新工科背景下“材料成型原理”课堂教学模式改革

习小慧 王金亮

广东海洋大学机械与动力工程学院

来源：社会科学理论与实践，第4卷第3期，2022年6月出版。投稿信箱ssci@ssci.cc。

DOIhttps://doi.org/10.6914/tpss.060410

摘要：“材料成型原理”是材料类专业课程体系中的核心专业课，是学习后续专业课程的重要基础。本文结合“材料成型原理”课程的特点，从该课程的课堂教学、实践教学、考核评价体系等多方面进行改革，提升材料成型原理课程的教学质量和教学效果，激发学生的学习兴趣，提高学生自主学习、主动探索的创新能力，以期培养适应新工科建设背景下要求的创新型和应用型人才。

关键词：材料成型原理；新工科；教学改革

基金项目：广东海洋大学高等教育教学改革项目（PX-131223325，PX-131223650）

为了应对新一轮科技革命与产业革命的战略行动，2017年2月以来，教育部积极推进新工科建设，先后形成了“复旦共识”、“天大行动”和“北京指南”，全力探索形成领跑全球工程教育的中国模式、中国经验，助力高等教育强国建设[1]。在新工科建设的大背景下，高校教育更强调学科的实用性、交叉性与综合性，新工科人才应该具备较强的工程实践能力、创新能力和国际竞争力，是能够引领未来技术和产业发展的高素质复合型人才。

在材料类专业人才的培养过程中，作为专业基础核心课程之一，材料成型原理将材料成型理论与工艺融为一体，综合介绍各种材料成型技术的基本原理、工艺方法和技术要点。通过该课程的学习，能够让学生掌握材料成型过程中凝固成型、焊接成形、塑性成形过程的基本原理技术，从而掌握材料成型缺陷的预防措施，使学生对课程中涉及的原理技术有较为深入的理解，扎实该领域的基础知识，为后续专业课的学习打下坚实的理论基础。通过知识传授和能力培养的相互渗透，使学生能把握材料成型过程的共性，熟悉材料成型特点。因此，探讨材料成型原理课程的教学模式，培养学生运用材料成型基本原理分析实际生产问题的能力，对丰富本科专业课程教学及改革的内容、深化材料成型及控制工程专业教育教学改革具有重要意义。

本文拟从新工科的视角，结合材料成型原理课程的教学实践，针对目前材料成型原理传统课程教学体系和教学方法存在的不足，对新工科背景下的材料成型原理课堂教学模式改革进行探索，以期对提高教学质量具有一定意义。

一、材料成型原理课程教学存在的问题

（一）教学内容有待优化

传统材料成型原理课程主要包括液态成形理论基础、连接成形理论基础、金属塑性加工力学基础和塑料成型理论基础。而每一篇中又包含液态成形、焊接、塑性加工力学计算等诸多内容。可见，材料成型原理课程教学内容多而复杂，且涉及面广。但是，培养方案规定该课程仅仅有48学时课程教学。如此短的时间内，需要讲授如此多的内容，这无论是对教师的教学，还是对学生的学习，都是比较大的挑战。为了提高课程的教学质量，有必要对其教学内容进行梳理优化，以更好地突出重点内容。例如，液态成形理论基础中，重点讲授液态成形中的流动和传热，液态金属的凝固形核及生长方式，合金的凝固以及铸件凝固组织的形成与控制，简单介绍特殊条件下的凝固。在连接成形理论基础中，学生重点掌握焊缝及其热影响区的组织和性能以及焊接过程中复杂的化学反应，会利用所学基础理论分析焊接过程中易产生的缺陷以及采取恰当的防止措施，简单了解特种连接成形原理及方法。金属塑性加工力学是本书中的重点内容，但是由于该部分内容理论性较强，对于将来从事模具行业的本科生来讲，实际应用性较差。所以，在讲授该部分内容时，要求学生重点掌握应力、应变空间，塑性和屈服准则，并会利用屈服准则对材料的屈服行为进行简单分析。了解本构方程和金属塑性成形解析方法。

此外，要加强材料成型原理课程各章节间的联系。由于材料成型原理各个篇章相对独立，学生感觉章节之间好像没有联系，导致学习起来相对吃力。我们应该用一个主线将课程内容联系起来。在介绍完绪论后，让学生对材料液态成型和塑性成形有宏观概念，它是两个相互关联的前后联系的过程，液态成型的成品中含有的缺陷和成形状态直接决定了后续的塑性成形过程。而焊接过程实际上也是液态金属熔化又凝固的过程，因此和第一篇章内容相关，但是唯一的不同是凝固过程是一小部分体积凝固，凝固过程的应力状态和形成的缺陷均有差别。

（二）学生学习兴趣有待提高

学生的学习兴趣受多种因素的影响，其中有些因素是存在于课堂外的。随着科技的发展，电子产品以及伴随着的附加产品（如游戏、动漫、影视、直播等）日益增多，大大吸引了学生，将学生的兴趣引向电子附加产品，而严重丧失了对课本学习的兴趣。这直接导致课堂中学生拿手机玩游戏、看直播的现象泛滥。

材料成型原理是材料专业的基础核心课程，由相对独立的四部分组成，分别是液态成形理论基础、连接成形理论基础、金属塑性加工力学基础和塑料成型理论基础，有若干概念、原理、机理所构成。课程内容多、信息量大、抽象、理论性较强。想要掌握本课程，学生除了需要具备材料专业的工程材料基础或金属学与热处理课程的基础知识，包括Fe-C相图、二元合金的凝固以及塑性成形等，还要求学生对课程内容有提纲挈领性的整体掌握，并建立前后知识点间的联系。由于部分学生工程材料基础或金属学与热处理课程的基础知识薄弱，刚学习材料成型原理课程时难度较大；而且，本课程每一独立篇章内的内容又是相互衔接，前边的知识内容理解不透彻，将导致学生对后边的知识理解难度加大，因此逐渐失去了对材料成型原理的学习兴趣。

材料成型原理课程是大三上学期的课程，学生经过前两年的学习和了解，对本专业的就行形式持有悲观态度，对来校招聘的企业不满意，对将来的就业环境不满意，失去学习本专业课程的兴趣。有的学生会自行选修其他专业的课程学习，或者有的学生在学校自行创业，不愿意学习本专业课程。

（三）教学方法有待改革

材料成型原理课程涉及内容广泛，涵盖了凝固、焊接、材料成型力学、塑料成形等多方面知识。课程内容共14章，但是受到专业课学时的限制，只有48学时（理论+实验）的课程安排，致使学生学习该课程的学时较少。因此，如何在短时间内将课程知识传递给学生，并让学生能够消化重要知识点，增强学生的主观能动性，是材料成型原理课程的教学关键。

此外，材料成型原理是一门和生产实践结合紧密的课程，可用于指导生产实践。但是，由于两者之间的思维方式差别较大，想在课堂中建立两者间的直接联系较难。而且，传统教学手段单一，没有将生产实践案例较好的引入材料成型原理课程的学习中，往往使学生学习枯燥、乏味，难以满足新工科背景下应用型人才的培养理念。本门课程的学习，除了掌握基本理论知识外，更重要的是能应用所学理论知识解释生产实践中的现象，并能够解决实际工程问题，建立基本的工程思维方式的能力。因此，如何在课堂教学中培养学生主动学习和主动探究的能力，是一个值得深入探讨的问题。

（四）考核体系有待完善

针对材料成型原理课程教学，传统的考核方式一般包括平时成绩和期末试卷成绩，分别占比30%和70%。其中，期末试卷的考核内容主要是课堂讲授的知识点，重点关注学生对基本概念的记忆[2]，基础理论知识的理解以及塑性成形过程的力学计算。平时成绩的考核主要关注学生的出勤率和平时课堂作业的上交情况。然而，材料成型原理课程是服务于实际工程生产的课程，在新工科背景下，学习该课程的目的应该是使学生掌握用专业理论解决实际生产问题的方法，培养学生独立思考、独立解决问题的能力。传统的考核方式会促使学生在临近考试的一周时间，利用短期突击方式瞬时记忆课程知识点，应付考试。而且，在日常上课过程中，学生也只是保证出勤，并不能保证课堂听课质量。这样导致学生仅仅是考试期间熟记了考试知识点，无法做到对所学知识融会贯通，并应用于生产实践。因此，材料成型原理课程的传统考核方式存在诸多不足。在新工科背景下，为了培养创新型、实用型人才，必须对传统考核方式做出改革。

二、新工科背景下生产实践知识在教学过程中的重要作用

材料成型原理是服务于生产实践的一门核心专业课，教学过程应该与生产密切相连。学生学习过程中没有充分感受到所学课程与生产实践的关系，这也是学生学习兴趣下降的一个原因。针对此问题，教师在该课程的教学过程中，如何让学生认识到课程的重要性，以及学好该课程对于自己将来的职业发展的益处是至关重要的。生产实践知识是让学生通过理论知识认识生产实践的重要桥梁，是学生认识社会的重要知识体系。通过生产实践知识的学习，学生一方面可以将理论所学知识进一步巩固，加深理解；另一方面可以让学生充分了解所学知识在将来的社会实践工作中的用处，增强学生学习主动性、兴趣的同时，培养学生学习的主观能动性。此外，生产实践知识的传授有利于培养学生的爱国情怀和工匠精神。目前，与欧美一些发达国家相比，我国在工业和科技上尚有一定差距。例如，我国的精密加工技术与德国还有一定差距，芯片的制造技术也是制约我国科技发展重要瓶颈问题。这些技术存在差距的一个主要原因是工匠精神的缺失。在授课过程引入一些大国工匠的生产实践案例，让学生有所感，有所想，逐渐培养对本专业的热爱，提高对未来职业发展的自信心和自豪感。

三、新工科背景下的课程教学方法改革

（一）教学内容改革

由于材料成型原理课程的内容比较繁杂，特别是塑性成形力学部分相对抽象，课堂教学上必须抓住主干，突出重点，才能化难为易。可将该部分内容概括为掌握6个方程（应力张量分解方程，应力平衡微分方程、应变与位移关系方程、应变增量方程、塑性条件方程和塑性应力应变关系方程）、三个方法（求解塑性变形力的工程法、滑移线法、上限法）。推导基本公式时，注重讲清思路，过程则不要求；对有些涉及较多数学及力学知识的内容，只在关键地方做必要提示，便于学生理解，而不必步步推导，有利于学生注意力集中。在每章开始前设置提要，以便学生一目了然掌握章节重点内容；每章结束进行归纳总结，以利于学生抓住主干，方便复习巩固。

强化理论联系实际，增加扩展现场实际生产内容，可以以多媒体或者MOOC的方式呈现。例如，金属凝固过程，枝晶生长过程以及焊接过程均可以以多媒体形式呈现，提高学生学习兴趣的同时，提高学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。此外，根据课程内容和实训中心沟通，为学生增加实训环节，例如砂型铸造和焊接，以及焊接后缺陷的观察以及质量检测等，增加学生对生产过程的直观认识。

（二）案例教学法

案例教学具有工程实践性和趣味性，使枯燥的理论知识具体化、形象化，便于理解和掌握。它对学生的认知水平、分析问题的能力、研究问题的能力、解决实际问题的能力都有明显的提高作用，同时有助于发展学生的创新能力和培养学生的团队协作精神[3-4]。例如，讲解铸件凝固组织的形成与控制中，可引入电影《指环王3》中精灵公主为阿拉贡铸剑的片段，讲述宝剑的铸造过程，引发学生学习兴趣，然后再引入铸件凝固过程不同组织的形成过程，加深学生理解。讲解铸件中树枝晶的形成过程，可引入自然现象中雪花的形成过程，通过播放雪花形成过程的视频，让学生更加直观的理解铸件中树枝晶的形成，从而引发学生思考，去进一步探究树枝晶形成背后的机理。

（三）实践教学内容的改革

加强实践教学环节的建设，提高学生分析问题和解决问题的能力[5]。传统的实践教学过程都是按部就班地依照理论课程设置实验内容，多为演示性的[6]，让学生通过模拟软件观察铸造过程以及塑性成形过程（如轧制和冲压），综合设计型实验和研究创新型实验较少，实验内容单一，不能培养学生综合能力及创新意识。因此，为了培养学生的工程实践能力和创新意识，鼓励部分学有余力的学生加入教师的科研项目中。例如，让学生参与钢种成分的设计以及铸造和轧制工艺的制定，并对经过不同工艺处理的样品进行组织观察，建立工艺和组织间的关系。将课堂所学知识与实践相结合，巩固课堂所学知识的基础上，掌握钢铁材料的组织观察技术。此外，还可以让学生参与教师科研中力学性能的检测中，具体包括拉伸性能和冲击性能。学生可以自主进行不同材料的拉伸实验和冲击实验，总结力学性能数据，结合课程中的应力应变知识分析不同材料的塑性变形特征。

此外，将理论课程和实验课程实现有效结合。传统的材料成型原理实验教学模式存在理论性强、实践性弱，造成该课程的实验教学缺乏对学生动手能力、分析问题及解决问题能力的培养。例如，传统材料成型原理实验教学中“铸造过程组织观察”实验，学生基本看不到铸造过程，只是直接对铸件进行组织观察，相当于重复进行了一次金相实验课。学生缺乏对铸造冷却过程的直观认识。因此，在材料成型原理的课程改革中，应该增强对学生动手能力的培养，让学生自己操作，加深理解和兴趣。

（四）案例教学与翻转课堂耦合式教学

“翻转课堂”是让学生在课堂外自主学习知识，再在课堂中内化知识的教学方式[7]。在课堂外，学生带着教师所给布置的任务有目的地进行自主学习，并记录下自己在自学过程中遇到的问题；在课堂内，学生针对自己所学向教师进行汇报，教师根据学生的学习情况进行答疑，归纳总结呈现出课堂所学的知识脉络。针对材料成型原理课程，基于授课对象是材料类专业学生，所以我们在选择案例的时候要和本专业切合。案例教学和翻转课堂的耦合教学模式举例如下：

章节名称：液态金属的凝固形核

教学目标：掌握凝固热力学原理，会对比分析均质形核和异质形核的临界形核半径和临界形核功

根据教学目标，我们选择如下案例：以炼钢过程为例，纯Fe静态凝固过程临界形核半径和临界形核功的计算，不锈钢凝固过程临界形核半径和临界形核功的计算，对比分析两者的异同。

将案例发布给学生，同时发布以下任务，引导学生学习本章节知识点。

任务1：从热力学角度分析液态金属的形核条件？

任务2：从表面能和体积能分析均质形核的条件，并推导出临界形核半径公式。

任务3：从表面能和体积能分析异质形核的条件，并推导出临界形核半径公式。

任务4：对比分析均质形核和异质形核的相同点和不同点。

在课堂中，让学生回答所列任务点问题，教师针对学生回答进行归纳总结答疑，完整呈现出所涉及的课程知识点。

在这个过程中，学生的认知过程是从理论到实践，再从实践回归理论的过程，最终实现了学生对课本知识点的充分吸收和消化，显著提高课堂教学效果和学生自学能力。

（五）开放式互动教学

在教学过程中，充分调动学生的积极性也是提高教学效果的有效途径。开放式互动教学不仅能够增强学生的求知欲，使其从思考、准备、讲授等学习过程中获得乐趣、自信与成就，而且还可以让学生根据自己的能力选择最有利的方案，有利于学生进行自我设计，扩宽知识面，提高发现问题和独立解决问题的能力。具体实施如下：教师首先在上课前可优先提出问题，让学生分组讨论，然后每组派代表讲解本组的观点和方法，最后教师进行综合点评。学生通过主动参与，深刻体会和掌握所学知识，并运用到实践中去，充分体会到克服困难，协同攻关、收获成果的喜悦，从而极大限度地调动学习积极性，培养参与意识，启迪和开发创新思维。

英国哲学家约翰曾说过，在压抑的思想环境下，禁锢的课堂氛围中是不可能产生创造性思维火花的。在教学中，教师的首要任务是营造一种生动活泼、民主平等的教学气氛，使学生性格开朗、兴趣广泛、思维活跃、富有创造气息。理想的开放式的课堂教学，必须确立：民主化师生关系的建立，学生主体地位的确立与教师角色的转变，教师要学会倾听、沟通、尊重，学会向学生学习。

（六）构建以创新创业促教的教学模式

构建以创新创业促教的教学模式，在针对本科生实施教学活动过程中，不仅要传授专业理论知识，传承文明，还要培养学生探求未知以及创新创业的能力。首先，让学生参与到与课程相关的科研项目中，让学生了解本专业前沿科技和研究难点。其次，将科研设备应用到材料成型原理课程的实验教学中，让学生深入了解专业理论知识，同时加强动手操作能力。最后，让学生参与相关教师的项目，动手做实验，总结分析实验数据，并以此为依托参加创新创业类比赛，提高学生学习的主动性和积极性，并在从事科研过程中培养学生的自主思考、自主创新的能力。此外，创新创业促教的教学模式培养并不一定限制于学生上材料成型原理课程的时间节点，课程结束后，学生可继续进行科研项目的研究，并以此作为毕业设计题目，这将大大增加学生学习的主动性和积极性。

此外，我们要注重学生素质和能力的培养。大学教育不仅仅是简单的专业知识灌输，还应该培养学生的个人素质和学习能力。在教学中不要要求学生死记公式和条文，而是注意循序渐进，适当引导，使学生既能进行数学推导、计算，又能掌握基本概念、基本原理及一些生产实践的基本应用，让学生学会自主学习方法，结合生产实践去理解理论知识，这样可以较好地培养学生独立分析问题、解决问题的能力。例如讲解Mises和Tresca屈服准则时，如果只是一味地讲解公式和数学推导，学生必然埋在复杂的公式堆中而茫然不知所措。数学和公式只是一个工具，应该要去学生学会利用屈服准则去分析材料拉伸过程中的屈服问题，将理论知识与自己之前所学的力学性能以及拉伸实验相结合。这样学生在有一定的前期基础知识的前提下会更容易理解屈服准则的内在含义。

（七）改进课堂考核机制，建立全过程课堂评价体系

加大平时课程的考核力度，考虑学生在学习实践过程中的各个环节，消除对最终考试成绩等知识掌握最终评价指标的依赖性，建立学生学习过程的全方位评价。将平时成绩比例由30%提高至40%，除了常规的出勤情况、平时作业纳入平时成绩外，还要充分考虑对学生进行过程与方法、实践与态度的评价，如表达与交流能力、自学与思考能力、与老师的沟通能力等。其中，常规的出勤情况、平时作业占比20%，过程评价占比20%。全过程评价需要从学生的课前预习、课堂互动、课后交流等方面进行评价。全过程评价体系的建立可以让学生充分真正地融入课堂中，让学生有真正的参与感和较强的体验感，而不仅仅是坐在讲台下的一个被动的接受者。这不仅有助于教师和学生之间建立一种良好的关系，还可以很好地锻炼学生的整体素质。

期末考试占比60%，主要侧重材料成型原理基础知识的考查。然而，目前的考试方式是考试前老师画重点，学生按照范围复习，即使平时不认真听讲的学生也能顺利通过考试，这一现象严重打击了部分上课认真听讲的学生的积极性。因此，在考试试题的设置上，必须将试题的灵活性、多变性及综合性体现出来，让学生能够活学活用。可适当建立试题库，并在试题库中的试题要灵活运用所学知识，将理论知识与生产实践相结合，避免艰涩难懂的公式计算。考试的目的是正确引导学生全面掌握所学知识，为毕业论文以及设计提供理论基础，同时增强对从事本专业相关工作的适应能力。

四、结语

材料成型原理是材料类专业必修的主干课程，在新工科背景下建立新型的教学体系已势在必行。通过对课堂教学、实践教学和考核方式的改革，调动和激发学生学习的主动性和积极性，为学生奠定坚实的专业理论基础，同时培养学生创新意识，不断提升教学质量，是新工科建设下培养创新型人才的重要途径。

参考文献

[1]张丽, 姜月秋."新工科"背景下应用型大学建设路径浅析[J].福建茶叶, 2020, 42(3): 400-401.

[2]周莉.航空工程材料的教学分析[J].中外企业家, 2019, (33):139-139.

[3]田良, 袁九毅. 高校环境规划与管理专业中的案例教学[J]. 高等理科教育, 2002, (1): 69-72.

[4]王德运, 王林珠, 徐德义. 基于创新能力培养的非参数统计课程案例教学研究[J]. 大学教育, 2020, (1): 98-100.

[5]李惠, 焦雷, 芦笙,等.《金属材料学》创新性课程的建设与实践改革[J]. 产业与科技论坛, 2014, (21):140-141.

[6]张佳, 吴炜, 樊湘芳. 材料成型原理课程教学改革的探索[J]. 中国教育技术装备, 2013, 000(018):92-93.

[7] 林娟庄, 金洪. 案例教学与翻转课堂耦合式教学的探索与实践[J]. 福建教育学院学报, 2021, (4):88-90.