工程材料力學(xué)性能教育革新

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一、“工程材料力學(xué)性能”課程特點及教學(xué)現(xiàn)狀

1“.工程材料力學(xué)性能”課程特點材料的力學(xué)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(xué)行為與機(jī)理，是各類材料在實際應(yīng)用中必須涉及的共性問題。[1]“工程材料力學(xué)性能”課程最早是“金屬材料力學(xué)性能”，后來改名為“材料力學(xué)性能”，現(xiàn)在部分教材又改名為“工程材料力學(xué)性能”，是許多工程類本科生重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，其教學(xué)效果好壞對學(xué)生能否打下一個良好的專業(yè)基礎(chǔ)起著重要的作用。該課程內(nèi)容涉及面廣、工程應(yīng)用背景強(qiáng)，在材料科學(xué)與工程、土木工程、機(jī)械工程等專業(yè)領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。本課程的學(xué)習(xí)，對提高工程類專業(yè)學(xué)生整體素質(zhì)及工程實踐能力起著至關(guān)重要的作用，使得學(xué)生能夠從各種機(jī)器零件或構(gòu)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(jī)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(yīng)用，以及對機(jī)械零件的失效分析等工作奠定良好的基礎(chǔ)，為企業(yè)乃至國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供有力的后備軍。

2“.工程材料力學(xué)性能”課程教學(xué)現(xiàn)狀安徽工業(yè)大學(xué)（以下簡稱“我校”）材料學(xué)院共分金屬材料工程、材料成型及控制、無機(jī)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(xué)性能》是合肥工業(yè)大學(xué)主編的同一本教材，該教材的內(nèi)容包含金屬材料的力學(xué)性能和新型材料的力學(xué)性能兩大部分，側(cè)重點是金屬材料的力學(xué)性能部分，主要包含“高分子材料的力學(xué)性能”、“陶瓷材料的力學(xué)性能”和“復(fù)合材料的力學(xué)性能”三章的內(nèi)容。[2]金屬材料力學(xué)性能的研究時間較長，主要的原理、定律和結(jié)論已比較成熟，新型材料力學(xué)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(xué)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(xué)生，對其他專業(yè)的學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)效果不佳。針對目前的教學(xué)現(xiàn)狀，如果不對課程的教學(xué)進(jìn)行改革，授課教師很難在有限的學(xué)時內(nèi)保質(zhì)保量地完成本課程的教學(xué)任務(wù)。筆者在“工程材料力學(xué)性能”課程的教學(xué)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(xué)內(nèi)容，才能在規(guī)定的學(xué)時內(nèi)完成課程的教學(xué)任務(wù)。根據(jù)專業(yè)特點來組織教學(xué)內(nèi)容，使得學(xué)生學(xué)習(xí)和教師授課的側(cè)重點都突出，學(xué)生能在有限的學(xué)時內(nèi)提煉出與專業(yè)學(xué)習(xí)有密切聯(lián)系的知識，加以掌握和應(yīng)用。[3]本課程的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生能運(yùn)用所學(xué)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(jī)理進(jìn)行分析。

二、依據(jù)材料物理專業(yè)特點，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

在“工程材料力學(xué)性能”課程教學(xué)實踐中，筆者結(jié)合材料物理專業(yè)特點，在保證課程基本內(nèi)容和結(jié)構(gòu)的前提下，對整本教材進(jìn)行整合，提煉出一般了解和必須掌握的內(nèi)容，使學(xué)生能在規(guī)定的學(xué)時內(nèi)有效地掌握最基本的教學(xué)內(nèi)容。[3]近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，材料的種類越來越多，新型材料應(yīng)用日新月異，納米材料、薄膜材料和微機(jī)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(xué)性能測試手段已無法實施，微區(qū)材料的力學(xué)性能測試手段應(yīng)運(yùn)而生。新材料力學(xué)性能測試的標(biāo)準(zhǔn)不斷頒布，已有材料的國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)需與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌而不斷修改，迫切需要材料力學(xué)性能的教學(xué)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(xué)性能指標(biāo)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(yīng)四種常見的與時間相關(guān)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(fù)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(xué)性能，這其中包括納米金屬材料的力學(xué)性能、納米非金屬材料的力學(xué)性能、碳納米材料的力學(xué)性能、納米復(fù)合材料的力學(xué)性能等；第四部分實驗教學(xué)中引入國家標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)習(xí)。

三、優(yōu)化教學(xué)方法與手段，全面鍛煉學(xué)生能力

任何教學(xué)過程的開展都離不開一定的方式或方法。傳統(tǒng)的教學(xué)方法是以教師講授為主，學(xué)生處于被動的接受地位。教學(xué)方法的優(yōu)化倡導(dǎo)以學(xué)生為主，強(qiáng)調(diào)學(xué)生是學(xué)習(xí)的主人，培養(yǎng)他們自己查閱資料，自己釋疑，自己總結(jié)，最終具備自我學(xué)習(xí)的能力。[4]在這個過程中，教師要充分發(fā)揮引導(dǎo)作用，充分調(diào)動學(xué)生的積極主動性。下面以“納米材料的力學(xué)性能”為例來說明教學(xué)方法的優(yōu)化，筆者采用“三步式”教學(xué)方法，取得了良好的教學(xué)效果。第一步：教師指導(dǎo)學(xué)生上網(wǎng)查閱“納米發(fā)動機(jī)”的相關(guān)資料，并就“納米發(fā)動機(jī)”的提出、原理及當(dāng)前的發(fā)展現(xiàn)狀寫一篇綜述性報告，在下一堂課讓學(xué)生講解；第二步：根據(jù)自己的備課內(nèi)容及結(jié)合自身的科研經(jīng)歷，進(jìn)一步給學(xué)生講解“納米發(fā)動機(jī)”相關(guān)材料的制備方法及工藝技術(shù)特點；第三步：學(xué)生根據(jù)教師授課內(nèi)容和自己查閱的相關(guān)資料，完善自己的綜述報告?！叭绞健苯虒W(xué)法組織實施教學(xué)，不但可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)本門課程的積極性，使學(xué)生掌握的知識更加牢固，而且有利于拓展學(xué)生的視野，培養(yǎng)了學(xué)生的科研興趣，進(jìn)一步增強(qiáng)了學(xué)生自我獲取知識的能力。教學(xué)手段是指教師用以運(yùn)載知識、傳遞教學(xué)信息的物質(zhì)媒體或物質(zhì)條件，是現(xiàn)代的教師進(jìn)行教學(xué)活動必不可少的輔助用具。隨著計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的普及，學(xué)校和教師越來越關(guān)注用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來提高教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量。[4]“工程材料力學(xué)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(xué)過程中運(yùn)用現(xiàn)代多媒體教學(xué)手段，自己動手制作多媒體課件，針對專業(yè)特點選擇教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)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(xué)生易于理解和掌握，同時還增大了教學(xué)信息量，在有限的學(xué)時內(nèi)給學(xué)生盡可能多地傳達(dá)了信息量。

四、優(yōu)化實驗教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

工科專業(yè)的實驗教學(xué)是理論聯(lián)系實際的重要環(huán)節(jié)，與課程體系、學(xué)科結(jié)構(gòu)和教學(xué)改革等有著密切的關(guān)系，對培養(yǎng)大學(xué)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(xué)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(xué)性能的影響，金屬的沖擊韌性，金屬的硬度，金屬材料平面應(yīng)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(xué)生，對于材料物理專業(yè)的學(xué)生來說，難以感受本專業(yè)特點。[2]因此，結(jié)合不同的專業(yè)特點，將“工程材料力學(xué)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(qiáng)學(xué)生的動手能力，還可以使不同專業(yè)的學(xué)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(shè)納米材料力學(xué)性能測試綜合選修實驗課。筆者結(jié)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(xué)與工程學(xué)院新引進(jìn)的AgilentG200納米壓痕儀，可用來測量納米材料的硬度、模量、應(yīng)力—應(yīng)變曲線等傳統(tǒng)力學(xué)儀器不能測量的納米材料的力學(xué)性能。該試驗的開設(shè)，既使學(xué)生鞏固了前期所修的“工程材料力學(xué)性能”課程，提高學(xué)生綜合運(yùn)用知識的能力，又拓寬了學(xué)生的視野，對納米材料的力學(xué)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(chǔ)。材料力學(xué)性能實驗方法大都有國家標(biāo)準(zhǔn)，在實驗教學(xué)過程中，教師除了傳授最基本的操作方法外，還指導(dǎo)學(xué)生如何查找相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行閱讀，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)文件設(shè)計、實施相關(guān)實驗，使實驗操作真正做到有據(jù)可依，以期培養(yǎng)學(xué)生的工程規(guī)范意識。另外，針對教材標(biāo)準(zhǔn)滯后實際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)象，還介紹目前國內(nèi)外最新標(biāo)準(zhǔn)，以其讓學(xué)生了解最新的測試標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)信息，同時還使學(xué)生對相關(guān)測試技術(shù)的發(fā)展有全面完整的認(rèn)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(xué)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(jié)性教學(xué)評價模式向形成性教學(xué)評價方式轉(zhuǎn)變。[6]綜合考核方法中除了學(xué)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(xué)生自主創(chuàng)新、知識綜合運(yùn)用的能力，又培養(yǎng)了學(xué)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(xué)生綜合運(yùn)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(yīng)用題，內(nèi)容是結(jié)合具體技術(shù)和方法，論述材料磨損的控制和防磨措施，從而要求學(xué)生將材料磨損的相關(guān)知識融會貫通，靈活運(yùn)用。通過考核方式的改革，學(xué)生學(xué)習(xí)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(xué)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(chǔ)，同時為大學(xué)畢業(yè)生在將來實際工程中正確地選擇和使用材料、改進(jìn)材料性能以及分析材料失效行為等問題打下堅實的基礎(chǔ)。