新工科建设背景材料失效分析教学方法

摘要：在新工科建设背景下，为充分发挥专业认证的积极作用，结合“材料失效分析”现有教学内容、教学方式、教学团队建设和评价体系，从探寻与激发学生学习兴趣、科研能力和创新能力出发，在教学改革目的、教学改革内容和教学改革方法等方面对“材料失效分析”课程进行改革尝试和思考。

关键词：新工科；“材料失效分析”；教学改革；教学思考

“新工科”建设是基于国家战略发展需求的高等教育改革方向，强调对传统工科专业的升级改造，注重人才的全面发展和学科的交叉融合[1]。成都理工大学材料科学与工程本科专业作为得到中国工程教育认证的专业，为更好培养满足工程教育认证目标的专业工程技术人才，积极推动专业学科顺应教育现代化的潮流，应该对专业内各主要学科进行系统、持续地教学改革思考和建设[2-3]。“材料失效分析”是成都理工大学材料科学与工程本科专业金属方向的一门必修课程，是一门不断发展、多学科交叉的综合性学科，在对基础材料的制备、新材料的设计研发、安全生产培训、事件预防预测、事故责任认定等方面有着重要的科学意义和社会效益。该课程共2学分，32学时。在先修完“材料科学基础”“材料工程基础”“材料物理性能”“材料力学性能”“材料测试技术与研究方法”共5门课程后，该课程在大三第二学期开课。课程支撑了2个毕业要求，分别是指标点2-3，即能够应用文献研究和专业知识综合分析复杂工程问题和指标点4-2，即能够基于专业知识，针对材料设计与制备、材料应用过程中的复杂工程问题，选择合适的研究手段和方法。其课程的教学目标是通过讲授机械零件常见的失效形式、失效原因及失效分析的思维方法和技术，使学生掌握失效分析的基本知识，掌握应用文献研究和专业知识综合分析与判断失效形式、失效原因，并能够基于专业知识，选择合适的研究手段和方法，分析解决材料失效复杂工程问题和提出预防措施的初步能力。本文以“材料失效分析”这门课程为例，根据目前教学现状与存在的问题，从教学改革目的、教学改革内容以及教学改革方法等方面进行了思考[4]。

1“材料失效分析”教学现状与存在的问题

“材料失效分析”又被称为“金属界的福尔摩斯”，它是经过观察失效现象，根据失效模式，通过分析和验证，模拟重现失效现象，找出失效原因，挖掘失效机理的过程。所以“材料失效分析”的学习不只是单纯的理论学习，更应注重实际案例的解剖分析。然而长期以来，相当多高职院校在处理教学三要素（学生、教师、教学内容）的相互关系时主次不够明确。课堂作为学习场所应，是激起大脑风暴的地方，而实际中的课堂大多沉默寂静，不够活跃，教师过分强调自己在课堂上的主导作用，而作为课堂教学主体的学生往往不能被足够重视，教师与学生对教学内容缺乏有效交流；知识的传授往往局限于教材和教学课件，极少有配套试验和现实分析案例，使学生缺少对这门课程的感性认识，不益于学生对学习内容的直观了解，也不益于调动学生的学习积极性。更为重要的一点，高等教育在很大程度上强调自由学习与生活，这里的自由本应指氛围自由、思想发展、敢于批判、超越的一种学习生活状态，而相当一部分学生实际表现出的“自由”是行为自由、身体放松的一种享乐状态。究其原因可能是这些学生在高考前的学习生活中接受教师管束、家长监督，久而久之自身不具备学业规划和自主学习能力。而传统的考核制度仅限于对一些教材知识的考核，教师讲解和划定考试范围，给了学生临时抱佛脚的机会，学生更关注的是考试能否通过而不是掌握知识的程度，不能体现出教学效果。这些既存问题包括但不限于“材料失效分析”这门课程。在“新工科”建设背景下，为了符合国内高等教育不断提升人才培养目标要求，结合智慧教育时代下不断涌现的新技术，从本校现有教学条件出发，积极探索专业学科教学改革新出路[5-6]。

2教学改革的目标

教学目标是教学过程不可或缺的组成部分，体现了教学单位的育人理念。教学目标包括3个维度，分别是知识与技能目标，即“什么是值得学习的”或关于“是什么”的目标；过程与方法目标，即关于“怎样习得特定的知识与技能”的目标；意义与价值目标，即“通过此过程习得特定的知识与技能对学生有何意义”的目标。根据“新工科”建设背景的要求，明确教学主体，以学生为中心，以培养综合创新型人才为目的，结合本校现有教学条件和学生基础素养，制定了以下三维目标：①知识与技能目标。让学生在熟练掌握“材料失效与分析”课程知识的同时能够对失效分析产生浓厚的兴趣，并能达到一定的现实运用水平。②过程与方法目标。以课后实践分析作业为例，通过小组研究讨论，收集、共享信息，培养学生的信息搜集能力和解决问题能力，即在课堂学习基础上，通过查询学校图书馆资源、网络平台和专业书籍等途径完成对知识框架的梳理。③意义与价值目标。通过教师讲解、兴趣引导、小组合作、具体问题考核等方式，培养学生诚实守信、积极探索、互帮互助、敢于挑战的精神。

3改革教学内容

目前，成都理工大学材料科学与工程本科专业金属方向”材料失效分析“课程采用的主要教材是由哈尔滨工业大学出版社出版、刘瑞堂主编的《机械零件失效分析与实例》一书，补充教材为由北京机械工业出版社出版、孙智主编的《失效分析基础与运用（第二版）》一书和由机械工业出版社出版、胡美些主编的《金属材料失效分析基础与应用》一书。其中，主要教材的教学内容包括失效与失效学的背景、意义，机械零件失效形式及诊断，材料零件失效原因概述，常见失效形式及特征和诊断，失效分析的思路与方法，裂纹与断口分析，材料、设计、工艺等因素引起的失效等。教材通过失效分析的基本知识和常见失效形式的规律、失效判据及诊断技术，失效分析的思路和处理问题的程序、方法及裂纹断口和材料冶金因素的影响，系统地介绍了机械零件的各种失效形式、失效原因及失效分析的思维方法和技术。不足之处是书中虽有大量的理论知识和描图实例讲解，但是缺少真实图例，使学生对具体实例的分析缺少直观的认识。同时注意到，本课程共32学时的理论课程，实验课程的学时为0，这就意味着学生对课程内容的认知完全依赖于教材，这样很难达到对知识的理解，更不用说运用复杂工程问题和提出解决方案。再者，本教材内容共有8个章节，分配在32学时完成教学，则每个章节只有4学时的教学时间，前面提到失效分析是一门交叉性的综合类学科，涉及到的理论知识多且杂，教师很难在这么短的时间内将教学内容讲解得细致完备，学生也很难将抽象的理论知识学习透彻。根据以上几点，提出如下教学内容思路：①侧重点。“材料失效分析”综合性较强，需要大量的理论知识提供支撑，且教材内容繁杂，理解记忆难度较大。教学过程中应适当删减部分教学内容，突出侧重点，由易到难、由浅入深讲解，让学生深刻理解失效分析的基础理论知识，分析思路与方法。②做实操。实验是一种直观的教学手段，通过实践操作可以帮助学生理解理论知识。相对于枯燥、抽象的理论知识，它可以使学生更轻易地掌握教学内容。因此拟对课程内容侧重点进行改变后，增加8学时左右的实验课程。③加实例。对于有些实验，若现有教学条件达不到，可以通过图像、影视、文印等演示形式向学生展示一些工程作业中的实际案例。

4改革教学方法

4.1分组讨论结合读书指导法

该法是一种具体的、综合性的实施方法，其内在意义是将教学的理论知识链接到小组任务中。学生们分组选题，根据查阅教师推荐的图书、期刊、文献，经过组内讨论研究，最后对具体问题作出汇报或讲解。例如，学生分组讨论“曲轴疲劳断裂失效”这一问题，通过对断裂失效曲轴的案例图片的研究，观察分析断口宏观形貌，对断裂面做出工图描述和应力分析；查阅资料，找到最初裂纹源，分析失效原因，是材质不良还是加工不当引起的失效；针对原因对制件做出改善提案，如何尽可能避免同一问题再次发生以及预防预测其他问题；最后组内选定一名学生进行汇报。这种教学方法可以改善传统讲授法教师过分主导课堂教学的局面，使学生积极参与到课堂教学内容的学习和思考中，将教学方式从教师主动“教”向学生主动“学”转变。而且这种教学方法可以锻炼学生的学习和分析能力，学生通过完成一系列小组课题，经过信息收集、知识梳理、问题分析等过程，既系统地梳理了知识体系，又提高了其分析问题、解决问题的能力。

4.2多媒体教学法

“材料失效分析”是紧密联系实践的课程。但因现实教学条件的限制，学生没有直接接触工程问题的机会，所以，多媒体教学在教学内容的补充方面就显得尤为重要。值得注意的是，多媒体教学手段已经覆盖了高校几乎所有课程，但是如何利用好多媒体进行教学是个值得仔细思考的事情。多媒体教学不是教学内容的平铺直叙，应意识到形式是服务于内容的，所以教师在制作或选取多媒体课件的时候应当考虑课件是否简明扼要、突出重点；是否能够引起学生对问题的思考，而不是单纯进行理论知识陈述；是否能够图文搭配合理，字体字号协调；是否过分花哨，使学生难集中注意力。同时应当将板书和多媒体课件结合起来，合理调节教学节奏，避免学生沉迷于课件形式。激励学生积极参与到课件的制作过程和操作过程中，会极大改善课堂效果，学生参与意识空前高涨，对学习到的知识自然会记忆深刻。

4.3网络教学平台法

随着网络信息技术的快速发展，网络成为人们交流沟通、协同工作、共享资源的重要平台。在2020年新冠疫情爆发期间，全国范围内网络教学兴起，学生可以在中国大学MOOC、超星学习通等网络教育平台搜索到大量免费学习资源。由于学生们对学习内容的接受程度不同，有些学生也不愿意线下请教教师学生，这就可能导致教学效果参差不齐，因此教师可以提前上传教学课件，学生可以提前预习或课后对不懂的问题进行重点学习。充分利用网络教学资源，既可以节省搜集学习资料的时间，又可以极大提高师生之间的交流。

5改革考核方式

课程考核是课程教育的重要组成部分，是检验学生对所学课程知识的掌握程度以及运用能力的手段，也是衡量教学效果的标准[7]。考核方式分为闭卷、开卷、口试、文献综述、调查报告等方式方法。一般必修课程的考核方式为“平时成绩+期末成绩”的加权得分，其中期末成绩是主要部分；选修课程侧重考察平时表现，也有“平时成绩+期末成绩”的模式，其中平时成绩占比例更高。传统的考核方式例如“材料失效分析”的闭卷期末考核，由于学科特性，用于分析的理论知识偏向记忆性，这就给了学生考前突击、临时抱佛脚的机会，他们只需在期末取得高分数就可以通过考试。而这些短期突击记忆得来的内容，浮于表面，达不到教学要求。蔡元培在1917年北大就职演讲中说：“平时则放荡冶游，考试则熟读讲义，不问学问之有无，惟争分数之多寡；试验既终，书籍束之高阁，毫不过问，敷衍三四年，潦草塞责，文凭到手，即可借此活动于社会，岂非与求学初衷大相背驰乎？光阴虚度，学问毫无，是自误也。”由此看出，这种平时不学，最后突击的学习方式不是特定时期的问题，它长期存在于各个高校的各个学科。为了改变或者改善这种局面，真正培养学生，除了对教学内容、方法进行改革，考核制度的革新也至关重要。以“材料失效分析”课程为例，根据学科特性、教学现状以及教学内容、方法改革后的预期效果，提出如下改革思路：①调整期末考核内容。期末考核应重点突出学生对于问题的思考，考核内容摒弃对教材内容的直述，出题时紧密结合实际问题。②调整课程考核模式。结合教学内容、方法改革，适当降低期末考核权重。按照“平时+小组汇报+实验操作+期末考核”模式考核，其中平时成绩包括出勤、课堂问答等，占25%；小组汇报占20%，实验操作占25%，期末笔试考核占30%。

6总结与展望

通过对“材料失效分析”课程的教学内容、教学方法和考核内容的教学改革，有效提高了学生的学习效率、积极性和参与感，也极大提高了教师的教学效率。但教学改革是一个持续、发展的过程，在后续的教学实践中，还要积极发现问题、提出对策、解决问题，努力推进教学水平全方位、多层次的发展。鼓励学生积极参与课题研究和线下实习，产研结合、创新发展，为培养高素质的社会人才贡献力量。

参考文献：

［1］吴爱华，杨秋波，郝杰.以“新工科”建设引领高等教育创新变革［J］.高等工程教育研究，2019（1）：1-7，61.

［2］高晓新.工科背景下化工过程分析与合成课程教学改革：评《化学过程工艺学》［J］.中国科技论文，2021，16（5）：582.

［3］高吉成，刘晶晶，李大玉.基于工程教育认证背景下的材料类学科基础课程教学研究：以《材料科学基础》为例［J］.当代教育实践与教学研究，2019（8）：69-70.

［4］孙红亮，杨康，朱德贵，等.翻转课堂在《材料失效分析》教学中的实践探索［J］.高校实验室科学技术，2019（2）：1-2.

［5］张有凤，孙剑桥，李崇桂，等.《材料失效分析》教学方法的研究与改革初探［J］.上海工程技术大学教育研究，2014（2）：16-18.

［6］秦镜，齐亮，徐星星，等.新工科建设背景下的《材料失效分析》课程教学改革与实践［J］.教育教学论坛，2020（5）：176-177.

［7］顾宁，范兴培，王长林.生物制品学教学改革思考［J］.生物工程学报，2021，37（7）：2563-2570.

作者：何秦川 贾若男 单位：成都理工大学材料与化学化工学院