构建《机械工程材料》高效课堂的几点建议

王清周,闫殿然,孙继兵,武建军

(河北工业大学材料科学与工程学院,天津 300130)

构建《机械工程材料》高效课堂的几点建议

王清周,闫殿然,孙继兵,武建军

(河北工业大学材料科学与工程学院,天津 300130)

本文针对《机械工程材料》教学中存在的具体困难和不足,结合教学实践对如何提高《机械工程材料》的课堂教学效果提出了一些实用的方法和建议。

教学效果;学习兴趣;多媒体;实践;课堂演示

《机械工程材料》是机械制造与设计类专业的技术基础课,是制定选择材料及制定热加工工艺的重要依据。学习本课程的目的是使学生对金属材料的化学成分、组织结构与性能之间的关系及其变化规律建立比较系统的理论基础,从而掌握强化材料的几种手段、掌握合理选用金属材料、选择热加工工艺、安排工艺流程的基本知识,基本技能。该课程具有“三多一少”的特点,即内容头绪多(含金属学与热处理工艺、金属材料、非金属材料等),原理规律多(涉及原理规律几十个),概念定义多(涉及概念定义三百多个),理论计算少(除相对量计算外,基本没有计算的内容)[1]。另外该课程大量涉及材料的微观结构,内容抽象、繁杂而难于理解和掌握。庞杂的课程内容与有限的授课学时形成明显反差,给教学带来了困难。因此,教师如何利用有限的时间,提高课堂教学效果,使学生很好地掌握、理解该课程,是一个值得探讨的课题。笔者根据自己及同行的教学经验和教学实践,总结了一些教学方法,愿与各位同行教师共同探讨。

一、讲好绪论课,激发学生的学习兴趣

绪论课是一门课程的开端,而“良好的开端是成功的一半”,讲好绪论课对于整门课程的学习都将会有事半功倍的效果。爱因斯坦曾经说过:“兴趣是最好的老师”。著名物理学家杨振宁亦说过:“成功的真正秘诀是兴趣”。可见,学生在课堂中的学习兴趣是构成学习动机中最现实、最活跃的成分,讲好绪论的首要任务就是要成功激发学生对本门课程的学习兴趣。绪论的讲述可以从冶炼的历史及我们的祖先在金属材料使用和热处理方面的杰出贡献讲起,如可列举秦始皇兵马俑二号坑出土的青铜剑,介绍其不可思议的铬盐氧化处理工艺(青铜剑表面竟涂有一层厚约10微米的氧化膜,其中含铬2%。这种铬盐氧化处理是近代才掌握的先进工艺)及青铜剑所具有的令人瞠目结舌的韧性(青铜剑被陶俑压弯超过45度,当150公斤重陶俑移去后依然能够反弹平直、自然还原)[2]。还可告诉学生我国是最早生产铸铁的国家,比欧洲早2000多年,汉朝时热处理就达到了相当高的水平,有“水与火合为淬,清水淬其锋”之说。借助这些史料说明我们的祖先早已认识到金属材料的性能与其成分、工艺流程及其结构之间的密切关系。通过这样的讲述,学生们会马上对这门课程充满兴趣,并可激发起他们为了改变我国当前材料科技落后于发达国家而努力学习的斗志,在这种状态下去教学,自然可取得良好的效果。

二、抓住主线,融会贯通

教材明确指出:“通过本课程的学习,学生必须掌握材料的化学成分、组织结构、性能、应用及热处理方法之间的关系及其变化规律,并具有根据实际情况,正确合理选用工程材料的初步能力”。材料的化学成分及热处理办法决定了材料的组织结构,而组织结构决定了材料的性能,进而性能又决定了材料的用途。其中热处理导致组织的变化是教学中的重点与难点。在教学中对整门课程的内容进行细致分析与归纳,时时不离“化学成分+热处理→组织结构→性能→应用”这条主线,把看似知识点凌乱的各章节有机结合起来,帮助学生理清头绪,将所学知识融会贯通。只有这样学生才能轻松而又扎实地真正学好这门课程,领悟到本课程知识的本质,收到事半功倍的教学效果。

三、开发多媒体教学

为了适应当今机械类本科人才的培养,随着《机械工程材料》课程所设计的内容增多,课堂教学学时的减少,传统“黑板+粉笔”的教学形式在很大程度上已经不能完全满足教学的节奏和教学内容的实施,也难于达到课程教学大纲的基本要求。这样教师在教学中可能会只挑选重点而忽略掉非重点内容,进行不完整教学;或是一味加速教学进程,所讲知识点浅尝辄止,这样并不能使学生真正掌握多少内容。另外随着材料科学的迅猛发展,许多新型材料逐渐在机械行业里涌现出来,教学内容若仍然仅仅停留在以往的金属材料方向上,已不能满足培养新时代机械专业本科生的要求。对于新型材料,绝大多数的学生几乎没有任何的感性认识。正是上述原因,使得机械工程材料课程更加难讲难学。对此各高等院校在本课程建设和教学改革中已获得了一定的成功经验,普遍开发了多媒体教学,即充分利用和开发各种现代化教学设备,集成文字、声音、图形、影像、动画等多媒体技术,使教学立体化,流动化。这样不仅增加了课堂教学的信息量,使得在有限的时间内教学质量和效率得到了明显的提高,而且能够加深学生对课堂内容的理解,提高学生的学习兴趣。例如在讲金属的晶体结构时,对于抽象的空间立体结构,学生普遍反应很难想象,通过多媒体技术配以动画,可将金属的各种晶体结构清晰地展现在屏幕上,可使抽象、复杂的内容变得可视化、形象化,从而可取得良好的教学效果。

四、重视课堂演示实验的作用

《机械工程材料》这门课中,一些基本概念和规律都具有非直观性的特点,以往的抽象讲述,常导致学生对理论不理解,甚至听不进。因此,教学中尽可能想办法进行一些演示性实验,这对于提高学生的学习兴趣很重要[3]。如讲到金属结晶的过程时,由于金属或合金不透明,无法直接观察其结晶过程,学生由于缺乏直观认识对于形核和核长大两个过程的交替进行似懂非懂。考虑到晶体都有共同的结晶规律,教师在讲述这部分内容时可借以观察其他透明物质如盐类晶体的结晶,来帮助学生了解金属结晶的过程。例如,在玻璃片上滴一滴饱和的氯化铵溶液,然后放在投影仪上同学生一起观察它的结晶过程。随着液体的蒸发,结晶首先从液滴的边缘处开始,逐渐向中间扩展。结晶的第一阶段是在液滴的最外层形成一圈细小的等轴晶体,然后以这些等轴晶为核心开始向各个方向生长柱状晶。那些向液滴中心生长的柱状晶由于容易及时得到液体的补充,发展较快。晶体除了向液滴中心生长外,在垂直于柱状晶主轴的方向上还会长出二次、三次晶轴,形成了典型的平面柱状树枝晶。随着结晶过程的进行,最后在液滴的中心部位形成不同位向的等轴状树枝晶。铸锭的结晶过程和组织与此实验非常相似。通过这样一个演示性实验,可使学生在课堂上注意力高度集中,在饶有兴趣之中加深了对金属结晶规律及一些重要概念的理解。教师在教学过程中通过这种边讲授理论知识,边通过实验演示的方式,使课堂教学由教师传递信息为主的过程变成师生共同对信息再加工、接受的过程。这样可极大增加学生的感性认识、激发学生的学习兴趣,同时可把书本知识和实际事物联系起来,使学生比较牢固地掌握住课本中的基本理论和规律,教学效果可得到明显的提高。

五、加强实践环节

本门课程除了如前所述的“三多一少”的特点以外,其各章、节的内容虽有共同的金属学方面的理论基础,但彼此之间又具有较大的独立性,如“工业用钢”、“铸铁”、“有色金属”等都是各为一章,成分、组织与性能都各不相同。尤其是“工业用钢”涉及到了大量的钢种,每种钢种又各有其独特的特点,这对于本科生来讲,感觉内容之间似乎联系不大,较难推理与掌握。该门课的另一特点是,教材内容所涉及的自然科学方面的理论都有较强的实践性及工业技术背景。这对于初学材料的大学生来讲,由于他们缺乏对材料方面的感性认识,普遍感觉对内容难以想象。金工实习是工科学生一个重要的实践环节,但金工实习实际大多只是涉及机械加工部分,而忽略了材料和热处理部分。对此笔者所在学院在学生们学习本门课程之前,在他们的认识实习中刻意安排了金属材料及热处理方面的实习内容,同学们通过实地参观与考察金材的各种热处理方式、制成零件的具体过程,对本门课程有了一个基本的感性认识,这就可以使学生们在学习这门课程的内容时容易掌握所学知识,觉得不抽象,而又记得牢固,从而获得了极佳的教学效果。

六、引用实例激发学生的学习兴趣

著名心理学家皮亚杰曾说:“青少年的好奇心不完全取决于一个东西的物理特性,而要看它和主体的过去经验的关系如何。”也就是说,学生对贴近自己生活和经验的内容更易产生兴趣。因此,教师上课时应灵活地多引用一些学生们所熟悉的实例,把所学知识直观化、实用化、兴趣化,以刺激他们的学习兴趣和求知欲望。比如讲到选材问题的时候,可穿插讲述巨轮“泰坦尼克号”的沉没之谜[4]。电影《泰坦尼克号》估计学生们都已看过,在课堂上老师重提此事并从材料学角度去科学分析,学生们自然充满兴趣。20世纪初远洋客轮“泰坦尼克号”,除了极尽豪华外,还进行了单独密封,根本不会漏水。当时专家估计,即使发生不测,如两船相撞,客轮也只是会单间漏水,而且至少要过两三天才会沉没,因此该船号称是“不沉之船”。然而正是这样的一艘巨轮却于首航沉没于冰海,成了20世纪令人难以忘怀的悲惨海难。船为什么会沉学生们都很好奇。科学家从材料学角度回答了这一问题,“泰坦尼克号”采用了大量高硫钢板,这种钢板在低温时脆性很大。“泰坦尼克号”撞击冰山后导致钢板发生了脆性断裂,海水大量涌入,致使巨轮迅速沉没。通过讲述这样的生活中的实例,学生们饶有兴趣,并会马上意识到选材的重要性。这对于激发学生对这部分专业知识的强烈求知欲将大有裨益。

七、考核方式的改进

《机械工程材料》课程的传统考试方式存在严重弊端,比如在很多学校学生的总成绩都是由平时成绩加期末考试卷面成绩组成的。而考试题目则主要是由名词解释、填空、选择、原理阐述及Fe-Fe3C合金相图等需学生死记硬背的片面知识点组成,学生为了应付这样的考试而背诵的都是相互独立的“点”,没有通过理解而连成“线”,对知识的相互关系、相互影响及如何应用所学知识解决具体问题,学生并没有掌握,而这些恰恰是本课程教学的主要目的之所在,也是学生进入实际生产环节,当面对如何选材、如何设计工艺路线时所必须掌握的技能。要想达到这样的教学目的必须对现有课程考核方式进行大胆改革和尝试。比如可在现有考试形式上加上实践环节的成绩,鼓励学生在实践中真正开动脑筋,充分利用学过的知识解决实际生产中的问题。另外也可采用“一纸”开卷的形式进行考试,允许学生在一页纸上将他们认为最重点的内容记下来考试时参考。学生在做这样的准备时实际上进行的是对本门课程的理顺、总结与归纳,这样对学生抓住本门课程的主线,真正将所学知识融会贯通很有帮助。

总之,“教学有法,但无定法”。在《机械工程材料》这门课程的教学实践中,教师应采用灵活多变的教学方法,注意激发学生的学习兴趣,在师生的共同努力下必能取得令人满意的课堂教学效果。

[1]崔占全,高聿为,赵品,荆天辅,付瑞东.工程材料课程教学改革措施及成效[J].教学研究,2005(4):341～343.

[2]尤芳,靳红玲.《机械工程材料》课程教学方法初探[J].中国科技信息,2008(6):248～249.

[3]谢春生.浅谈《机械工程材料》课程教学效果的提高[J].华东船舶工业学院学报,1999(5):79～81.

[4]刘新妍.如何提高学生对《机械工程材料》课的兴趣[J].文化教育,136.

Several Advices for Construct ing Efficient Class in Teach ing the Course ofMechanical Eng ineer ingMater ials

WANG Qing-zhou,YAN D ian-ran,SUN Ji-bing,W U Jian-jun

(School ofMaterial Science and Engineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300130,China)

In view of the actual difficulties and shortages in teaching the course ofMechanical Engineering Materials,combining the teaching practice of the authors some practicalmethods and advice are proposed in this paper for the enhancement of class teaching effect.

teaching effect;learning interest;multimedia;practice;class demonstration

G424

A

1674-7356(2010)01-0029-04

本课题得到河北工业大学精品课程建设经费及教学改革立项重点项目(编号07008)与09年一般项目的资助。

2009-10-15

王清周(1978-),男,博士,河北工业大学副教授,主要从事金属材料及金属基复合材料方面的科研与教学工作。