浅议工程材料课程教学与大学生自主学习

巩前明姚可夫邵 洋朱宏伟刘 源张华堂吴运新　张 弓朱张校.清华大学材料学院　北京　00084 2.清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室　北京　00084 3.清华大学先进成形制造教育部重点实验室　北京　00084 4.清华大学机械工程系　北京　00084 .清华大学航天航空学院　北京　00084 .清华大学国际交流与合作处　北京　00084



浅议工程材料课程教学与大学生自主学习

巩前明1,2,3姚可夫1,3邵 洋1,3朱宏伟1,3刘 源1,3张华堂5吴运新6张 弓3,4朱张校1
1.清华大学材料学院北京100084 2.清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室北京100084 3.清华大学先进成形制造教育部重点实验室北京100084 4.清华大学机械工程系北京100084 5.清华大学航天航空学院北京100084 6.清华大学国际交流与合作处北京100084

摘要：在初步分析工程材料课程特点、教师教学现状和学生学习阶段特点的基础上，结合自身的教学经历，粗浅地探讨了引导、激励学生自主学习的必要性和可行性。其中，通过教师引导学生学会课堂总结、恰当利用多媒体资讯、结合教师自身科研拓展学生视野、改革和完善评价机制等方式激励学生自主学习尤为重要。通过教与学的改革，有理于全面培养学生的科研素养和综合素质。

关键词：工程材料课程；自主学习；多媒体教学；评价考核机制

工程材料是一门专业基础课，它主要介绍材料的成分、组织、性能和应用之间的关系。要求学生学完这门课后不仅掌握一些材料科学的基础知识，全面了解工程领域常用到的工程材料，更重要的是让学生学会利用学到的知识分析零件的失效机制，从而学会合理选材、设计加工工艺等。因此这是一门增强工科学生基本素养、培养学生解决工程实际问题的重要课程。尽管各个高校采用的教材不同，教学的偏重点也不同，但这门课的一个共同特点是内容繁多、教师授课难度大，学生掌握起来也不容易。尤其是经过高考指挥棒下培养的学生习惯性地只关注学习内容与考试重点、考试成绩之间的关系，这个根深蒂固的惯性在大学课程学习里也总是时常出现。而工程材料这门课要求掌握的知识点非常多，如果仅以考试为导向，仅仅依靠老师的课堂教学，这门课很难学好，学生必须培养自主学习的精神和自主学习的能力，这在业界也已形成共识[1-4]。

1　工程材料课程特点

尽管工程材料课程的教学要求简单明了，即需要学生掌握一定的材料科学的基础知识、全面了解工程材料，并学会选择和利用工程材料；但涉及具体的教学内容，则十分繁杂。以清华大学所采用的教材为例，前两章以金属材料为主线，以铁-碳合金为对象，介绍了金属材料的微观结构、结晶、热处理的基本原理及相应热处理工艺。随之在后续的5章里分别介绍了金属材料、高分子材料、陶瓷材料、复合材料和功能材料及新材料。在此之后，进一步介绍了零件的失效分析与选材原则、典型工件的选材及工艺路线设计，最后落实到了工程材料的应用。从宏观上看，课程内容的逻辑性还是比较清晰的，但实际上，教材里的内容或多或少涉及材料科学基础、金属学、热处理原理、热处理工艺、高分子材料、陶瓷材料、复合材料、功能材料、表面工程及不同专业的机械设备等课程(如化工机械设备)等，这样使得工程材料这门课至少具有以下几个特点。

1.1 内容繁多 知识点多 但局部内容的内在逻辑关系弱

每一个章节可能就是完全独立的知识点或学科分支，不利于教师组织教学，也不利于学生自学，因为不易前后联系总结归纳，这不同于数学或物理，整本书的内容衔接一般较严密。

1.2 内容宽泛但不深入

每一章的内容如果从最基本的物理、化学基础开始构建，这门课的深度可能会提高，但不可能包容在这一门课里面。因此这门课在大多情况下只是介绍了结论性的基本规律，学生容易感到知其然而不知其所以然，如果在教学中不能很好地把握理论深度，则易导致学生将其归为科普课。

1.3 不可或缺性

在清华大学，这门课是机械大类的平台课。汽车、热能、机械、精密仪器、航空航天等专业学生的必修课。对机械大类的学生而言，不管以后从事工程工作还是从事应用基础研究，材料都是最基本的元素，是信息或功能的最基本的载体。因此这门课具有不可或缺性。

工程材料这门课的特点决定了它不易成为受学生欢迎的课程，这不仅与这门课的教学现状有关，也与需要选修这门课的学生自身所处的学习阶段有关。

2　工程材料课程教学现状与本科生学习阶段特点

不同高校的教学侧重点不一样，不同教师的授课风格也有一定的差异，但总体来说，这门课的教师授课面临新时代的挑战。目前的教学现状既有进步的一面，也有让人担忧、亟须改进的一面。如以清华大学的工程材料教学为例：现在大家都采用很多多媒体技术，包括动画、视频、网络互动等教学手段，可激发学生的学习兴趣；采用双语教学，这样更有利于学生进一步深造时易于与国际接轨；设计并开发了新的实验教学内容，如从力学性能测试开始，全面检测金属材料的硬度、成分、微观结构，让学生在实践中学会分析材料成分、结构与性能之间的关系；开发实践教学课堂，如清华大学工程材料课组会组织学生现场参观汽车碰撞实验室、航空发动机实物展、生物材料快速成型实验室等，拉近了课堂与工程的距离，让学生有更多的感性认识的机会。这些都是积极、有益的，但目前的课程教学也面临一些问题，如教材的更新需加快，因为新材料的发展日新月异，新材料相关的各种网络信息对学生而言都唾手可得，教材的内容往往滞后很多，如中国当前的航空航天、航海技术、国防相关的部分材料发展已达国际先进水平，这在教学中如何实时体现出来？教师在组织课堂教学时，如果不善于挖掘知识点、与理化基础知识结合，不善于设问、引导的话，不仅让学生兴味索然、感觉课程浅显无味，也达不到激发学生课后自主学习的目的。而实际上很多知识点不仅有内涵，而且可以用学过的知识尝试解释。如热处理基本原理中的“C曲线”为什么有个小“鼻尖”？碳含量与残余奥氏体含量关系的内在原因是什么？这些问题是可以激发学生深入探讨的。

还有一个必须重视的问题是工程材料教学在某种程度上也体现了教师本身的素养和积累。国外这门课与国内类似，更重视实践性，上这门课一般是在大二下学期或大三，上这门课的教师一般都是科研突出的教授，他们将科研前沿与这门结合起来，不仅能拓展学生的知识面，更重要的是激发学生的学习兴趣，这可能也是当前不足或需要进一步加强的地方。

从学生的角度看，选这门课的学生大多为处于大二下或大三的学生，他们大多刚刚修完高等数学、力学等逻辑严密、且以解题水平为考核依据的课程，一下子转到内在联系相对松散且与做数学题风格迥异的课程里，学生很难适应。曾有学生就认为这么课没有着力点，不知道从哪儿下手。另一方面，进入高年级后，学生的学习习惯和成绩排序相对稳定，导致容易出现两极分化，一部分学生能迅速调整学习方法，积极自主学习，这在课堂教学中互动过程能充分展示。也有一部分继续局限于做数学题的思路，直到期末也进不了状态，只好仓促记诵，成绩不理想、学习效果也不好。所以这时更需要教师的帮助，引导学生尽快走到自主学习的道路上。

3　大学生在工程材料课程中自主学习的必要性和可行性

叶圣陶先生说：教育就是要培养习惯[7]。那培养什么样的习惯？自主学习无疑是最重要的品质或习惯。自主学习出自施尔曼闻名于世的认知学习实验，即认知范式理论，这一理论要求学习者作为一个积极的参与者出现，学习不是机械的记忆信息，而是理解信息的过程。自主学习通常是指主动、自觉、独立的学习，它与被动、机械、接受式学习相对[5,8,9]。它既受智力因素的影响，也受非智力因素的影响。从宏观上看，大学教育的人才培养目标应该定位在培养学生成为具有“独立思考能力和实践应用能力”的人，应该让学生“学会做人、学会学习、奠定基础、掌握技能”[4]。具体到工程材料的教学，由于课堂时间的限制，教师不可能在课堂上讲全、讲透所有的知识点，而且教材中很多知识点的介绍也是简单一带而过，没有课外的补充学习，是不可能掌握知识点基本原理和内在联系的。

教材的更新肯定跟不上材料的发展速度，而且当今信息渠道广泛，有利于学生迅速获得最新的资讯。因此无论从教师教学还是学生自身学习的角度看，都必须大力培养学生的自主学习的习惯和能力。

尽管高考选拔机制导致学生考上大学后，尤其是考上比较理想的大学后往往失去目标，将人生里一个小的节点当成了奋斗的终点，缺乏人生规划与学习生涯的规划，缺乏学习的内在兴趣与动力，缺乏自主学习与研究的主动性与能力，但经过教师的引导和一定的培训，这个自主学习能力是可以提高的。首先是最基本的信息搜索能力和总结提炼能力[5,6]。一般高校都开设了文献检索课程，学生们可以利用数字图书馆的各种数据库查阅信息，这可与开放的互联网互补，但自主学习能力培养的可行性不止于技术层面的培养，更多的应该是教师在课堂教学中有意识地引导，帮助学生培养高效、积极的有针对性的自主学习习惯。

4　结合课堂教学与引导自主学习

对于工程材料的课堂教学，业界也已形成了很多共识，如注意教学语言的提炼[1]、启发思维、激发兴趣、注重创新、联系实际等[2]。孔子在二千多年前就意识到启发思维的重要性：不愤不启，不悱不发[2]，也就是大家一致认同的“授人以鱼不若授人以渔”，也就是让学生学会学习。但具体到工程材料的课堂教学，则见仁见智，笔者仅以自身粗浅的体会抛砖引玉，以期有益于培养学生的自主学习能力。

4.1 在课堂教学中注意总结教学内容的内在逻辑性

如在讲授材料的基本性能到结晶知识点以及将结晶、塑性加工、热处理等几个知识点串联起来时，尝试从矿石的源头开始，以控制组织结构为主线，将它们从逻辑上有机串联起来(如图1、图2所示)，尽管不十分严谨，但有利于启发学生自己学会总结归纳，自己从书本上找到逻辑关系。这样不仅有利于它们复习相关知识点，也有利于启发他们的宏观思维，学会高屋建瓴地分析问题。

图1　结晶相关知识点逻辑关系示意图

图2　从控制组织结构的角度串联三个知识点示意图

4.2 与时俱进 充分利用各种资讯和多媒体手段

使用多媒体的目的一方面是使得基本原理更清晰明了；另一个目的则是激发学生自主学习的兴趣。但需要在应用过程中有选择地将多媒体与课程的知识点有机结合起来，隐喻其中而不是哗众取宠。如本人在讲授热处理时曾尝试从武侠世界中兵器特性讲到我国热处理的发展历史，尤其是三国时代对淬火工艺的深刻认识，同时结合收集的一些科学视频内容(如图3所示)加以编辑，穿插设问，引入知识点，启发同学分析，取得了了较好的教学效果。学生不仅迅速掌握了知识点的核心，而且有些学生还尝试写了小论文，如柳XX同学写了《古代铁质刀具探微》、徐XX同学写了《中国古代钢铁热处理技术》、蒋XX同学的《浅析日本刀》等，这些小论文尽管没有发表，但在这个过程中同学们的自主学习的兴趣和能力都大大提高了。在此过程中学会了查阅资料、收集信息和利用所学知识分析问题，这都是可喜的进步。

图3　视频资料与课程知识点的结合

4.3 结合自身的科研 拓展视野 激发学生对本专业的认识

当前高校都强调教学应该和科研相结合，将科研的成果转化为教学资源，这有利于把学生迅速带进一定科研领域的最前沿，有利于拓宽学生的国际化视野，也有利于激发学生对自己的专业探根求源。笔者主要研究方向之一为碳纳米管、石墨烯的应用研究，在介绍铸钢铸铁这一节里，笔者从碳原子的结合方式穿插介绍了非晶碳、石墨、富勒烯、碳纳米管乃至最新的石墨烯。介绍了这些新材料被发现的过程、可能应用的领域和最新的研究进展，也结合自身的研究课题，探讨了一些技术关键和科学问题。尤其是石墨烯偶然被发现的过程及该研究获得诺贝尔奖的背景故事对学生的触动很大，使学生们认识到了科研深邃严谨但也有平凡的一面。更重要的是改变了中小学以来一直训练的以解题为终极目的的教学模式。让学生们体会到科研不单需要严谨的逻辑思维，更需要来自多学科、多领域交叉带来的灵感。以此为契机，鼓励学生结合工程材料所学的知识，对自己专业领域或自己感兴趣的领域进行调研，探索该领域里所用工程材料的最新发展趋势。学生们在大量查阅文献的基础上也总结撰写了小论文，如刘XX同学的《手机外壳材料分析》、王XX同学的《从高技术铁路发展看铁路用钢的现状和未来》、史XX同学的《汽车材料的探索与研究》、马XX同学的《浅谈燃气轮机叶片》等，都写的有一定广度和深度。尤其是一位学生结合工程材料课程中关于失效分析、选材的知识，剖析了“泰坦尼克号”遇难的内在原因，较好地体现了这门课的教学效果。

4.4 完善和改革评价机制 激励自主学习

因为工程材料课不同于数学、物理，不是一类题型一种解法，而是需要将整个的知识串起来分析问题、解决问题，需要学生在教师课堂教学之余大量阅读和实践，自主学习应占有相当的比例，所以对应的对学生学习效果的考核和评价也应该调整和完善。

评价体系具有教学改革的导向功能，可以推动或阻碍教学改革[4]。对于学生，既然给了他们自主学习的选择权，对应的考核就需要考查学生是否阅读了有关参考文献、教材和参考书，是否有自己的新观点、新方法等，这不仅可以在小论文、大作业中体现出来，也可以在课堂讨论中体现出来，需要教师认真鉴别并作为平时成绩的一部分评分。当然，布置习题作业也是体现教学效果、检验学生对关键知识点掌握与否的重要手段，但对于自主学习占一定比例的教学，学生的最后成绩绝不应仅仅限于期末考试的卷面成绩，而是平时课堂讨论、课外小论文、大作业、小测验等的综合评估。这些需要不断调整修改，从而构建相对完善和科学的评价体系，有利于引导学生自主学习，更重要的是潜移默化地培养学生的独立思考、创新思维和自主学习等重要的科研素质。

事实上，美国一些名校的课堂上，教师的授课本身不一定都非常精彩，但他们非常注重教师授课、学生自学、独立思考与实践、师生和学生之间的交流讨论等的结合，这样非常有利于全方位培养学生的科学素养。我们也应该取他山之玉，改革教与学，从激励自主学习开始，培养真正的高素质人才。

5　总结与展望

工程材料这门课尽管很重要，是工科学生的基石，但内容繁杂、知识点多但不够深入，所以教师授课难度大，学生也很难掌握。尤其是对习惯以解题为学习目标的低年级学生而言，必须调整学习方法，大力开展自主学习，才能真正从材料成分、结构和性能之间的关系基础上，全面了解工程材料、学会选择和利用材料。教师在教学中也应该调整授课方式，引导学生总结知识点的内在逻辑关系。教师应结合自身科研优势，变科研经历为教学素材，善于有选择地利用多媒体信息资源，将概念和问题融于其中，并基于自主学习改革评价、评分机制，从引导、激励学生自主学习，在工程材料教学的平台上培养优秀的科学素养。

参考文献

[1] 郝竞.工程材料教学中启发性语言的应用[J].科技咨询,2010(18):210.

[2] 李召华,吕勤云,杨萍.提高工程材料教学质量的探索与实践[J].考试周刊,2012(74):174.

[3] 梁克炳.工程材料教学中创新思维能力的培养[J].科技广场,2011(11):221-223.

[4] 杜长冲.试论大学学习特点及学生自主学习能力的培养[J].科技信息,2012(36):467-468.

[5] 杜颖,宁德斌,王莹.大学生自主学习能力影响因素分析[J].教育科研,2013(1):327-328.

[6] 钱澄澄.高校学生信息素养及自主学习能力亟待加强[J].科技文献信息管理,2013(1):52-54.

[7] 赵延宁.让“自主学习”变为课堂的主旋律[J].科技信息,2013(3):204-205.

[8] 胡艳丽.唤起学生主体意识的尝试[J].信息教研周刊,2013(3):110.

[9] 邸亚丽.倡导自主学习培养学习能力[J].信息教研周刊,2013(3):83.

A Brief Discussion about the Relationship between Teaching of Engineering Materials and Self-Directed Learning by Undergraduates

Gong Qianming1,2,3,Yao Kefu1,3, Shao Yang1,3, Zhu Hongwei1,3, Liu Yuan1,3, Zhang Huatang5, Wu Yunxin6, Zhang Gong3,4, Zhu Zhangxiao1
1. School of Materials Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084, China 2. State Key Laboratory of New Ceramics & Fine Processing, Tsinghua University, Beijing, 100084, China 3. Key Laboratory of Advanced Materials Processing of Ministry of Education, Tsinghua University, Beijing, 100084, China 4. Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084, China 5. School of Aerospace Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084, China 6. International Cooperation and Exchange Office of Tsinghua University, Beijing, 100084, China

Abstract:Based on the analyses of the characters of Engineering Materials, current level of teaching, learning features of undergraduates at certain stage and teaching experience, the authors discussed the possibility and necessity of leading and inspiring self-directed learning for undergraduates. Generally, it is possible to cultivate good scientific quality for undergraduates by training students to figure out the intrinsic logic relationship among different key points by themselves, explaining complicated concepts in textbooks by means of multimedia references, encouraging self-directed learning with well designed homework assignments and modifying evaluation and examination rules.

Key words:engineering materials course; self-directed learning; multi-media teaching; evaluation and examination rules

作者简介：巩前明，博士，副教授。姚可夫，博士，教授。

收稿日期：2015-07-02