹其意義。例如在講解應力應變關系時,可以將其引入到汽車結構中去進行講解;最后是以工程項目為引導來增強學生對知識點的理解。例如在學習斷裂力學時,可以將汽車碰撞過程中的變形過程作為引導來加深其對材料斷裂力學的理解和應用。在講解斷裂韌性時,可以將汽車安全氣囊展開過程作為引導來幫助學生更好地理解材料斷裂力學的概念及其應用。

在課堂教學過程中,采用多樣化的教學手段,豐富教學手段。首先,采用多媒體和虛擬仿真技術,可以利用虛擬仿真技術展示出應力—應變曲線的特點與應用,以及分析其產生原因;其次,要利用視頻進行講解,可以通過視頻播放來演示拉伸過程中的各種現(xiàn)象以及產生的原因、如何消除拉伸過程中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象以及拉伸過程中應力分布規(guī)律等;再次,要利用圖片和實物模型展示材料的強化機制,可以利用金屬棒和金屬構件來展示強度與塑性之間的關系;在講解金屬材料的斷裂行為時,可以利用斷口形貌以及斷口附近元素分布情況等來展示其斷裂機制。

(三)明確專業(yè)特點與培養(yǎng)目標

當前,大學里的學生可以被劃歸為兩大類:一類是專注于學術研究的學生,他們可以在各種不同的領域從事學術探索和技術革新;另一類學生可以在企業(yè)和社會的各種領域從事實際的技術和管理,他們可以在各種領域取得成功,為企業(yè)的發(fā)展作出重大貢獻。各大學都需要努力培養(yǎng)適合自己的專業(yè)人員。

在教學過程中,應該結合學校和專業(yè)特點,設計合理的教學內容。以我院材料成型及控制工程專業(yè)為例,本院的主要課程有:《工程材料及熱處理》《材料分析與測試方法》《材料科學基礎》《材料力學性能》等。而我院的主要專業(yè)是材料科學與工程,包括材料科學與工程一級學科下的所有專業(yè),例如:材料科學與工程、材料成型及控制工程等。本院是針對材料類專業(yè)大四學生開設《材料力學性能》課程,在教學過程中注重理論與實踐的結合,特別是對工科學生來說,動手能力的培養(yǎng)尤為重要。因此,在教學過程中應該遵循以下兩點原則:第一,《材料力學性能》是一門綜合性較強的課程,其中涉及大量的理論知識和實驗操作,所以在教學過程中應該注重理論知識與實踐操作相結合。第二,注重培養(yǎng)學生的綜合能力。材料力學性能課程涉及力學、材料、金屬加工等多個方面,但是由于教學時間的限制,不能涵蓋所有內容,因此在教學過程中應該結合學生所學的專業(yè)方向和實際需求,結合課程內容來選擇適合學生的教學內容。

(四)改進評價體系與考核方式

筆者將課堂表現(xiàn)以及期末考試綜合起來,分別占到最終成績的百分之三十和百分之七十。在以往的教學中,教師很難從學生的出勤情況、課堂表現(xiàn)和期末考試等方面全面地了解學生,往往只看到了分數(shù),而沒有看到學生真正的學習態(tài)度。為此,課堂表現(xiàn)方面,筆者通過課堂提問、課下討論和小組討論等多種課堂表現(xiàn)形式,對學生的學習態(tài)度、學習方法、學習成果和綜合素質進行考察,鼓勵學生積極參與課堂活動,激發(fā)他們的學習熱情,培養(yǎng)他們的創(chuàng)新意識。而期末考試成績主要通過卷面考試的形式來體現(xiàn),這也是一種非常直接有效的教學手段。通過評價體系和考核方式的改革,可以有效促進學生積極主動地參與到教學過程中來,提高他們對課程內容和知識點的理解和掌握程度,促使他們提高自主學習能力和分析問題、解決問題能力。此次改革的目的是為了激發(fā)學生的積極參與,讓他們更加深刻地認識到,只有全面把握,才有可能獲得學習效果。

四、結語

在“新工科”背景下,《材料力學性能》是一門重要的基礎理論課程,但是它的教學卻受到許多限制。為此,本文分析了《材料力學性能》課程的特點,提出了該課程的教學目標,分析了該課程在理論教學與實踐教學中的地位,闡述了《材料力學性能》課程在學生素質教育中的重要性,并提出了該課程教學改革的具體路徑。在新形勢下,為了提高材料類專業(yè)學生的綜合素質,使他們能更好地適應社會發(fā)展對人才的需求,《材料力學性能》課程教學改革是勢在必行的,只有這樣才能使學生更加全面、深入地掌握該課程的相關理論知識。