“问题设计”：提高工程材料课堂效率的金钥匙

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摘要： 工程材料是机械大类专业学科基础课程，该课程知识点knowledge points多且杂，涉及的概念及原理多，是一门理论及实验均极强的课程。本文利用“问题式教学”，教师主导设问，学生主动提问，唤起学生积极思维，激发学生学习兴趣，提高学生分析问题和解决问题的能力，从而提高提高工程材料课堂效率。问题设计形成了以材料的组成、组织演变为理论基础，以实用工程材料选择为目的的教学过程。

关键词：问题式教学；工程材料；组织

《工程材料》是机械类专业的一门专业基础课，理论性和实用性较强。内容涉及到大量的概念和术语[1]，大多较为抽象，不易理解，学生学习时感到比较费力。笔者在教学实践中运用“绪论入手、实例着手、启发举手、教师动手、学生练手”的“五手”方略，使课程的学习效果得到较好的提高。随着工程材料课改的推进[2]，能力的培养应该贯穿于整个工程材料课堂教学中。

一、工程材料 “问题式教学”的内涵

所谓“问题式教学”是指在课堂教学中，教师和学生以“问题”为中心，来展开教学活动的具体方法和活动形式[3]。工程材料学科“问题式教学”是通过创设问题情境引发学生认知上的冲突，进而引导学生运用一定的策略，使原有的工程材料知识经验、技能结构得以改善，从而达到更高水平的教学行为[4]。

二、《机械工程材料》中“问题式教学”的实施必要性

《机械工程材料》是一门以机械工程应用为背景，理论性和实践性都很强的课程。该课程教学存在的问题是：课程内容头绪多，涉及材料微观结构、材料性能、材料应用、新型工程材料及金属学与热处理工艺等，学生负担重[5]；概念、名词术语繁多学生容易混淆；原理规律多，理论计算少（除利用杠杆定律计算平衡相的成分、重量百分比外，基本没有计算的内容），学生不适应；大量涉及材料的微观结构，内容抽象、繁杂学生难于理解和掌握；教学过程中过于拘束于传统材料科学的理论的完整性和逻辑性，在较大程度上造成了教学内容的膨胀与有限学时之间不可调和的矛盾[6]；传统的“注入式”教学方法使学生处于被动地位，压制了学生的好奇心和创造性，进而使之失去学习兴趣[7]。

“问题式教学”的核心是以问题为中心组织教学材料，而不是以传统教材为中心。打个比喻说，带着学生看相同的风景时，看的方式变了，看的顺序变了，学生能找到新鲜感，通过问题激起学生的主观学习动机，又能从中产生解决问题的思想和方法，使复习课不在枯燥无味！

三、《机械工程材料》中“问题式教学”的实施策略

在教学中要始终贯彻“组织和结构决定性能，性能的改变通过组织改变”这一理念。做到分合相继，变分散为集中。如在讲解晶体结构部分时，从三个常见的晶体结构，联系到钢的同素异构转变，再引申到钢在常温、高温的性能（塑形）比较。这样，将一个抽象的理论（组织）与常识性的实际（性能）联系起来，使学生深刻的认识到“组织”的重要性，激起学生对“组织”研究的兴趣，实际上也是教会了学生研究材料的方法。因此，《机械工程材料》中“问题式教学”的主线以“组织决定性能，性能的改变通过组织”这一理念。“问题式教学”的实施策略框图如图1所示（以参考文献3为分析对象）。在图1中，包括四部分，（1）组织结构主要有第二章、第三章和第五章内容，组织结构决定性能；（2）材料性能主要有第七章、第八章和第九章，性能的改变通过组织改变；（3）组织改变主要内容第六章和第十三章，主要讲热处理和表面技术；（4）材料的选用主要内容为第十四章，材料选用主要由前面三部分决定。通过这个线索，可以将《工程材料》问题连接起来。

图1实施策略框图

“一条主线、两张基本图、三种材料性能与应用、四种热处理”材料的化学成分、晶体结构、金相组织和性能之间的关系及变化规律贯穿于本篇各章节之中。一条线即材料的化学成分、晶体结构、金相组织和性能之间的关系；材料成分不同，性能必然不同，成分相同，采取不同的工艺手段， 也可改变材料的晶体结构和金相组织，从而改变材料性能。这些关系可通过下述两问题的展开， 利用表格的形式而加以论证。

两张基本图即铁碳合金相图和过冷奥氏体等温转变曲线图（分别简写为fe-fe3c相图和“c”曲线）。可从不同角度出发以下面三种形式给出，让学生填写。（1）给出钢号、温度，确定组

织；（2）给出钢号、组织， 确定处理温度；（3）给出处理温度、组织，判断钢号。

三种材料性能与应用即钢、铸铁和有色金属的性能与应用。工程材料篇的学习目的之一就是掌握各种材料的特点以及合理选用。合理选材的关键在于钢种的判断，也即牌号的记忆，学生普遍感到头痛。碳钢、铸铁、有色金属的牌号都有明显的特点，易于记忆。但合金钢因其性能各异， 类别较多，易于混淆。因此， 必须找出规律。这个规律就是先看含碳量范围， 再看合金元素种类及含量。

四种热处理退火、正火、淬火和回火。退火、正火、淬火和回火是热处理中最常见的四种方法。它集中体现了材料成分、组织结构、性能及热处理方法之间 的关系， 反映出外因通过内因而起变化这一深刻哲理， 热处理的三个阶段是加热、保温和冷却， 其内部组织结构变化就是在这三个阶段中完成的。运用两张图，可确定在加热和冷却过程中的组织变化， 根据组织， 就可知该种热处理的用途。“四把火”的特点及应用如表3所示。

通过“组织和结构决定性能，性能的改变通过组织改变”这一主线，结合以上个表与图，可以将《机械工程材料》中问题组织起来，解决《机械工程材料》教学中繁杂、抽象的难题，提高教学效率。每一门学科最主要的是传授给学生一种属于本学科的思维方法和学科魅力，让学生为之陶醉，这是教学希望实现的境界。

参考文献：

[1] 叶宏，李晖，郑章耕.《工程材料》课程建设与改革的探讨[j].重庆工业高等专科学校学报，2004，19（4）：97-98.

[2] 于艳丽，胡凤翔.工程材料及热处理.北京理工大学出版社，2008年8月第一版.

[3] 王章忠.机械工程材料.机械工业出版社，2010年1月第二版.

[4] 王章忠，张祖凤.《工程材料》课程的改革与实践[j].大学教育科学，2004， （1）：57-59.

[5] 魏德强，王荣，薛兴，恽志东.《机械工程材料》课程教学改革的探讨[j].湘潭师范学院学报，2007， 29（4）：183-185.

[6] 雷卫宁，李仁兴.改革《工程材料》课程教学提高学生综合分析能力[j].江苏技术师范学院学报，2004，10（4）：78-83.

[7] 张俊，罗伟.《材料工程基础》教改[j]. 广东化工，2004，38（3）：198-200.