工程材料力學性能教育革新
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1“.工程材料力學性能”課程特點材料的力學性能是指材料在外加載荷作用下或外加載荷與環(huán)境因素共同作用下所表現(xiàn)出來的力學行為與機理，是各類材料在實際應用中必須涉及的共性問題。[1]“工程材料力學性能”課程最早是“金屬材料力學性能”，后來改名為“材料力學性能”，現(xiàn)在部分教材又改名為“工程材料力學性能”，是許多工程類本科生重要的專業(yè)基礎課，其教學效果好壞對學生能否打下一個良好的專業(yè)基礎起著重要的作用。該課程內(nèi)容涉及面廣、工程應用背景強，在材料科學與工程、土木工程、機械工程等專業(yè)領域有著重要的應用。本課程的學習，對提高工程類專業(yè)學生整體素質(zhì)及工程實踐能力起著至關重要的作用，使得學生能夠從各種機器零件或構件在常溫、高溫以及腐蝕環(huán)境的服役條件下的失效現(xiàn)象出發(fā)，了解失效現(xiàn)象的機理，從而為他們畢業(yè)后從事材料的檢測和性能評定、材料的正確選用和安全應用，以及對機械零件的失效分析等工作奠定良好的基礎，為企業(yè)乃至國民經(jīng)濟的發(fā)展提供有力的后備軍。
2“.工程材料力學性能”課程教學現(xiàn)狀安徽工業(yè)大學（以下簡稱“我?！保┎牧蠈W院共分金屬材料工程、材料成型及控制、無機非金屬材料、材料物理四個本科專業(yè)，目前，四個專業(yè)使用的《工程材料力學性能》是合肥工業(yè)大學主編的同一本教材，該教材的內(nèi)容包含金屬材料的力學性能和新型材料的力學性能兩大部分，側重點是金屬材料的力學性能部分，主要包含“高分子材料的力學性能”、“陶瓷材料的力學性能”和“復合材料的力學性能”三章的內(nèi)容。[2]金屬材料力學性能的研究時間較長，主要的原理、定律和結論已比較成熟，新型材料力學性能的內(nèi)容相對較少，它的研究主要借鑒于金屬材料力學性能的研究經(jīng)驗和方法。本教材比較適合金屬材料工程、材料成型及控制兩個專業(yè)的學生，對其他專業(yè)的學生則顯得內(nèi)容相對較少，不太適合。而且，本課程的內(nèi)容多、涉及面廣，課程學時有限，書中許多抽象的內(nèi)容很難通過語言的表述來講清楚，在課堂上教師生硬的照本宣科會使學生感到枯燥乏味，課堂的氣氛很難被充分地調(diào)動起來，教學效果不佳。針對目前的教學現(xiàn)狀，如果不對課程的教學進行改革，授課教師很難在有限的學時內(nèi)保質(zhì)保量地完成本課程的教學任務。筆者在“工程材料力學性能”課程的教學實踐中體會到：授課教師需要根據(jù)專業(yè)特點來組織教學內(nèi)容，才能在規(guī)定的學時內(nèi)完成課程的教學任務。根據(jù)專業(yè)特點來組織教學內(nèi)容，使得學生學習和教師授課的側重點都突出，學生能在有限的學時內(nèi)提煉出與專業(yè)學習有密切聯(lián)系的知識，加以掌握和應用。[3]本課程的教學目標是使學生能運用所學的理論知識分析材料實際的使用情況，對材料的失效現(xiàn)象的機理進行分析。
二、依據(jù)材料物理專業(yè)特點，優(yōu)化教學內(nèi)容
在“工程材料力學性能”課程教學實踐中，筆者結合材料物理專業(yè)特點，在保證課程基本內(nèi)容和結構的前提下，對整本教材進行整合，提煉出一般了解和必須掌握的內(nèi)容，使學生能在規(guī)定的學時內(nèi)有效地掌握最基本的教學內(nèi)容。[3]近年來，隨著科學技術的發(fā)展，材料的種類越來越多，新型材料應用日新月異，納米材料、薄膜材料和微機電材料快速發(fā)展，材料的特征尺寸越來越小，傳統(tǒng)的材料力學性能測試手段已無法實施，微區(qū)材料的力學性能測試手段應運而生。新材料力學性能測試的標準不斷頒布，已有材料的國內(nèi)標準需與國際標準接軌而不斷修改，迫切需要材料力學性能的教學與生產(chǎn)力發(fā)展水平一致。鑒于以上幾個方面內(nèi)容，該課程講授內(nèi)容主要從以下四個部分來展開：第一部分（第一至第四章）闡述材料在一次加載條件下的形變和斷裂過程，所測定的力學性能指標用于評價零件在服役過程中抗過載失效的能力或安全性；第二部分（第五至第八章）論述疲勞、蠕變、磨損和環(huán)境效應四種常見的與時間相關的失效形式，材料對這四種形式失效的抗力將決定零件的壽命；第三部分（第九至第十一章）（納米材料/復合納米材料）依據(jù)材料物理專業(yè)的特點，重點講解納米材料的力學性能，這其中包括納米金屬材料的力學性能、納米非金屬材料的力學性能、碳納米材料的力學性能、納米復合材料的力學性能等；第四部分實驗教學中引入國家標準的學習。
三、優(yōu)化教學方法與手段，全面鍛煉學生能力
任何教學過程的開展都離不開一定的方式或方法。傳統(tǒng)的教學方法是以教師講授為主，學生處于被動的接受地位。教學方法的優(yōu)化倡導以學生為主，強調(diào)學生是學習的主人，培養(yǎng)他們自己查閱資料，自己釋疑，自己總結，最終具備自我學習的能力。[4]在這個過程中，教師要充分發(fā)揮引導作用，充分調(diào)動學生的積極主動性。下面以“納米材料的力學性能”為例來說明教學方法的優(yōu)化，筆者采用“三步式”教學方法，取得了良好的教學效果。第一步：教師指導學生上網(wǎng)查閱“納米發(fā)動機”的相關資料，并就“納米發(fā)動機”的提出、原理及當前的發(fā)展現(xiàn)狀寫一篇綜述性報告，在下一堂課讓學生講解；第二步：根據(jù)自己的備課內(nèi)容及結合自身的科研經(jīng)歷，進一步給學生講解“納米發(fā)動機”相關材料的制備方法及工藝技術特點；第三步：學生根據(jù)教師授課內(nèi)容和自己查閱的相關資料，完善自己的綜述報告?！叭绞健苯虒W法組織實施教學，不但可以提高學生學習本門課程的積極性，使學生掌握的知識更加牢固，而且有利于拓展學生的視野，培養(yǎng)了學生的科研興趣，進一步增強了學生自我獲取知識的能力。教學手段是指教師用以運載知識、傳遞教學信息的物質(zhì)媒體或物質(zhì)條件，是現(xiàn)代的教師進行教學活動必不可少的輔助用具。隨著計算機應用技術的普及，學校和教師越來越關注用計算機網(wǎng)絡技術來提高教學效率和教學質(zhì)量。[4]“工程材料力學性能”課程特點是內(nèi)容多、知識點零散、概念定義多，書中許多抽象的內(nèi)容很難通過語言的表述來講清楚，理解起來相對困難。教師在教學過程中運用現(xiàn)代多媒體教學手段，自己動手制作多媒體課件，針對專業(yè)特點選擇教學內(nèi)容和教學方法；另外，通過演示一些動畫圖片和視頻，使得原來抽象的、枯燥的知識形象化，使學生易于理解和掌握，同時還增大了教學信息量，在有限的學時內(nèi)給學生盡可能多地傳達了信息量。
四、優(yōu)化實驗教學，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力
工科專業(yè)的實驗教學是理論聯(lián)系實際的重要環(huán)節(jié)，與課程體系、學科結構和教學改革等有著密切的關系，對培養(yǎng)大學生的工程意識和創(chuàng)新思維，以及動手能力和分析解決問題能力具有十分重要的意義。我?！肮こ滩牧狭W性能”課程基本實驗包括碳鋼靜拉伸，不同成分、熱處理工藝對鋼材力學性能的影響，金屬的沖擊韌性，金屬的硬度，金屬材料平面應變斷裂韌性KIC的測定五個實驗。這些實驗比較適合金屬材料、材料加工專業(yè)的學生，對于材料物理專業(yè)的學生來說，難以感受本專業(yè)特點。[2]因此，結合不同的專業(yè)特點，將“工程材料力學性能”課程的實驗內(nèi)容涵蓋多個專業(yè)，分為必修、選修兩部分。優(yōu)化后的實驗內(nèi)容，不但可以增強學生的動手能力，還可以使不同專業(yè)的學生加深對自身專業(yè)的理解。比如，針對材料物理專業(yè)的本科生，可以開設納米材料力學性能測試綜合選修實驗課。筆者結合自身的科研內(nèi)容，制備一系列的納米線及納米薄膜材料，同時，材料科學與工程學院新引進的AgilentG200納米壓痕儀，可用來測量納米材料的硬度、模量、應力—應變曲線等傳統(tǒng)力學儀器不能測量的納米材料的力學性能。該試驗的開設，既使學生鞏固了前期所修的“工程材料力學性能”課程，提高學生綜合運用知識的能力，又拓寬了學生的視野，對納米材料的力學性能有了更深層次的理解，為其后續(xù)的工作和科研奠定了良好的理論和實踐基礎。材料力學性能實驗方法大都有國家標準，在實驗教學過程中，教師除了傳授最基本的操作方法外，還指導學生如何查找相關標準，對標準進行閱讀，引導學生根據(jù)標準文件設計、實施相關實驗，使實驗操作真正做到有據(jù)可依，以期培養(yǎng)學生的工程規(guī)范意識。另外，針對教材標準滯后實際標準的現(xiàn)象，還介紹目前國內(nèi)外最新標準，以其讓學生了解最新的測試標準技術信息，同時還使學生對相關測試技術的發(fā)展有全面完整的認識，這對于他們將來的事業(yè)發(fā)展是非常有利的。[5]
五、優(yōu)化考核方法，全面評價學生素質(zhì)
傳統(tǒng)的一張試卷定終身的考試形式早已不能滿足現(xiàn)代素質(zhì)教育、創(chuàng)新教育的需要。對此，老師采取了綜合考核方法，從終結性教學評價模式向形成性教學評價方式轉變。[6]綜合考核方法中除了學生的期末筆試成績外，還包括課堂提問、課后作業(yè)、實驗成績、小論文等多種評價手段。新的考核方式既鍛煉了學生自主創(chuàng)新、知識綜合運用的能力，又培養(yǎng)了學生查閱分析信息資料、收集分析數(shù)據(jù)和撰寫科技論文的能力。此外，為了提高學生綜合運用知識的能力，卷面考試有必要增加一些主觀題。比如筆者在出考卷時，增加了一道綜合應用題，內(nèi)容是結合具體技術和方法，論述材料磨損的控制和防磨措施，從而要求學生將材料磨損的相關知識融會貫通，靈活運用。通過考核方式的改革，學生學習的積極性和主動性都大大提高。上述幾個方面的改革探索，使學生能有效地掌握本門課程的知識，為后續(xù)課程和科研工作奠定良好的理論基礎，同時為大學畢業(yè)生在將來實際工程中正確地選擇和使用材料、改進材料性能以及分析材料失效行為等問題打下堅實的基礎。
