“双一流”建设背景下《材料力学性能》课程教学改革研究与实践

彭红兵 孟广彬 张荣良 周超洋 汪晓勇 崔祥水

摘要：在“双一流”建设背景下，《材料力学性能》课程的建设將面临新的挑战和机遇。该文深入分析了目前该课程在教学过程中存在的主要问题，针对教学内容多、课时少、教学方式单一以及实验内容固化等方面进行了相应的改革和实践，提出了基于需求、力求精练实用，优化教学内容、以“学”为中心，丰富教学方式以及以能力培养、思维创新为导向，科学设置实验等举措，提升了教学效果，为实现教学目的与人才培养目标奠定了良好的基础。

关键词：材料力学性能课程现状教改实践“双一流”建设

中图分类号：G642文献标识码：A      文章编号：1672-3791（2022）04（a）-0000-00

Teaching Reform Research and Practice on Mechanical Properties of Materials under the Background of "Double First-Class" Construction

PENG Hongbing MENGGuangbinZHANG RongliangZHOU ChaoyangWANG Xiaoyong

CUI Xiangshui

（School of Metallurgical and Materials Engineering， Jiangsu University of Science and Technology， Zhangjiagang， Jiangsu Province，215600 China）

Abstract： Under the background of "double first-class" construction， the course of "Mechanical Properties of Materials" will face new challenges and opportunities. This paper makes an in-depth analysis of the main problems existing in the teaching process of this course. The corresponding reform and practice are carried out in the aspects of more teaching content， less class time， single teaching method and solidified experimental content; and the measures， such as based on the demand， refining and practical， optimizing the teaching content， taking "learning" as the center， enriching the teaching methods， and taking ability cultivation and thinking innovation as the guidance， setting up experiments scientifically， have been put forward. The teaching effect has been improved， which lays a good foundation for the realization of teaching objectives and personnel training objectives.

Key Words： Mechanical properties of materials; Curriculum present situation; Teaching reform practice; “Double first-class” construction

《材料力学性能》是江苏科技大学冶金与材料工程学院材料类专业的一门基础课程，旨在使学生掌握金属材料力学性能的基础知识、影响因素、测试方法，培养学生从专业角度分析金属材料相关工程问题的思路，并使之具备一定的材料选择、力学性能测试、材料性能改进等工程问题的解决能力。因此，《材料力学性能》课程的教学效果以及学生掌握的程度对后续毕业设计乃至工作与科研生涯将产生深远的影响。此外，为加快我国高等教育强国建设，党中央、国务院做出了加快世界一流大学和世界一流学科建设这一重大战略决策和部署。2015年10月，国务院下发《统筹推进世界一流大学和一流学科建设总体方案》文件指出要“坚持立德树人，突出人才培养的核心地位，着力培养具有历史使命感和社会责任心，富有创新精神和实践能力的各类创新型、应用型、复合型优秀人才”。这标志着国家对于人才培养要求提升到了一个新的高度。“双一流”建设的核心任务就是建设“一流”的本科教育，培养“一流”的人才。

课程是本科教育的基本依据，是实现教育目的和人才培养的基本保证。优化课程体系是培养一流人才的关键。没有一流的课程，“双一流”就不可能实现。而一流的本科教育又是“双一流”建设的重要内涵与核心任务[1]。因此，“双一流”建设为课程的教学改革带来的新的挑战与机遇。目前，国内许多普通高校根据各自特定的专业方向和特色，从教学大纲、教学内容、教学方法、实验内容等方面对《材料力学性能》课程进行了相应的改革实践和探索。如中国民航大学理学院所开设的《材料力学性能》课程，张国尚等研究学者[2]提出在新工科背景下，需借鉴“跨学科”课程的教学方法对该课程的教学内容进行有机融合，突出工程能力、专业英语应用能力、科学精神与人文素养、创新思维能力培养。此外，还要对其教学方法和手段进行优化、建立多元化考核评价体系。叶芳霞等研究学者[3]从材料科学与工程专业特点出发，对该课程教学内容、教学方法、实验设置以及过程考核等方面进行优化，能够提高学生的学习热情，强化学生的知识运用能力、工程实践能力以及创新能力。张振亚等研究学者[4]认为要深化《材料力学性能》课程改革，需要认真分析当前学生的特点，结合现代教育心理学理论、教学手段，深入对教材内容进行改革，对教学大纲进行调整以及改革评价考核等一系列方面来推动课程的教学改革。而丁贝等研究学者[5]则认为只有通过优化课程内容，丰富和创新教学手段，将实验教学的数量和质量落到实处，才能达到良好的教学效果，实现培养学生综合素质和创新能力的教学目的，完成为社会输送高质量的实用性人才的计划。此外，刘川等研究学者[6]以焊接技术与工程专业为例，认为需根据专业特点，突出专业特色和工程背景，优化和调整课程内容，注重基础理论知识和专业的应用衔接，采取讨论式教学，引导学生对知识的探究，激发学生兴趣。

因此，无论是《材料力学性能》课程改革，还是 “双一流”建设，国内高校都进行了一些改革实践和探索，并取得了一定的成绩，然而由于每个学校之间的专业方向和特色、硬件设施、实验条件、师资队伍等存在较大的差别，笔者学院并不能照搬他人的改革模式和实践。该文深入分析了“双一流”建设背景下该院《材料力学性能》课程在教学中存在的主要问题，并探讨了该课程教学中的改革举措与具体实践，以期为培养一流的材料领域应用型人才提供强有力的支撑。

1 教学中存在的问题

1.1 内容多、课时少

目前，该院选用合肥工业大学束德林老师主编的《工程材料力学性能》（第三版）作为《材料力学性能》课程的主讲教材。该教材分为11个章节，主要内容涉及如下3个方面[7]：（1）材料在一次加载条件下的形变和断裂过程，所测性能指标主要用于评价零件在服役过程中抗过载失效的能力;（2）论述疲劳、蠕变、磨损以及环境效应这4种常见的与时间相关的失效形式，材料对这4种形式失效的抗力决定了零件的寿命;（3）主要介绍陶瓷材料、高分子材料以及复合材料的力学性能。近年来，随着培养计划的继续修订，该课程的教学时数由缩减后的40课时进一步減少至32课时。因此，内容多、课时少这一现状迫使教师只能对某些内容做简要介绍。此外，大部分学生对《材料科学基础》《金属学与热处理》等先修课程知识掌握不牢，导致学生上课跟不上，学习兴趣低，应用所学知识解决实际问题的能力明显不足。为在有限的课时内，达到良好的教学效果，在“双一流”建设背景下，必须及时优化、重组教学内容。

1.2 教学方式单一

随着科技的发展，教学方式和手段越来越多元化，然而，目前高校教师的教学方式仍采用以PPT讲授为主的“填鸭式”教学。该院《材料力学性能》课程的教学方式也是如此，然而该课程内容抽象、理论性较强、概念多、公式推导复杂，教师照本宣科的情况仍然存在，加之课时紧张，每次课的知识点较多，导致学生对知识点的掌握不足，使学生在课程学习过程中感到枯燥、无趣，更谈不上学生的个性发展。如此单一的教学方式也导致了学生的知识体系单一，达不到人才培养的目的。为了提升教学效果、实现人才培养目标，在“双一流”建设背景下，必须采用多元化的、更合理的教学方式，使每位学生都能从中受益。

1.3 实验内容固化

目前，该院《材料力学性能》课程的课内实验内容仍为“金属光滑试样静拉伸实验”以及“系列冲击实验”这两个经典实验。这些实验在实际操作过程中均变为演示、验证性实验，虽能一定程度上加深学生对所学知识的理解和掌握，但缺乏对学生探索能力的培养以及创新思维的训练。同时，实验学时的严重不足，也造成了学生的实践机会大打折扣。此外，实验报告相互抄袭的现象依然严峻，学生对数据处理和实验结果的分析能力严重不足。为了提高学生实践能力，培养学生创新思维和探索能力，在“双一流”建设背景下，必须优化实验教学内容，使每位学生都能亲自参与从试样制备-加工-实验-数据处理-结果分析这一全过程。

2“双一流”建设背景下《材料力学性能》课程的教学实践

2.1 基于需求、力求精练实用，优化教学内容

《材料力学性能》作为该院材料类专业的基础课，为实现教学目的和人才培养目标，必须根据专业特点和需求，以精炼、实用为导向，对教学内容进行优化，这样才能在有限课时内让学生汲取到与本专业密切相关的知识[8-16]。如该院材料成型、焊接等专业主要关注的是金属材料的力学性能，如静载荷下的力学性能、冲击韧性、断裂韧度、疲劳、腐蚀、磨损以及高温力学性能。因此，基于该院所开设的专业方向和特色，在授课过程中强化了教材中静载荷下的力学性能、冲击韧性、断裂韧度、疲劳、腐蚀、磨损以及金属的高温力学性能等章节的内容，弱化了陶瓷、高分子以及复合材料力学性能部分内容的讲授，仅将这部分内容作为了解性内容，让学生在有精力的条件下进行自我学习。

此外，学生前期已修完了《工程力学》《材料力学》等课程，这些课程部分内容已涉及了材料在各种外力作用下产生的应力、应变、强度、刚度以及导致材料破坏的极限等知识。因此，在课时不断缩减的背景下，对该课程的内容进行了优化，如对“金属在静载荷条件下的力学性能”的课时进行了适当的压缩，在此基础上，引入了一定量的工程案例以及科学前沿知识，既巩固了基础知识又提升了学生分析、解决问题的能力以及科研创新能力。另外，对材料成型专业，引入了新金属材料的力学性能及其成型工艺等教学内容，适当压缩了腐蚀章节的课时;对焊接专业，引入了焊接新材料的力学性能及其焊接工艺等教学内容，适当压缩了弯曲、扭转、压缩以及断裂韧度等章节的课时。通过上述教学内容的优化，该课程的教学目的以及各专业人才培养目标得以良好实现。

2.2 以“学”为中心，丰富教学方式

根据该课程的教学目标和实际需求，在整个教学过程中要突出学生的中心地位，关注学生“学什么”和“怎么学”，注重学生学习兴趣的培养，而不是教师“教什么”和“怎么教”。因此，为丰富教学方式，提高学生的学习兴趣，该课程充分、合理地利用了MOOC、超星等线上的优质教学资源，提前安排学生在规定的时间内通过视频学习、资料查阅、参与讨论以及问卷答题等形式完成相应的线上学习任务，不但提升了学生自主学习的积极性，也拓展了课程教学的时间和空间维度，一定程度上缓解了内容多、课时少这一痛点。此外，上课前，教师对线上平台提供的视频学习情况，讨论、答题情况等数据进行分析，预估学生对相关知识点的掌握程度，以便更为合理地设计、组织线下的课堂教学，如针对错题率较高的知识点，会引入具体的工程或科研案例，采用互动性较强的讨论式教学，逐步引导学生去理解和掌握该知识点。

另外，在“双一流”建设背景下，为进一步提高学生应用所学知识解决具体实际问题的能力，课堂中仍需进行启发式教学。如在讲到金属材料的强度和塑性章节时，金属材料可以通过位错强化、细晶强化、固溶强化、第二相强化等手段提高其强度，然而金属材料强度的提升会伴随塑性的损失，此时可抛出“金属材料有可能在具备较高强度的同时拥有良好的塑性吗，如何实现？”这一启发性的问题，引入研讨环节，让学生主动思考、积极参与;又如，在金属塑性变形一节，Hall-Petch关系表明金属材料的强度，可以通过细化晶粒得以提高，此时即可提出“是否会出现例外的情况呢？”进行讨论式教学，随后通过前沿知识的引入和讲授，发现并非所有金属晶粒细化时都能满足这一规律，特别是当细化后的晶粒尺寸低于某临界晶粒尺寸（通常为10～30 nm）时，某些金属的强度会偏离Hall-Petch关系，强度不再升高甚至会下降，并对其原因和改善措施进行相应分析和讲解。通过以上方式的教学，既能保证教学质量，还能锻炼学生应用所学知识的能力。课后也可引导学生继续查阅最新文献资料，验证课堂上的讨论结果，进一步巩固所学知识，同时也能强化学生查阅文献、分析问题、解决问题的能力，让学生从被动接受向主动学习转变。

2.3 以能力培养、思维创新为导向，科学设置实验

在“双一流”建设背景下，为进一步提升学生的实验实践能力，培养学生的创新思维[17， 18]，对该课程的实验进行了如下科学设置。首先，将原来由教师主导操作的演示、验证性实验改为由学生全程主导的综合性实验，即教师在讲解了实验原理、目的以及操作要求等必要内容外，整个实验从试样制备—加工—实验—数据处理—结果分析均由每组学生独立完成。其次，实验内容不再局限于“金属光滑试样静拉伸实验”以及“系列冲击实验”这两个经典实验，而是增加了“金属材料硬度测试实验”“旋转弯曲疲劳实验”以及“摩擦磨损实验”，每组学生可根据自身情况任选两个实验，这样既能在有限的实验学时内丰富实验内容、增加实践机会，还能避免部分学生重复实验、消极对待。最后，实验材料也不局限于实验室统一购买的45#钢，而是可以选用自己本创项目、参加的开放选修实验以及教师科研项目中的材料，这样既杜绝了实验报告相互抄袭、敷衍了事的现象，还能够培养学生的沟通以及团队协作能力，同时也强化了学生发现、分析以及解决问题的创新思维。

3结语

《材料力学性能》是我院材料类专业的基础课，在“双一流”建设背景下，笔者分析和总结了该课程教学过程中存在的问题，通过对教学内容、教学方式以及实验设置3个方面的改革和实践，使教学内容更加精炼、实用，符合专业需求;教学方式更加丰富，提高了学生的学习兴趣;实验设置更加科学、合理，提升了学生运用所学知识解决实际问题的能力以及学生的创新思维能力。在以后的教学活动中，为实现该课程的教学目的和人才培养目标仍需不断进行总结和调整。

参考文献

[1] 钟秉林，方芳.一流本科教育是“双一流”建设的重要内涵[J].中国大学教学，2016（4）： 110.

[2] 张国尚，冯日宝，纪朝晖.新工科背景下材料力学性能课程教学改革[J].大学教育，2019（4）： 75-77.

[3] 叶芳霞.工程材料力学性能课程教学改革思考与探索[J].中国教育技术装备，2019（18）：76-78.

[4] 张振亚，陈刚，杨睿，等.深化《材料力学性能》课程改革的思考和探讨[J].科技创新导报，2015，12（23）：165-166.

[5] 丁贝.《材料力学性能》课程教学改革的研究[J].广州化工，2017，45（11）： 190-191.

[6] 刘川，王俭辛，田立辉，等.面向专业特点的材料力学性能课程教学改革[J].广州化工，2017，45（23）： 184-185.

[7] 束德林.工程材料力学性能[M].北京：机械工业出版社，2016.

[8] 彭红兵.应用型人才培养下《材料力学性能》课程教改实践[J].科技创新导报，2017（32）： 222-223， 225.

[9] 田立辉，赵勇，王晓丽，等.以培养学生创新思维和实践能力为目标的“材料力学性能”课程教学改革[J].教育现代化，2018，5（50）： 69-70.

[10] 满田囡，沙桂英，王赫男，等.材料力学性能课程混合式教学[J]. 中国冶金教育， 2020（5）： 1-4.

[11] 徐敬尧，周小丽.工程教育专业认证背景下材料力学性能实验课程教学改革与实践[J].教育观察，2021， 10（34）： 87-89，93.

[12] 魏晓刚，刘会丽，杨柳川，等.材料力学性能课程的教改探讨与实践[J].砖瓦，2021（3）： 193-194.

[13] 高文斌，顾小燕，黎文航.工程教育OBE理念下的《材料力学性能》课程教学改革的探讨[J].科技视界， 2021（5）： 67-68.

[14] 高远飞，司朝霞，王娟.《材料性能學》课程内容整合与教学改革探讨[J].山东化工，2020，49（23）： 230-231， 233.

[15] 左立杰，史云云，贺毅强，等.基于应用型人才培养的材料力学性能教学改革[J].科技资讯，2020，18（32）： 143-145.

[16] 杨眉，王平，黄志宇，等.基于“专创融合”的材料力学性能课程建设与实践[J]. 教育教学论坛， 2020（43）： 242-243.

[17] 张洪亮，王赫男，国旭明，等.基于研究应用型人才培养的材料力学性能课程教学[J].中国冶金教育， 2019（4）： 29-30.

[18] 陈刚，高荣礼，符春林，等.基于微课模式的材料力学性能实验课程项目化教学[J].中国冶金教育，2020（1）： 78-79，83.