Инновации и проблемы в курсе «Материаловедение и технология конструкционных материалов»

Аннотация

В статье рассмотрены инновационные подходы по изучению основных разделов курса и в, частности, при освоении железоуглеродистых сплавов. Предложены методы интенсификации с применением интерактивных методов обучения и контроля знаний.

Полный текст

В последние годы в условиях рыночных отношений и необходимости создания новых машин и конструкций в различных отраслях промышленности соответствующих мировому уровню, значительно расширяется номенклатура материалов с повышенными требованиями к прочности, жаростойкости, коррозионной и химической стойкости. При эксплуатации выбранные конструкторами и технологами материалы подвергаются разнообразным эксплуатационным нагрузкам, поэтому при изучении материаловедения и технологии конструкционных материалов должны более детально раскрываться современные, признанные в научной практике механизмы разрушения материалов. В настоящее время для большинства направлений подготовки бакалавров и магистров области техники и технологий предусмотрен единый курс «Материаловедение и ТКМ» со своими компетенциями с учетом профессиональной направленности. Вследствие резкого уменьшения учебных часов на данный курс и в связи с тем, что он затруднителен для понимания студентами с их современным компьютерным мышлением из-за его сложности, описательности и многословия имеются определенные проблемы. Проблема изучения материаловедения и ТКМ заключается в обеспечении студентов знаниями и умениями: 1) по выбору оптимальных материалов, что до недавнего времени в учебном процессе решалось описательными курсами материаловедения (сведения о существующих и новых разрабатываемых и внедряемых материалах; о структурных превращениях, сопровождающих термическую обработку при температурах значительно более высоких, чем температуры, возникающие в деталях машин при их эксплуатации); 2) по определению способности материалов увеличивать срок эффективной и функциональной работы промышленных объектов, что решается изучением структурных превращений под действием многочисленных эксплуатационных факторов, определяющих процессы разрушения материалов. Именно второе при обучении студентов раскрывается недостаточно и снижает уровень подготовки кадров. Идея о том, что все материалы изменяют свои структуры, а, соответственно, и прочностные свойства в периоды их получения, изготовления из них деталей и эксплуатации последних должна быть фундаментальной основой при изучении материаловедения и ТКМ и раскрываться при рассмотрении: 1) микроструктуры сплавов как основного фактора их надежности и долговечности; 2) пространственной атомно-кристаллической структуры материалов; 3) аллотропических превращений, происходящих на различных стадиях термической и др. видов обработки материалов; 4) возникновения дефектов атомно-кристаллического строения и их влияния на физико-механические свойства материалов, на надежность деталей и машин; 5) дислокационно-структурного механизма разрушения; 6) механизма межграничных структурных превращений при деформациях; 7) влияния микроструктуры деталей при эксплуатации на надежность машин; 8) выбора материалов в зависимости от условий эксплуатации. Решение поставленной задачи невозможно без понимания основных понятий и знаний, которые формируются в учебном процессе при чтении лекций, проведении лабораторных и практических занятий. С целью интенсификации учебного процесса по курсу особое внимание уделяется лекциям. В условиях сокращения лекционных часов необходимо максимально кратко и содержательно изложить программный материал; дать студентам современные, целостные, взаимосвязанные знания, уровень которых определяется целевой установкой к каждой конкретной теме; воспитывать у студентов профессионально-деловые качества, любовь к предмету и развивать у них самостоятельное творческое мышление; быть доказательной и аргументированной; содержать достаточное количество ярких и убедительных примеров, фактов, обоснований; иметь четко выраженную связь с практикой; находиться на современном уровне развития науки и техники, прогнозировать их развития на ближайшие годы и давать направление для самостоятельной работы. С целью повышения эффективности проведения лекций и своевременного изучения их студентами в Университете машиностроения на кафедре «Технология конструкционных материалов» практикуются экспресс-опросы студентов и проведение письменных контрольных работ по наиболее важным темам учебной дисциплины. Так, на вводной лекции преподаватель знакомит студентов с основными условиями данной методики, которая заключается в следующем. После каждой лекции студент обязан изучить материал по конспекту лекции и рекомендуемой основной и дополнительной литературе. По материалам прочитанной лекции студент формулирует и записывает в конспект 10 (десять) наиболее важных с его точки зрения вопросов. На следующей лекции лектор проверяет, все ли студенты самостоятельно подготовили их, и делает соответствующую отметку в журнале преподавателя тех студентов, кто не выполнил этот вид работы. Студенты, не подготовившие вопросы по лекции, назначаются на отработку в дополнительное время. Для студентов, подготовивших вопросы по предыдущей лекции, проводится экспресс-опрос: вначале лекции взамен повтора преподавателем материала предшествующей лекции в течение 5 - 6 минут осуществляется устный опрос. Лектор выборочно называет номер вопроса и фамилию студента. Студент зачитывает вслух вопрос из своего конспекта, а преподаватель называет фамилию студента, который должен на этот вопрос ответить - по результатам устного ответа ставится соответствующая оценка ответившему студенту. Отвечать может и студент, составивший вопрос. По окончании экспресс контроля лектор подводит итоги самостоятельной работы студента (СРС) по освоению материала предыдущей лекции и ставит задачу по дальнейшему освоению лекционного материала. Подобные подготовительные работы побуждают студентов к более глубокому ознакомлению с новым материалом, студент свободнее овладевает терминами и определениями по дисциплине и уверенно чувствуют себя на следующих лекциях. После прочтения особенно важных лекций практикуется проведение письменных контрольных работ, о проведении которых студенты информируются заблаговременно. Например, бакалавры и магистры по техническим и технологическим направлениям должны свободно ориентироваться в фазах и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов (сталях и чугунах). Это возможно лишь при условии знания и понимания ими диаграммы состояния «железо - цементит» («железо - графит»). С этой целью в соответствии с рабочей программой учебной дисциплины «Материаловедение» или «Материаловедение и технология конструкционных материалов» предварительно изучается раздел «Диаграммы состояния двойных сплавов», устанавливается связь этих диаграмм с диаграммой железоуглеродистых сплавов и дается задача на самостоятельное и творческое осмысление последней. После прочтения лекции, относящейся к этой диаграмме, отводится 5…7 дней на самостоятельную работу по ее изучению и назначается время проведения письменной контрольной работы. Обычно она проводится в течение 20…25 мин в начале следующей лекции и после проведения лабораторной работы «Микроструктурный анализ сталей и чугунов». Для более глубокого освоения диаграмм состояния двойных сплавов авторами предложено выделять нижний край линии «ликвидус» редкой штриховкой, то есть подчеркивается, что ниже линии ликвидус сплавы находятся в жидко-твердом состоянии. Нижний край линии «солидус» выделяется частой штриховкой, что лишний раз свидетельствует о том, что ниже этой линии сплавы находятся в твердом состоянии. Подобным же образом выделяются линии вторичной и третичной кристаллизации. Если студент правильно воспроизводит (по памяти) диаграмму, указывает все области фаз и структурных составляющих, температуры превращений, концентрации углерода, излагает изученный материал, дает правильные определения структурных составляющих, обнаруживает понимание материала, может обосновать свои суждения, применить знания на практике, письменная контрольная работа считается выполненной, а студент помнит эту диаграмму в течение многих лет, что необходимо, в первую очередь, для последующей его профессиональной деятельности и успешного тестирования при проверке остаточных знаний студентов. Автоматизированный контроль знаний по курсу (вообще) и по диаграмме «железо-цементит» (в частности) осуществляется с использованием тестовых заданий четырех форм [1]: 1) закрытой, когда предлагается несколько вариантов готовых утверждений (ответов), из которых нужно выбрать одно, являющееся истинным, или несколько правильных; 2) открытой, когда формулируется утверждение и в конце ставится пробел, в который тестируемый записывает ответ; 3) на соответствие, когда устанавливается соответствие элементов одного множества элементам другого. 4) установлением правильной последовательности тех или иных действий, операций и др. Пример тестового задания по диаграмме «железо - цементит»: Установить соответствие сплавов 1-7 (К1-К7) (рисунок 1) их названиям: 1 бронза; 2 - техническое железо; 3 - латунь; 4 - заэвтектический чугун; 5 доэвтектоидная сталь; 6 - эвтектический чугун; 7 - доэвтектический чугун; 8 феррит; и - заэвтектоидная сталь; 8 - эвтектоидная сталь. Студент устанавливает логическое соответствие позиций (К1-К7) (1-7) их названиям (а-к), вводит в компьютер соответствующие коды ответов, например, 1б, 2д, 3к и т.д., после чего компьютерная программа подсчитывает число правильных ответов (плюсов) и неправильных (нет ответа, минусов). На этом тестовом задании хорошо подготовленный студент может получить сразу 7 плюсов (100 % успешности ответа). При меньшем числе правильных ответов успешность находится в пределах от 100 до 0 % [2]. Инновации и методика компьютерного тестирования по курсу «Материаловедение и ТКМ» были заслушаны на последних четырех Всероссийских совещаниях заведующих кафедрами «Материаловедение и технология конструкционных материалов» [3]. В соответствии с решениями этих совещаний авторы принимают активное участие в разработке федерального банка тестовых заданий по курсу и участвуют в работе постоянно действующей секции «Интерактивные методы контроля объема и уровня знаний студентов» при научно-методическом свете Министерства образования и науки РФ. Рисунок 1. Пример тестового задания по диаграмме «железо цементит» Таблица 1 Структура базы тестовых заданий Разделы № тестовых заданий Разделы № тестовых заданий МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ 1. Строение и кристаллизация металлов 1-45 5. Термическая обработка сплавов 138-198 2. Пластическая деформация и механические свойства 46-75 6. Поверхностная закалка и химико-термическая обработка 199-209 3. Теория сплавов. Диаграммы состояния 76-102 7. Классификация сталей. Цветные металлы и сплавы 210-264 4. Железо и сплавы на его основе 103-137 8. Порошковые, неметаллические и наноматериалы 265-295 ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 1. Металлургия 1-35 4. Сварочное производство 187-293 2. Литейное производство 36-110 5. Механическая обработка заготовок 294-376 3. Обработка металлов давлением 111-186 С целью ознакомления с базой тестовых заданий по материаловедению и технологии конструкционных материалов преподавателей других вузов, осуществляющих преподавание данной дисциплины, есть учебное пособие [4]. Структура данной базы тестовых заданий приводится в таблице 1. Как видно из приведенной структуры, банк содержит 295 тестовых заданий по материаловедению и 376 - по технологии конструкционных материалов. Количество правильных ответов на них многократно больше из-за применения различных форм тестовых заданий. Таким образом, приведенные в статье инновационные методы в курсе «Материаловедение и технология конструкционных материалов» будут обеспечивать подготовку специалистов для активной инженерной и исследовательской деятельности в области производства материалов и их переработки.