融合现代农装特色的《机械工程材料》教学改革与探索

贺小伟，刘金秀，张有强，高杰，何义川，李鸿，王旭峰，弋晓康

（塔里木大学机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300）

0 引言

当今世界，新一轮工业革命方兴未艾，中国作为新兴工业国，必须抓住新一轮工业革命发展的机遇。“中国制造2025”是中国实施制造强国战略的第一个十年行动纲领[1-3]，“农机装备”是《中国制造2025》中涉及的十大领域之一，文中强调要“加快发展大型拖拉机及其复式作业机具、大型高效联合收割机等高端农业装备及关键核心零部件”[4]。《中国制造2025》的实施为我国现代农业机械装备的发展指明了方向和思路、制定了目标，这对具有农林背景优势、与农机装备直接相关的高校提出了更高的要求，契合“中国制造2025”战略的课程教学改革与探索势在必行。

《机械工程材料》课程是各高校近机类专业的技术必修课，该课程以工程材料的组成（成分）-结构-组织-性能之间的关系及变化规律为主线，培养学生在认知各类工程材料的基础上学会合理选用材料，并掌握如何合理地提高材料性能[5]。塔里木大学《机械工程材料》在校级一流课程建设基础上，2021 年12 月被认定为兵团级一流本科线下课程。目前该课程主要面向农业机械化及其自动化、机械设计制造及其自动化、机械电子工程、车辆工程专业的全日制本科生。新时代的农业装备企业对高校人才需求发生了质的转变，农林类院校在人才培养中必须紧跟时代发展，培养具有机械创新能力的人才。本文通过分析《机械工程材料》课程特点，利用信息平台并结合地域发展特色，有针对性地引入现代农业装备和机械工程案例内容，对教学和考核方法进行改革探索，以期提高学生学习兴趣和培养创新创业能力。

1 课程特点

《机械工程材料》实际上是多门课程（如金属学、热处理原理、热处理工艺、材料学等）的一个压缩删减版课程，因而该课程的基本概念多且分散，前后章节关联性不强，教学内容脱离工程实际应用[6-7]。课程内容中基础理论微观、抽象，学生通过死记硬背掌握知识点，但在学习后续课程（机械原理、机械设计）涉及到工程材料相关知识点时，已基本忘记了该课程的内容。在毕业设计绘制装配图及部件图时很多学生在标题栏中标注零件材料时选材大多不合理或随意标注，有必要加强实践环节。

《机械工程材料》兼具较强的学科理论性和应用实践性，知识要点的衔接性较强，若学生不能及时领悟吃透先授课程的内容，随着知识盲点的累积，学生学习兴趣将会下降。目前课程尚未涉及与当前国家大力倡导的现代农业装备相关的实例，较难满足当下农业院校近机类专业学生获取最新研究进展的需求，导致学生对该课程教学地位与意义的理解不够直观深入，难以激发学生的学习兴趣，影响学生对该课程的学习主动性和积极性。该课程一般与材料力学和机械原理课程同时讲授，若能及时引入农业机械工程、材料学及相关机械工程应用案例，将有利于学生对课程知识达到融会贯通。

2 课程建设举措

《机械工程材料》课程的特点是概念性强、抽象、名词多，实践环节少[5]。针对此问题可开展以下建设：（1）针对概念性强的问题，通过智慧树、慕课等线上资源学习加强知识理解；（2）针对比较抽象的问题，借助动画、实体模型、视频将抽象问题具体化；（3）针对名词多的问题，制作微课视频，循序渐进，增加印象；（4）针对实践环节少的问题，开展虚拟实验建设，将现实条件下较难开展的热处理实验虚拟化，加强学生对热处理工艺、条件和设备的掌握，结合南疆广泛使用的农业机械装备建设机械工程材料案例库，熟悉核心部件所选用的工程材料及加工工艺过程，通过各项建设达到教师教得好、学生学得好的目标。

2.1 修订课程教学大纲

围绕机械工程材料“价值塑造、能力培养、知识传授”三位一体的课程教学目标，利用工程案例贯穿主线，根据不同章节的讲解需要拆分出现代农业装备中不同零件作为实际工程案例来描述，例如机架、传动部件、标准件和工作部件等，部分零件学生在金工实习时已经接触过，学生在课程学习过程中通过对熟知的零部件的成分、组织和性能进一步了解可逐步认识到在现代农业装备设计中选材及制定热处理工艺的重要性。针对各近机类专业学生培养方案的实际需求，结合农林院校人才的培养目标，紧跟国家现代农业装备的发展方向，重新修订适合各自专业的机械工程材料课程教学大纲，调整教学计划。

2.2 增加前沿知识

《机械工程材料》课程对非金属材料和新型材料介绍较少，但在后续机械类课程学习及实际生产中很多构件为非金属材料，学生对该部分知识生疏，导致学生在后续课程学习中兴趣下降。针对该课程内容多与学时少的矛盾，课题团队教师在教学内容调整时减少一些抽象、实用性不强的理论知识的讲解，增加了非金属材料、新型材料（石墨烯、3D 打印材料、泡沫金属等）和新工艺（真空热处理、气相沉积表面强化技术等）的教学内容，开拓学生的知识面，以适应新工科发展的新挑战。

课题团队教师应积极了解行业发展前沿动态、材料加工关键问题和需求，主动参与工程实践、积累现场经验，与行业专家、企业工程师进行双向交流，不断扩充知识体系，提高人才培养能力。

2.3 增加现代农装和机械工程应用案例

《机械工程材料》课程与生产实际联系紧密，有必要强调重点内容在工程实际中的应用。在课程建设中，教学小组利用网络信息平台有针对性地总结和完善典型工程实例材料或就地取材以采棉机、拖拉机、棉花和玉米机械式精量播种机、植保无人机、数控机床、精密仪器和焊接机器人等工程应用案例作为教学延伸内容，在课程教学中针对不同专业的学生集中讲授其中的部分案例；通过案例教学一方面可以让学生加深对理论内容的掌握，另一方面让学生形成选用材料、分析材料使用性能和工艺性能的习惯，有助于学生提前了解现代农机装备和机械设备的工作原理和选材原则，提高学生对近机类专业的学习兴趣，激发学生的创新能力。

新疆的农业机械现代化和机械化程度较高，为近机类专业学生更好地学习机械工程材料提供了广阔的实例素材。例如，笔者所在塔里木大学周边为全国优质长绒棉生产基地，棉花种植机械化水平居于全国前列[8]。水平摘锭是采棉机的关键作业部件，由于易于磨损，每1～2个采季周期就得全部更换，而且每个采季中个别摘锭也会出现问题，一方面会导致采棉机采净率下降，另一方面经常更换摘锭会导致采棉机在高峰作业期的工作效率下降。摘锭生产技术是影响采棉机质量的关键“卡脖子”环节，如何突破传统的材料制备技术，提出先进、交叉制造技术，提高国产摘锭质量是农业工程科技工作者需要技术攻关的目标。通过讲述目前所用材料和加工工艺并介绍新材料中交叉学科的重要性，引导学生树立自主创新的意识，激发学生大力弘扬“热爱祖国、无私奉献、艰苦创业、开拓进取”的兵团精神[9]。

3 课程改革实施基础

3.1 以任务驱动法为核心，优化教学方法

在课程教学中引入典型机械工程案例的基础上，采用任务驱动教学模式，以实践教学强化能力培养，课内课外结合，教学地点不仅局限于教室，应扩展到实验室、农机厂、材料市场等，让学生通过调研、参观学习、动手操作等多管齐下获取机械工程材料知识，使得教与学有机结合，拓展学生的学习空间。

任务驱动法实施方案如图1。针对不同专业学生开展不同内容的实践教学活动，对于农机专业学生，带学生到学校周边的采棉机、大型拖拉机、植保无人机销售及维修公司参观学习，对于其他机械类专业学生，带学生参观工程实训中心的机床设备、精密仪器、农机公司的焊接机器人等。让学生在充分调研的基础上分组组建项目团队，明确任务目标、整理归纳资料、探索试验方案。每组选择一种现代农机装备或智能机械分析机构构造，就关键零件的材料、性能要求和热处理工艺进行分析，形成报告并进行答辩。

图1 任务驱动法实施方案

3.2 以过程考核为重点，创新教学评价机制

为确保任务驱动法收到较好的效果，应相应地优化考核机制，每个考核环节均有详细的考核评价标准，使考核有依据、有准绳；注重过程考核，提高实践教学成绩在成绩中的比重，让考核方式更具科学性和多元性。

3.3 以提高教学质量为目标，进行持续改进

每学期课程结业后与班委及课程学习不及格的同学进行座谈，就教学安排、教学设计、工程案例、教学效果的满意程度及存在的问题进行讨论，基于评价结果有的放矢优化教学内容和改进教学方法，建立持续改进机制，不断提升教学质量。

4 总结

针对《机械工程材料》课程特点，在教学内容中增加新材料和新工艺介绍、现代农业装备和机械工程案例并采用任务驱动法拓展教学空间，激发学生参与课程学习、探究、讨论的兴趣和积极性，提高学生独立解决工程实际问题的能力，树立工程观、质量观和系统观，提升工程素养和创新能力，培养出“中国制造2025”强国战略背景下符合时代需求的高素质应用型人才。