以科研课题形式促进材料成型及控制工程专业的教学改革

( 重庆理工大学 材料科学与工程学院，重庆 400054)

在现代工业文化中，材料加工作为现代生产工艺中的重要一环，有着不可替代的地位。自1998年起，各高校针对教育部提出的“厚基础、宽口径”的教育指导方针，对原有的铸造、锻压、焊接等按行业领域划分的专业进行了合并，进而成立了材料成型及控制工程专业[1]。由于专业的合并，要求学生需要同时掌握3个方向的知识，这在一定程度上导致了学生对专业知识仅有“宽”“泛”的掌握，与该专业要求的“精”“专”人才培养目标产生了偏差。基于该专业涉及知识面广、工程实操性强等特点，高校在培养高素质本科人才时更应采用理论打基础、实践固理论的教学理念。加强本科生的实践动手能力，不仅能使学生的理论知识得到进一步巩固，还能培养学生的动手能力，激发学生形成“发现、分析、解决问题”的思维模式。本文将具体结合以形变金属及微结构科研课题形式促进本专业教学改革进行分析与探讨。

1 当前实验教学中的问题

在当前高校课程中，实验教学并未受到重视，仍以理论教育为主导，理论和实践存在脱节的现象。以重庆理工大学大三学年开设的课程为例(如图1所示)，其课程主要以专业基础理论知识为主，有利于为学生打下夯实的基础，但实验课程较少，不利于培养学生的动手能力。已开设的实验课程多为简单单一的验证性实验，并未给学生留有更多的思考空间，导致学生对实验课程兴趣不高，对科学研究仅停留于书本的简单介绍，无法与实践相结合。此外，实验课程的考核多以实验报告为主导，实验报告的成绩又依赖于实验结果，能够完整复刻实验过程及结论的学生易拿高分。这也就导致了学生在实验过程中更注重实验结果的成功与否，这种唯成功论还会使得部分学生直接剽窃同学的实验成果，出现学术不端的行为。该现象最大的危害在于使学生丧失了自主思考的能力，不会分析实验过程中可能存在的失误，更不会从失败的实验中汲取教训。

图1 重庆理工大学材料加工专业大三学年课程开设情况

当前实验教学中的问题督促我们要对实验教学进行改革。在此，笔者提出以针对性、专业性、实践性强的科研课题形式优化实验教学，以提高学生对实验课程的积极性，激发学生对科研的热爱，培养理论知识丰富、实践能力强的专业性人才。

2 课题特点

以重庆理工大学为实例，该校为改善学生理论与实验脱节的现象，特打造了“精英计划”，实行研究生教育与本科教育联动机制，即“1+1+2”模式，1个研究生导师、1个研究生、2个本科生组成科研团队，同时学院将对进入发展计划的同学提供实验室等场地支持。其课题以探讨金属的形变行为、微观结构的改变对金属性能的影响为主。

强韧化是金属材料永恒的追求目标，而强化机制主要为以下4种强化机制：细晶强化、固溶强化、第二相强化、形变强化[2]。该课题拟选用形变强化为主要研究方向，因为它与当前钢铁及其他合金类生产工艺流程相似，可在已有轧制设备或经过一定改造的设备上进行实验，具有广阔的发展前景。这也使高校的教学内容与企业生产接轨，有利于为企业输送专业的实用型技术人才。

3 课题教学设计

3.1 教学模块

与传统课堂教学模式不同，课题的教学模式将以学生的自主学习为主，导师的针对性指导为辅。由指导老师给出课题相关的参考书目，学生通过自主学习后拟订实验过程，由老师分析实验的可行性，并展开课题实验。

3.2 实验模块

实验方面的培训分为4个模块，可利用如图2所示的流程图表示。

图 2 实验培训的流程图

1)对金属性能进行测试。与先前教学理论中以微观组织结构分析开始的教学方式不同，以具有立体感知的材料力学性能为教学切入点。以金属材料的硬度测试为例，学生通过硬度测试实验，将会对不同金属材料的强度硬度有直观的、具体的概念。这一过程将使学生了解材料具有的各异性能，进而激发其好奇心，以探讨不同材料具有不同性能的原因。同时，这也能为后续的微观组织结构的教学做铺垫。

2)形变处理。以轧制为例，金属产品常采用冷轧、热轧、锻压、冲压等工艺进行生产。在该模块的学习中，可学习轧制工艺的生产工艺流程，了解设备的基础构成，掌握工艺参数的制订。这一过程将使学生进一步掌握金属材料在不同轧制条件下的性能变化与其微观组织变化的内在联系[3]。此外，在日常生活中，金属发生塑性变形后其力学性能发生改变的案例随处可见。导师可引入相关案例，将理论知识具体化、生活化，将教学过渡到应如何在实际工业生产中控制或调控材料的性能。同时，在后续的金相组织观察中，学生能具体地、直观地观察到组织的形貌特征及其变化，而不再是单纯地通过课本配图进行学习。这样也会使学生对材料组织和性能之间的关系有更深层次的了解。

3)微观组织结构的观察和分析。在上述两个模块的培养与学习中，学生将认识到材料的性能取决于材料的微观组织及结构。通过宏观观察，能大致评判材料的性能，而其微观组织结构是不可能通过肉眼观测的，因此，需要借助辅助工具，如金相显微镜、扫描电镜等观察其微观组织结构或表面形貌特征。通过这一模块的实验技能培训，学生会对微观组织结构决定材料性能这一理论有更深层次的理解，激发学生对材料处理方式、微观组织、结构、性能之间关系的研究与探讨。

4)热处理工艺的学习。除上述模块的培养外，可添设相关的热处理实验，打破传统的以相变分析为主的课堂理论教育。对轧制后的材料可以设计一系列相关的热处理工艺，提高材料性能，从而使学生能够直观地学习相变规律，并认识到热处理工艺也是改变材料微观组织结构的一种方式。热处理工艺的最终目的仍是改善和提高材料的综合力学性能。这一模块的教学是对上述3个模块的巩固和提高，更是学生在探讨材料处理方式、微观组织、结构、性能之间关系后的进一步摸索。

3.3 考核模块

在实验中，一定会出现学生无法自主解决的问题，导师作为课题的负责人应及时启发、引导学生。在这个过程中，要鼓励学生对问题反复研究，并分析实验过程，找出问题发生的源头。在实验结束后，导师应开展一次小组讨论，指出学生在前期文献学习、后期实验过程中存在的问题，并要求学生以论文形式对整个课题过程做出书面报告。考核评分标准以学生的实验记录，讨论记录，以及基于实验结果提出的优化方案为主，实验结果为辅。若学生在课题结束后，其实验结果并不理想，但该学生对自己的实验过程进行了详细地分析，并在此基础上提出了可行且新颖的实验方案，仍可给予该生较好的成绩。

以形变金属及微观结构为科研课题的主要目的是使学生将理论知识与工业实际生产相结合。重点考察的是学生是否具有良好的学习能力，以及能否将课本知识灵活地运用到实际生产，以解决科学或工程问题。设立该课程的重点在于培养学生的创新性思维，提高学生的实验操作能力，以及锻炼学生在短时间内学习掌握实验设备的操作技能，更要求学生能够独立自主且正确地使用这些设备。

通过该课题的实验培训，相信学生会具有主动发现问题并解决问题的能力，建立起良好的科学精神、实验态度并具有一定的团队合作意识。

4 总结

教学课程的设计及内容会直接影响教学质量与成果，而且社会及行业对人才质量的要求不断提高，这都要求着高校实施进一步的教学改革。高校应注重对学生的科研技能培训，要求学生掌握一定的实验技能，并具有发现问题、提出问题、分析问题、解决问题的思维模式，为社会输送高质量的应用型人才。同时，高校应认识到人才培养不是一朝一夕的事，这是一个漫长且复杂的过程，需要高校在人才培养的过程中积极摸索，根据社会发展及要求不断地改善和调整人才培养模式。