《材料力学性能》课程教学改革探索与实践——以安徽工程大学材料成型及控制工程专业为例

卫 勇,高曦君,刘 琪,冒国兵

(1.安徽工程大学 材料科学与工程学院,芜湖241000;2.繁昌区中医医院,芜湖241220)

一、引言

《材料力学性能》是安徽工程大学材料科学与工程学院(以下简称我院)的专业核心课程。该课程可以帮助学生深入了解材料的微观特征,更好地把握材料力学性能,从而评估材料的可靠性,有针对性地选择材料,以便于更好地满足工程应用的要求。《材料力学性能》的教学效果以及学生掌握的程度可以为未来的就业以及科技领域带来巨大的改变。2023年3月份,曹德旺等25位杰出科学家、企业家共同指出,“重论文轻实践”的考核标准和人才培养方案,已经严重影响了中国从工程大国跃升为工程强国的进程。因而,当前的重中之重便是如何让学生具备多元化的能力,以满足社会的需求。

国内对《材料力学性能》课程的研究已经取得了一些成果。张国尚[1]强调,需要结合时代发展的需求和新科技的应用,制定更加完善的课程内容和教学计划,从而推动《材料力学性能》课程教学改革的不断发展。叶芳霞[2]则认为,需要对《材料力学性能》课程进行深入研究和探讨,通过实践教学活动来提升学生的实际动手能力和创新意识。张振亚[3]指出,需要进一步对课程内容进行改革,完善教学大纲、优化教材内容、增加实践教学环节,从而提高学生的学习兴趣。丁贝[4]提出需要深化《材料力学性能》课程改革,需要优化教材内容、加强实验教学、完善考核体系。除此之外,还需要建设教师团队、加强科研成果转化等。

然而国内高校目前在《材料力学性能》课程方面的研究与探索还处于起步阶段,存在一些不足之处。例如:有的高校在《材料力学性能》课程的教学改革方面没有进行全面的思考和设计;有的高校虽然对《材料力学性能》课程进行了全面的改革和创新实践,但改革内容只局限于传统的教学手段和教学内容等方面;还有一些高校虽然进行了《材料力学性能》课程的改革探索,但没有形成相应的发展模式。对于我院来说,该课程教学改革仍然需要进行全面的调整。因此,本文详细分析了《材料力学性能》课程的教学现状,从而制定出更加完善的改革与实践方案,以期为培养新工科背景下的材料领域复合型、应用型人才提供理论支撑与实践路径。

二、《材料力学性能》课程教学中存在的问题

(一)内容多、课时少

目前,我院选用课程教材为北京大学出版社《材料力学性能》(第2版),时海芳、任鑫为主编。这套教程共9个部分,包括了:(1)不同使用环境中复合材料的力学特征,以及它们的宏观结构;(2)不同的力学参数的实际含义、物理原理、实际作用以及它们之间的联系;(3)改善复合材料的力学特征,以及如何通过改善这些特征来实现;(4)力学参数的检验与评估。近年来,由于培养计划不断改进,《材料力学性能》的授课时间已经缩短为32课时,从而限制了其有效性。然而,《材料力学性能》的基础理论知识丰富,覆盖了《工程材料及热处理》《材料分析与测试方法》《材料科学基础》《材料力学性能》等先导课程,而且涉及的专业知识面也比较宽泛,可谓是一个综合型的教材。尽管《工程材料及热处理》《材料分析与测试方法》《材料科学基础》《材料力学性能》课程很重要,但是由于许多学生缺乏充分的理论和实践经验,他们没有将这些科目的内容融会贯通,不能充分发挥自身的潜质,从而使得他们无法在各种材料领域取得更好的发展,也很难获得更高的职业技能。

(二)教学方式单一

《材料力学性能》是一门专业性较强、理论内容较多的课程。往往在教学过程中,教师使用PPT进行课程内容展示,并通过“填鸭式”教学将知识点灌输给学生。在传统教学模式中,教师不会对课程内容进行及时的更新,也无法根据学科发展及时地对教学内容进行调整。在传统教学模式中,学生学习的重点不是对所学知识的理解,而是对大量公式和概念的记忆。如果没有及时复习或预习,学生很容易在学习新知识的时候遗忘了已有的知识。此外,在课堂教学过程中,教师仅仅依靠板书的方式讲解课程内容,让学生死记硬背大量公式和概念,这种方法会使学生产生学习上的枯燥感和疲惫感,同时也很难调动学生学习的积极性。

(三)人才培养目标不明确

自1980年以来,安徽工程大学金属材料类专业就开始招生。到2020年,我院已经正式成立,其中材料成型及控制工程专业具有极强的工程应用性和实践性,以铸造、锻压、焊接等技术为主,注重将多学科知识有机结合,以满足当前国家对复合型、应用型人才的需求。然而,由于教材中涉及的专业工程背景较少,未能充分展示材料力学性能课程在铸造、锻压、焊接等专业中的重要性。如果仅仅依据教材内容进行讲解,学生很难理解这些课程的重要性,也就无法充分发挥自身的主动性,从而导致缺乏对后续专业课程的学习深入,知识结构单一,过分侧重理论,而忽略了实践应用,从而影响学生的学习效果。脱离了培养应用型人才的初衷。

三、《材料力学性能》课程教学改革探索路径与实践

(一)优化教学内容与课程结构

《材料力学性能》是一门既具有理论深度,又具有实践指导意义的课程。课程内容主要包括:拉伸、压缩、剪切、弯曲和扭转、断裂韧性、疲劳强度、蠕变等其他力学性能,涉及的概念和公式非常多,尤其是材料的变形行为与断裂行为。虽然这些内容比较枯燥,但学生必须掌握,以便于今后能够更好地运用材料的力学性能知识,并在实际应用中更加得心应手。为了达到以上目标,笔者在授课过程中将本门课程与相关课程进行了整合。首先,将材料的变形行为与断裂行为相结合,让学生更好地理解材料的断裂机制;其次,将断裂力学与疲劳理论相结合,让学生掌握裂纹扩展速率等内容;再者,将摩擦磨损理论与金属材料的磨损性能相结合,让学生了解金属材料磨损机理。此外,笔者还将该课程的实验内容与实验平台相结合。利用万能试验机对金属材料进行拉伸、弯曲、剪切和扭转试验等。总之,应该根据实际情况,将各种理论和方法有机地融合在一起,这样学生才能更好地掌握各种力学性能和实验方法。在课程内容的选择方面,学生应该重点关注金属材料的力学性能[5-7]。

学生前期已学完《工程材料及热处理》《材料分析与测试方法》《材料科学基础》《材料力学性能》等先导课程。为了便于学生将先导课程与《材料力学性能》课程有机结合,笔者在授课初期有意减慢课程进度,补充相关先导课程内容。首先,将“材料在静拉伸载荷下的力学性能”的教学规模调整至10学时,并加强学习,让学生更好地理解和掌握相关的实践技巧;其次,结合实际情况,让学生更加深刻地理解和掌握相关的理论,并培养学生的实践技巧和科学思维。此次改革,笔者将重点放在研究金属材料的力学特征以及它们的生产技术上,并且大幅度减少了有关腐蚀与磨损的课堂讨论。

(二)丰富教学模式与教学手段

《材料力学性能》课程涉及的内容非常广泛,对于没有接触过此课程的学生来说,往往感到枯燥,而没有兴趣的学习是非常不利于学生对知识的掌握。为了激发学生的学习兴趣,应丰富课程教学模式。在传统的教学模式中,教师主要通过对教材内容的讲授,以及大量实验设备和实验过程的演示,来实现课堂教学的目的。但是这种教学模式非常容易使学生感到乏味,无法吸引他们学习的兴趣。由于这门课程涉及大量实践操作环节,因此可以将这些内容设计成案例来进行讲授。例如在学习材料冲击性能这一章节时,可以采用该案例来让学生更加深刻地理解冲击破坏机理、影响因素及预测方法等;其次,在《材料力学性能》这门课程中,存在大量的概念和公式,为了让学生更好地掌握这些内容,可以通过引入实际案例来介绍其意义。例如在讲解应力应变关系时,可以将其引入到汽车结构中去进行讲解;最后是以工程项目为引导来增强学生对知识点的理解。例如在学习断裂力学时,可以将汽车碰撞过程中的变形过程作为引导来加深其对材料断裂力学的理解和应用。在讲解断裂韧性时,可以将汽车安全气囊展开过程作为引导来帮助学生更好地理解材料断裂力学的概念及其应用。

在课堂教学过程中,采用多样化的教学手段,丰富教学手段。首先,采用多媒体和虚拟仿真技术,可以利用虚拟仿真技术展示出应力—应变曲线的特点与应用,以及分析其产生原因;其次,要利用视频进行讲解,可以通过视频播放来演示拉伸过程中的各种现象以及产生的原因、如何消除拉伸过程中出现的各种现象以及拉伸过程中应力分布规律等;再次,要利用图片和实物模型展示材料的强化机制,可以利用金属棒和金属构件来展示强度与塑性之间的关系;在讲解金属材料的断裂行为时,可以利用断口形貌以及断口附近元素分布情况等来展示其断裂机制。

(三)明确专业特点与培养目标

当前,大学里的学生可以被划归为两大类:一类是专注于学术研究的学生,他们可以在各种不同的领域从事学术探索和技术革新;另一类学生可以在企业和社会的各种领域从事实际的技术和管理,他们可以在各种领域取得成功,为企业的发展作出重大贡献。各大学都需要努力培养适合自己的专业人员。

在教学过程中,应该结合学校和专业特点,设计合理的教学内容。以我院材料成型及控制工程专业为例,本院的主要课程有:《工程材料及热处理》《材料分析与测试方法》《材料科学基础》《材料力学性能》等。而我院的主要专业是材料科学与工程,包括材料科学与工程一级学科下的所有专业,例如:材料科学与工程、材料成型及控制工程等。本院是针对材料类专业大四学生开设《材料力学性能》课程,在教学过程中注重理论与实践的结合,特别是对工科学生来说,动手能力的培养尤为重要。因此,在教学过程中应该遵循以下两点原则:第一,《材料力学性能》是一门综合性较强的课程,其中涉及大量的理论知识和实验操作,所以在教学过程中应该注重理论知识与实践操作相结合。第二,注重培养学生的综合能力。材料力学性能课程涉及力学、材料、金属加工等多个方面,但是由于教学时间的限制,不能涵盖所有内容,因此在教学过程中应该结合学生所学的专业方向和实际需求,结合课程内容来选择适合学生的教学内容。

(四)改进评价体系与考核方式

笔者将课堂表现以及期末考试综合起来,分别占到最终成绩的百分之三十和百分之七十。在以往的教学中,教师很难从学生的出勤情况、课堂表现和期末考试等方面全面地了解学生,往往只看到了分数,而没有看到学生真正的学习态度。为此,课堂表现方面,笔者通过课堂提问、课下讨论和小组讨论等多种课堂表现形式,对学生的学习态度、学习方法、学习成果和综合素质进行考察,鼓励学生积极参与课堂活动,激发他们的学习热情,培养他们的创新意识。而期末考试成绩主要通过卷面考试的形式来体现,这也是一种非常直接有效的教学手段。通过评价体系和考核方式的改革,可以有效促进学生积极主动地参与到教学过程中来,提高他们对课程内容和知识点的理解和掌握程度,促使他们提高自主学习能力和分析问题、解决问题能力。此次改革的目的是为了激发学生的积极参与,让他们更加深刻地认识到,只有全面把握,才有可能获得学习效果。

四、结语

在“新工科”背景下,《材料力学性能》是一门重要的基础理论课程,但是它的教学却受到许多限制。为此,本文分析了《材料力学性能》课程的特点,提出了该课程的教学目标,分析了该课程在理论教学与实践教学中的地位,阐述了《材料力学性能》课程在学生素质教育中的重要性,并提出了该课程教学改革的具体路径。在新形势下,为了提高材料类专业学生的综合素质,使他们能更好地适应社会发展对人才的需求,《材料力学性能》课程教学改革是势在必行的,只有这样才能使学生更加全面、深入地掌握该课程的相关理论知识。