基于专创融合思想的机械工程材料课程教学探索

胡海霞，刘志卫，袁长颂

(安徽理工大学 a.机械工程学院 b.矿山智能装备与技术安徽省重点实验室，安徽 淮南 232001)

0 引言

创新是推动社会发展进步的重要力量，创新方法是自主创新的根本之源。高校创新教育是一种全新的教育理念，旨在增强高校学生的创新意识，培养工科学生创新能力，构建创新体系，以培养创新型人才为主要目标[1,2]。发明问题解决理论(Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch，TRIZ)是重要的创新方法理论，是人们创造性地发现问题和解决问题的方法、工具。培养高校学生的创新能力仅靠开设创新方法课程还不够，还需要通过具体课程教学来实现。因此，应将创新方法与专业课程相融合，将探索创新方法作为创新能力的核心要素融入到创新人才培养体系中，建设完整的、具有专业特色类的创新课程体系，培养学生的实践与创新能力[3]。

机械工程材料是机械类和近机械类专业学生必修的重要技术基础课程之一，是引导学生进入专业领域的入门课程。课程知识结构层次分明，具有较强的实践性，对培养和训练高校学生的独立分析能力、创新能力具有积极作用。随着21世纪创新教育实施地逐步深入，创新方法教学的日益普及，各高校都着力推进创新教育，服务国家创新发展，创新课程建设也日益被关注[4]。在专创课程建设的浪潮中，教学改革势在必行，要利用创新思想重构专业课程的教学内容，使机械工程及相关专业学生以机械工程材料知识体系为基础，系统地形成创新思维知识体系，养成创新思维能力。培养满足社会需求的专业人才以适应社会发展需要是当前高校专业课程教学改革的一个重要方向[5]。

1 机械工程材料课程教学改革途径

1.1 课程建设方法

机械工程材料课程内容丰富，理论性和实践性都较强[6]。高校学生毕业后从事机电产品的开发设计、加工制造、维修售后等机械相关领域工作时，需要了解并掌握机械工程材料及其成型方面的知识。随着国家创新创业教育政策地推进，为了培养学生的创新能力，各高校开设了越来越多的创新课程。根据TRIZ理论体系和人才培养的需要，高校结合前期教学经验，系统分析TRIZ创新理论的方法体系和解决问题的基本流程，收集机械工程领域相关具体案例并进行剖析。梳理课程知识脉络，制定课程标准，编写TRIZ创新思维和方法并与专业课程相融合，课程主要章节配有课后习题，类型丰富，综合性强，重点考查学生运用知识分析问题、解决问题的综合能力。完善相关课程大纲、教学计划、教学总结等教学资源建设。

将创新方法融入机械工程材料课程教学，有利于改变学生思考问题的方式，激发和培养学生发现问题、思考问题并解决问题的积极性和主动性。机械工程材料课程教学由理论教学和实践教学两部分组成，是一门应用性和实践性都较强的专业基础课。机械工程材料课程的教学目的是让学生将所学知识由了解、理解，到应用，再到改进创新，实现知识的内化吸收。理论教学要重点培养学生的创新思维，课程依托本校工程实训中心创新实验室平台，将课堂教学转移到课程实践平台上，引导学生开展创新活动，提高学生对创新方法的应用能力，有效提升学生的创造力，培养具有创新思维与创新实践能力的人才[7]。结合本专业特色整理并分析案例，提高学生对创新方法课程的理解及应用，为传统课程教学提供新思路、新方向。

1.2 教学方法选择

机械工程材料课程涉及的基础理论微观且抽象，传统课堂教学以教师讲解为主，如果照本宣科，将工程材料的内容作为孤立的知识点讲授，学生对一些物理意义和工程应用仍然理解不透。课程主讲教师不能停留在传统教与学的教学方式上，应当构建创新方法与专业课程相融合的课程体系，灵活运用探究式、讨论式、案例式、师生合作等多样化的教学模式，培养学生的创造性思维，激发学生创新灵感。例如，针对金属的塑性变形这一教学内容，可以采取案例式教学模式，将行星轧压法的发明作为教学案例，将创新方法融入到工程案例讲解中，提升教学效果。介绍塑性形变定义、塑性变形特点和对材料性能及加工工艺的影响等内容，利用金属在外力作用下所产生的塑性变形，可获得预期形状、尺寸、组织和机械性能的金属零件。

轧压法是金属材料塑性加工的主要工艺之一，广泛用于金属板材的成型加工。传统的轧压法是将金属坯料送到两个旋转方向相反的轧辊之间，在轧辊压力的作用下，使金属坯料产生塑性变形，依靠两个轧辊的转动和原料板的推进将金属坯料轧制成板材，如图1(a)所示。该方法压制变形量较大，适用于延展性能良好的钢材，但塑性较差的金属原料在轧制中会出现裂纹。为了解决这一技术难题，日本一家特种钢厂的工程师潜心研究，一天他无意中发现妻子在面板上用擀面杖擀荞麦面的过程是连续渐进的过程，于是他借鉴妻子擀荞麦面的姿势和方法，用大辊带动小辊取代支撑辊，使金属原料处于三向压应力状态，从而研究出了轧制钢板的新方法——行星轧压法，如图1(b)所示，成功解决了轧制钢板生产中因板材产生裂纹而造成大量产品不合格的问题。

图1 (a)传统轧辊装置和(b)行星式轧辊装置示意图

在本案例中技术人员通过运用形象思维，激发了联想、类比和创新能力，行星轧压法就是由形象思维激发联想而获得成功的。在工程技术创新活动中，形象思维是一种基本的思维方式，工程师在构思新产品时，从外形设计、内部结构到工作原理设计，形象思维都起着重要作用。通过案例教学法，将课程内容展现在实际案例中，从理论过渡到实际应用，使学生建立起塑性加工工艺与金属材料组织和性能之间的关系。案例教学法是实现教学与实际应用相结合的有效手段，有利于帮助高校学生树立创新理念和创新思路，拓展创新思维，培养创新意识，对提高学生的实践与创新能力具有重要意义[8]。

1.3 课程体系优化

课程体系的构建对于创新方法的推广效果具有重要影响。机械工程材料专创融合课程建设教学计划应围绕培养学生创新意识和创新能力，掌握和运用创新理论与方法进行制定，形成科学合理的、符合创新方法推广的教学内容体系[9]。

机械工程材料课程具有较强的实践性，涉及的知识面较广。由于学生对工程实际问题的接触不多，学习动力不足，学习效果不理想。因此，教师应精心组织教学内容，强调重点内容的物理意义及其在工程中的实际应用，提高学生的学习兴趣[10]。理论教学力求与创新方法和实用性相结合，适当淡化教材中过于深奥的理论，强调其实用性，加强学生实践能力的培养[11]。此外，导入案例式教学也能有效提高学生学习本门课程的兴趣，帮助学生运用材料知识解决设计与制造过程中的相关问题，提升教学效果。

在课程教学过程中，要注重培养学生理论结合实践的能力，可以安排多种形式不同层次的实验内容。实验环节作为高等教育教学的重要组成部分，在培养学生创新能力方面起着重要作用。同时，整合学校实践资源开展教学，包括学科竞赛、创新实验室、大学生创新创业活动及夏令营等项目。将运用知识分析和解决问题的综合能力作为考核重点，将专业学习中的创新能力作为主要考核指标。

在参考国内知名高校机械工程专业课程大纲、教学课件及企业案例的基础上，有针对性地选取面向高等院校机械类的典型工程案例，通过翻转课堂、微课、视频及动画的形式呈现给学生。相关教学案例已经应用于2018级机械工程及相关专业机械工程材料课程的教学实践中(32学时)。将案例库引入教学中，从理论过渡到实际应用，通过课堂教学中的动画和视频演示增强了学生的场景沉浸感，将课程内容展现在实际案例中，能够使学生更加深入地了解制造业相关专业知识，对提高学生的实践与创新能力具有重要意义[8]。实践证明在机械工程材料课程教学中结合企业经典案例，可以营造活跃的课堂教学氛围，提高学生的学习兴趣，增强先进设计方法及制造技术应用水平，提高学生创新能力和创新意识，教学效果良好。

2 结语

掌握创新方法是创造性地解决问题的前提，构建创新方法与专业课程相结合的课程体系是高校培养创新创业人才的重要组成部分。将创新方法融入机械工程材料课程教学中，引入企业经典案例，案例的选择既要有代表性又要体现出明显的专业针对性和使用性。教学环节突出创新思维方法，使教学变得更加生动、具体，引导学生学习创新方法，激发其创新潜能。开展机械工程材料课程教学改革，提高了学生的学习兴趣，提升了学生的工程实践能力和创新应用能力，提升了教学效果。