工程材料力学性能教育革新

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一、“工程材料力学性能”课程特点及教学现状

1“.工程材料力学性能”课程特点材料的力学性能是指材料在外加载荷作用下或外加载荷与环境因素共同作用下所表现出来的力学行为与机理，是各类材料在实际应用中必须涉及的共性问题。[1]“工程材料力学性能”课程最早是“金属材料力学性能”，后来改名为“材料力学性能”，现在部分教材又改名为“工程材料力学性能”，是许多工程类本科生重要的专业基础课，其教学效果好坏对学生能否打下一个良好的专业基础起着重要的作用。该课程内容涉及面广、工程应用背景强，在材料科学与工程、土木工程、机械工程等专业领域有着重要的应用。本课程的学习，对提高工程类专业学生整体素质及工程实践能力起着至关重要的作用，使得学生能够从各种机器零件或构件在常温、高温以及腐蚀环境的服役条件下的失效现象出发，了解失效现象的机理，从而为他们毕业后从事材料的检测和性能评定、材料的正确选用和安全应用，以及对机械零件的失效分析等工作奠定良好的基础，为企业乃至国民经济的发展提供有力的后备军。

2“.工程材料力学性能”课程教学现状安徽工业大学（以下简称“我校”）材料学院共分金属材料工程、材料成型及控制、无机非金属材料、材料物理四个本科专业，目前，四个专业使用的《工程材料力学性能》是合肥工业大学主编的同一本教材，该教材的内容包含金属材料的力学性能和新型材料的力学性能两大部分，侧重点是金属材料的力学性能部分，主要包含“高分子材料的力学性能”、“陶瓷材料的力学性能”和“复合材料的力学性能”三章的内容。[2]金属材料力学性能的研究时间较长，主要的原理、定律和结论已比较成熟，新型材料力学性能的内容相对较少，它的研究主要借鉴于金属材料力学性能的研究经验和方法。本教材比较适合金属材料工程、材料成型及控制两个专业的学生，对其他专业的学生则显得内容相对较少，不太适合。而且，本课程的内容多、涉及面广，课程学时有限，书中许多抽象的内容很难通过语言的表述来讲清楚，在课堂上教师生硬的照本宣科会使学生感到枯燥乏味，课堂的气氛很难被充分地调动起来，教学效果不佳。针对目前的教学现状，如果不对课程的教学进行改革，授课教师很难在有限的学时内保质保量地完成本课程的教学任务。笔者在“工程材料力学性能”课程的教学实践中体会到：授课教师需要根据专业特点来组织教学内容，才能在规定的学时内完成课程的教学任务。根据专业特点来组织教学内容，使得学生学习和教师授课的侧重点都突出，学生能在有限的学时内提炼出与专业学习有密切联系的知识，加以掌握和应用。[3]本课程的教学目标是使学生能运用所学的理论知识分析材料实际的使用情况，对材料的失效现象的机理进行分析。

二、依据材料物理专业特点，优化教学内容

在“工程材料力学性能”课程教学实践中，笔者结合材料物理专业特点，在保证课程基本内容和结构的前提下，对整本教材进行整合，提炼出一般了解和必须掌握的内容，使学生能在规定的学时内有效地掌握最基本的教学内容。[3]近年来，随着科学技术的发展，材料的种类越来越多，新型材料应用日新月异，纳米材料、薄膜材料和微机电材料快速发展，材料的特征尺寸越来越小，传统的材料力学性能测试手段已无法实施，微区材料的力学性能测试手段应运而生。新材料力学性能测试的标准不断颁布，已有材料的国内标准需与国际标准接轨而不断修改，迫切需要材料力学性能的教学与生产力发展水平一致。鉴于以上几个方面内容，该课程讲授内容主要从以下四个部分来展开：第一部分（第一至第四章）阐述材料在一次加载条件下的形变和断裂过程，所测定的力学性能指标用于评价零件在服役过程中抗过载失效的能力或安全性；第二部分（第五至第八章）论述疲劳、蠕变、磨损和环境效应四种常见的与时间相关的失效形式，材料对这四种形式失效的抗力将决定零件的寿命；第三部分（第九至第十一章）（纳米材料/复合纳米材料）依据材料物理专业的特点，重点讲解纳米材料的力学性能，这其中包括纳米金属材料的力学性能、纳米非金属材料的力学性能、碳纳米材料的力学性能、纳米复合材料的力学性能等；第四部分实验教学中引入国家标准的学习。

三、优化教学方法与手段，全面锻炼学生能力

任何教学过程的开展都离不开一定的方式或方法。传统的教学方法是以教师讲授为主，学生处于被动的接受地位。教学方法的优化倡导以学生为主，强调学生是学习的主人，培养他们自己查阅资料，自己释疑，自己总结，最终具备自我学习的能力。[4]在这个过程中，教师要充分发挥引导作用，充分调动学生的积极主动性。下面以“纳米材料的力学性能”为例来说明教学方法的优化，笔者采用“三步式”教学方法，取得了良好的教学效果。第一步：教师指导学生上网查阅“纳米发动机”的相关资料，并就“纳米发动机”的提出、原理及当前的发展现状写一篇综述性报告，在下一堂课让学生讲解；第二步：根据自己的备课内容及结合自身的科研经历，进一步给学生讲解“纳米发动机”相关材料的制备方法及工艺技术特点；第三步：学生根据教师授课内容和自己查阅的相关资料，完善自己的综述报告。“三步式”教学法组织实施教学，不但可以提高学生学习本门课程的积极性，使学生掌握的知识更加牢固，而且有利于拓展学生的视野，培养了学生的科研兴趣，进一步增强了学生自我获取知识的能力。教学手段是指教师用以运载知识、传递教学信息的物质媒体或物质条件，是现代的教师进行教学活动必不可少的辅助用具。随着计算机应用技术的普及，学校和教师越来越关注用计算机网络技术来提高教学效率和教学质量。[4]“工程材料力学性能”课程特点是内容多、知识点零散、概念定义多，书中许多抽象的内容很难通过语言的表述来讲清楚，理解起来相对困难。教师在教学过程中运用现代多媒体教学手段，自己动手制作多媒体课件，针对专业特点选择教学内容和教学方法；另外，通过演示一些动画图片和视频，使得原来抽象的、枯燥的知识形象化，使学生易于理解和掌握，同时还增大了教学信息量，在有限的学时内给学生尽可能多地传达了信息量。

四、优化实验教学，培养学生的创新能力

工科专业的实验教学是理论联系实际的重要环节，与课程体系、学科结构和教学改革等有着密切的关系，对培养大学生的工程意识和创新思维，以及动手能力和分析解决问题能力具有十分重要的意义。我校“工程材料力学性能”课程基本实验包括碳钢静拉伸，不同成分、热处理工艺对钢材力学性能的影响，金属的冲击韧性，金属的硬度，金属材料平面应变断裂韧性KIC的测定五个实验。这些实验比较适合金属材料、材料加工专业的学生，对于材料物理专业的学生来说，难以感受本专业特点。[2]因此，结合不同的专业特点，将“工程材料力学性能”课程的实验内容涵盖多个专业，分为必修、选修两部分。优化后的实验内容，不但可以增强学生的动手能力，还可以使不同专业的学生加深对自身专业的理解。比如，针对材料物理专业的本科生，可以开设纳米材料力学性能测试综合选修实验课。笔者结合自身的科研内容，制备一系列的纳米线及纳米薄膜材料，同时，材料科学与工程学院新引进的AgilentG200纳米压痕仪，可用来测量纳米材料的硬度、模量、应力—应变曲线等传统力学仪器不能测量的纳米材料的力学性能。该试验的开设，既使学生巩固了前期所修的“工程材料力学性能”课程，提高学生综合运用知识的能力，又拓宽了学生的视野，对纳米材料的力学性能有了更深层次的理解，为其后续的工作和科研奠定了良好的理论和实践基础。材料力学性能实验方法大都有国家标准，在实验教学过程中，教师除了传授最基本的操作方法外，还指导学生如何查找相关标准，对标准进行阅读，引导学生根据标准文件设计、实施相关实验，使实验操作真正做到有据可依，以期培养学生的工程规范意识。另外，针对教材标准滞后实际标准的现象，还介绍目前国内外最新标准，以其让学生了解最新的测试标准技术信息，同时还使学生对相关测试技术的发展有全面完整的认识，这对于他们将来的事业发展是非常有利的。[5]

五、优化考核方法，全面评价学生素质

传统的一张试卷定终身的考试形式早已不能满足现代素质教育、创新教育的需要。对此，老师采取了综合考核方法，从终结性教学评价模式向形成性教学评价方式转变。[6]综合考核方法中除了学生的期末笔试成绩外，还包括课堂提问、课后作业、实验成绩、小论文等多种评价手段。新的考核方式既锻炼了学生自主创新、知识综合运用的能力，又培养了学生查阅分析信息资料、收集分析数据和撰写科技论文的能力。此外，为了提高学生综合运用知识的能力，卷面考试有必要增加一些主观题。比如笔者在出考卷时，增加了一道综合应用题，内容是结合具体技术和方法，论述材料磨损的控制和防磨措施，从而要求学生将材料磨损的相关知识融会贯通，灵活运用。通过考核方式的改革，学生学习的积极性和主动性都大大提高。上述几个方面的改革探索，使学生能有效地掌握本门课程的知识，为后续课程和科研工作奠定良好的理论基础，同时为大学毕业生在将来实际工程中正确地选择和使用材料、改进材料性能以及分析材料失效行为等问题打下坚实的基础。