高校工程材料实验课程教学与考核方法研究
樊江磊 李莹 王艳 吴深 周向葵
[摘 要]如何适应当前工程教育认证的要求，强化基础知识，突出学以致用的知识应用能力和创新能力，是我国高等院校工程材料课程实验教学中面临的难题之一。课题组结合郑州轻工业大学的实际办学条件，对工程材料实验课程教学内容、方法以及考核进行了改革和实践。
[关键词]工程材料;实验教学;考核方法;教学改革
[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2021）05-0068-03
工程材料课程是机械设计制造及其自动化、能源与动力工程、车辆工程、过程装备与控制工程等本科专业必修的专业基础课，系统介绍了常见工程材料的成分、组织、结构和使用性能之间的相互关系，培养依据零部件服役特点和性能要求，选择适当工程材料的能力。该课程作为机械类及近机械类专业必修的专业基础课，具有教学内容冗杂抽象、原理概念繁杂难懂、理论知识和实践应用相结合的特点，同时受到教学课时减少和实验设备数量的限制，本课程的实验课授课难度较大，学生对本课程知识点的理解和应用能力都有待提高[1]。因此，如何充分地利用有限的教学时间和现有的实验条件，提高学生对课程教学内容的掌握程度，强化学生的基础知识应用能力和创新能力，是当前工程材料课程实践教学中面临的难题之一。
郑州轻工业大学原名为郑州轻工业学院，2018年更名为郑州轻工业大学，学校现有本科专业66个，其中5个专业通过工程教育认证。学校是教育部第二批“卓越工程师培养计划”试点高校。机械设计制造及其自动化专业是我校开办最早的本科专业，2003年获得硕士学位授予权，2008年专业所属的机械工程一级学科被评为河南省重点学科，2011年成为河南省特色专业，2016年获河南省普通高等学校专业综合改革试点，2019年获批河南省一流专业建设学科。郑州轻工业大学在本科专业办学和教育教学改革方面具有丰富的实践经验。学校机械设计制造及其自动化专业于2018年通过工程教育认证，在培养方案、教学方法和工程实践等方面进行了卓有成效的改革。课题组结合郑州轻工业大学的实际办学条件，以及笔者多年来在工程材料课程实践教学过程中积累的经验，对课程的实验教学内容和方法进行了改革和实践，以期能够更好地培养学生的创新和实践能力，为实验课程的教学改革提供参考和借鉴。
一、工程材料实验课程教学过程中存在的不足
在中国工程教育认证毕业要求通用的12条标准中，第1～5条标准（关于工程知识、问题分析、设计/开发解决方案、研究和使用现代工具）明确指出针对复杂工程问题的解决，合格毕业生需要具备专业知识应用、使用现代工程与信息工具、分析问题、设计解决方案、得到结论并合理分析等能力[2-3]。而实验课程的教学工作正是培养学生相关能力的平台。然而，工程材料实验课程存在较多的问题，导致教学效果不能很好地适应工程认证的要求。
（一）教学内容偏离专业特点
工程材料课程是机械设计制造及其自动化、能源与动力工程、车辆工程、过程装备与控制工程等机械类专业本科生必修的一门专业基础课程，承上启下，为进一步学习其他专业课程打基础，既是引导学生进入专业领域的入门课程，又是学生掌握基本专业知识的理论课程，更是培养学生理论联系实际、独立分析和解决问题能力的基础课程。其实验课程是实现抽象的基础理论与基体的实验现象相结合的关键环节，给予学生更为立体、翔实的感官认识[4-5]。笔者通过调研现有的工程材料实验课教材，发现现行的工程材料课教学体系存在较多问题，主要包括：（1） 课时少。为了在有限的学时内完成教学任务，将材料类专业学生所应掌握的知识进行高度压缩。（2） 材料专业痕迹明显。大多数的工程材料实验仍以材料专业的教学系统为主，教学内容主要包括金属学基本原理、钢的热处理原理与工艺，以及常用工程材料的分类、特点与应用等三大部分，未针对专业特点设置特色实验。（3） 专业特点不突出。机械设计制造及其自动化、能源与动力工程、车辆工程、过程装备与控制工程等不同专业的实验项目内容基本相同。当前，工程材料课程实验教学内容既没有强调合理对于本专业的重要性，也没有根据专业特点有针对性地强化学生选材、用材的基本能力。
机械设计制造及其自动化专业的毕业生，主要从事机械设计制造、科技开发、应用研究、运行管理等方面的工作，而工程材料的选择与加工是其必不可少的重要环节。可见，对材料科学方面的知识需求，从事机械设计方面的工程师与从事材料研发方面的工程师不相同。这种差别体现在需求的深度和侧重点上。材料研发工程师的主要任务是通过成分设计、组织调控及制备工艺设计，开发新型材料，因此其必须深入了解工程材料的成分、显微组织、加工工艺与其性能间的相互关系。而从事机械设计方面的工程师关注的重点是选择正确的材料，以满足机械零部件对材料力学及物理、化学性能等方面的要求。他们最应该具备的是与机械设计与制造紧密相关的工程材料方面的知识及其运用能力，在常识性地了解金属学基本原理、常见工程材料的特点与适用范围的基础上，更注重的是掌握各种零部件在不同服役条件下的性能要求及失效形式，选择既满足要求又经济实惠的工程材料，通过合理的选材用材提高质量，降低成本，产生经济效益。合理地设计和安排工程材料课的实践教学内容，对于锻炼学生合理选材、正确用材、选择加工方法并制订工艺路线的能力是十分重要的。
为了扭转当前实验教学的不利局面，完善学生在材料科学与工程方面的知识结构，提高专业背景下选择和应用工程材料的能力，适应工程教育认证的需要，亟须对工程材料课程实践环节进行教学内容改革。郑州轻工业大学机械设计制造及其自动化专业现行的工程材料课程总课时为44学时，其中理论教学课时为38学时，实验教学课时為6学时[1]。实验课程主要内容为铁碳合金平衡金相组织观察、钢铁材料的硬度测试、钢铁材料的热处理工艺制订与组织观察，以及合金钢、铸铁和有色金属等工程材料组织观察。该课程是面向机械制造及其自动化、能源与动力工程、车辆工程、过程装备与控制工程等专业设置的，涉及的专业种类多、学生数量大，而教师在授课过程中却忽略了各个专业的特点，各专业实验教学内容几乎相同。另一方面，该课程的实验教学总课时较少，大多数实验为验证性实验，实验内容与工程实践脱节，不利于学生应用知识和工程能力的培养。因此，工程材料实验课程现有的实验项目和内容已经难以满足“夯实专业基础，强化工程能力培养”的工程教育认证新要求，必须进行相应改革。
（二）实验教学方法呆板
工程材料课程属于机械类专业基础课，该课程从工程实践中发展而来，又直接服务于生产实践。该课程理论繁杂、工程背景多、实践性强，实验教学在整个课程体系中起着不可替代的作用。实验教学是锻炼学生分析、解决问题，提高学生工程素质，培养学生创新能力的关键一环，也是弥补理论教学与实践教学之间空白地带的有效形式[1， 6]。然而，目前的工程材料课程的全部实验是以传统的材料科学与工程实验体系为主线开设，虽然这些实验对学生理解、掌握基本理论和方法起到很重要的作用，但是依然没有突出专业的差别和工程能力培养的需求。
另一方面，工程材料课程涉及的内容既包括基本理论与原理，还包括大量工程材料的特点及应用。当前，工程材料实验课仍采用传统的“知识传授型”教学模式，所有的知识以课堂讲授为主，学生以听为主，简单地重复实验，整个教学过程缺少以学生专业特点为背景的知识点的整合。传统的教学模式导致学生难以主动地参与教学活动，主观能动性未能得到有效的发挥，造成了学生不会学、不愿意学的不利局面，难以达到应有的教学效果[6]。因此，如何才能让学生更好地学习相关专业知识，提高专业技能，是教学工作者必须面对的问题。改进教学方法是提高教学质量与教学效果的重要途径，工程材料课程实验课也需要从教学方法和授课形式方面进行改革。
（三）考核方式单一
目前实验课程的考核大多采用出勤和实验报告来衡量，不能很好地考查学生的知识应用能力和创新能力，不利于学生综合能力的培养和提高[7]。
综上所述，工程材料实验课程在教学内容、教学方法和考核方式上存在一些不足，需要根据专业特点进行改革。因此，本项目针对上述问题，结合实际教学活动，面向机械类专业本科生，在教学内容和教学方法以及考核方式方面进行探索，以提高工程材料课的教学效果和学生的工程实践能力。
二、工程材料实验课程教学改革
（一）教学内容的改革
为丰富工程材料课程实验教学内容，郑州轻工业大学机械制造及其自动化专业依据工程教育认证要求对工程材料课程内容进行了调整。把工程材料课程的理论课程与实验课程分开，调整后的实验课设置为工程材料及成形技术实践与创新课程，总学时增加到16课时。实验内容在原有实验基础上，增设了针对机械装备零部件的液态成形工艺及组织、缺陷观察与分析，焊接成形工艺及组织、缺陷观察与分析实验，以期锻炼学生的工程实践能力和综合分析能力。
（二）教学方法的改革
为了改善现有教学方法中存在的不足，在工程材料实验课程的教学实践过程中，要遵循“学生是教育教学活动的主体”的原则，并有针对性地进行相应的教学改革。
第一，采用问题导向教学方法。由工程问题引出实验目的和教学内容，从而引起学生的兴趣，吸引其注意力，提高学生参与、设计实验的积极性。实验课程的教学过程应不仅仅局限于实验原理的讲解和实验步骤的演示，可以尝试以问题为导向、以学生为中心[8-9]，引导学生针对所提出的问题找出解决方法、设计实验方案，并结合实验设备，解决该问题，使学生由被动实验、重复实验，变为主动实验、创新实验。以问题为导向的教学方法，把传统的以教师为中心转变为以学生为中心，在教师引导和启发下，使学生处于一种主动积极的学习状态，提高其学习效果。
第二，充分利用先进教学模式。现代化教学手段日新月异，授课教师可以借助虚拟课堂、网络辅助教学视频等，引入虚拟操作、教学动画、工程实例等[10-12]，通过图、文、声相互作用，增强学生的感性认识，让学生更好地理解和掌握相关实验的基本原理和实验过程。
第三，积极采用智慧教学。与传统的教学方式相比，智慧教学以更加多元、高效、开放的特点，促进教师与学生之间更加通畅、深入地交流，把课程预习、实验操作、考核以及教学效果的评价等融入智慧系统中[13-14]。利用智慧校園、智慧课堂等信息化技术和资源，开展教学活动，使学生在实验结束后，仍能够通过智慧教学系统进行相关内容的学习和讨论，从而使学生在任何时间、任何地点、基于任何设备都能获取所需教学资源，享受无处不在的学习服务的学习过程即所谓的泛在学习。
（三）考核形式改革
学生的学习效果，不能机械地根据一次考试成绩进行评价，学习效果不仅应包括课程相关知识的理解和掌握情况，还应该包含使用相关知识解决工程问题能力。所以，工程材料实验课程的考核，也不能仅仅依靠实验报告进行评价，而应该采用多形式、全方位的综合考核方式。
第一，实验报告内容改革。可以适当减少在实验指导书中显而易见的内容，例如实验目的、实验方法等内容。加强对实验原理、实验方案的考核内容，强化学生对实验思路的理解。增加多种实验方法对比、实验方案改进等开放性讨论内容，让学生在讨论中加深对基本原理的理解，提高学生分析问题、解决问题的能力。
第二，降低实验报告成绩在考核中的比例。降低实验报告成绩比例，增加实验过程学生操作能力、实践能力和创造性能力的考核，促进学生应用知识解决工程问题能力的培养。采用多种考核形式进行测评，可有效减少或消除因实验报告抄袭而造成的成绩评价不合理的现象。
第三，适当增加课堂测试。通过引入课堂测验的考核方式，强化学生实验操作水平和工程实践能力，同时提高学生的实验主动性，有效杜绝了一部分学生不做实验，抄袭他人实验结果的现象。
三、结束语
工程材料实验课程是促进学生应用知识解决工程实际问题的重要环节。以工科为主的高等院校，应积极开展实验课程的教学改革，不断地探索和完善人才培养方式，并以工程教育认证为契机，持续改进教学内容、教学方法和考核方式。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 吴深，樊江磊，高红霞.基于“卓越工程师教育培养计划”的工程材料与热处理教学改革探索[J].河南教育（高教），2017（4）：67-69.
[2] 范圣法，黄婕，张先梅，等.基于“产出导向（OBE）”理念的本科教学培养体系探究[J].教育理论与实践，2019（24）：6-8.
[3] 李擎，崔家瑞，杨旭，等.面向工程教育专业认证的自动化专业持续改进[J].高等工程教育研究，2019（5）：76-80+96.
[4] 安毅，程欣，章敏.钢结构设计课程实验教学的实践与研究[J].大学教育，2019（11）：54-56.
[5] 孟昭霞.实验教学在学生创新能力培养中的作用[J].现代大学教育，2018（5）：92-97.
[6] 樊江磊，王通，王霄.工科院校理论力学教学方法与考核方式的改革与研究[J].河南教育（高教），2016（2）：99-101.
[7] 杨莹，徐立，代靖华.互换性与测量技术课程多元化成绩评价体系的探讨[J].大学教育，2019（11）：66-68.
[8] 万爱莲.“以学生为中心”的大学课程结构调整：关系与误区[J].现代大学教育，2019（2）：101-109.
[9] 张安富.项目化教学是提高工程型人才培养质量的有效之法[J].高等工程教育研究，2019（3）：166-169.
[10] 靳玉乐，罗莎莎.高等教育中电子教学媒介的泛化现象及其治理[J].现代大学教育，2019（2）：95-100+112.
[11] 黄炯，叶伟巍，王茹佳.数字时代创业智慧培养模式研究[J].高等工程教育研究，2019（1）：171-177.
[12] 郑鲲，周晶，王卓峥.基于复杂工程的创新实践情境设计与评价[J].高等工程教育研究，2019（3）：170-174+194.
[13] 王薇，向洁，王卫东.高校开放式课堂教学研究：基于学生视角的实践问卷分析[J].现代大学教育，2018（2）：96-102.
[14] 蒋海云，温辉，金继承.创新型新工科人才培养大链的构建及实践[J].现代大学教育，2018（3）：103-110.
[责任编辑：钟 岚]
