應(yīng)用型機(jī)械專業(yè)《工程材料》課程教學(xué)改革的探討

王殿梁，鐘美鵬

（1.嘉興學(xué)院 南湖學(xué)院，浙江 嘉興 314001；2.嘉興學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 嘉興 314001）

應(yīng)用型機(jī)械專業(yè)《工程材料》課程教學(xué)改革的探討

王殿梁1，鐘美鵬2

（1.嘉興學(xué)院 南湖學(xué)院，浙江 嘉興 314001；2.嘉興學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 嘉興 314001）

綜合分析了應(yīng)用型機(jī)械專業(yè)《工程材料》課程的課程體系及教學(xué)中存在的問題，提出了以組織-性能的關(guān)系為主線，降低難度，以點(diǎn)帶面，理論聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)改革理念，并以具體實(shí)例詳細(xì)敘述了教改的落實(shí)情況.

工程材料；教學(xué)改革；機(jī)械專業(yè)

《工程材料》是本科院校機(jī)械類專業(yè)的基礎(chǔ)課，它從材料的組成（元素）出發(fā)，研究了材料在不同條件下的微觀結(jié)構(gòu)（組織）及其轉(zhuǎn)變，再從微觀結(jié)構(gòu)引申到材料的性能，從性能聯(lián)系到材料的應(yīng)用.從而，形成了以材料的組成、組織演變?yōu)槔碚摶A(chǔ)，以實(shí)用工程材料選擇為目的的教學(xué)過程.工程材料的理論部分抽象、難度大；應(yīng)用部分范圍廣，對沒有專業(yè)基礎(chǔ)的大二學(xué)生，很難理解工程中的實(shí)際問題.因此，調(diào)節(jié)教學(xué)內(nèi)容，理論與實(shí)用有機(jī)結(jié)合，是提高工程材料課程教學(xué)質(zhì)量、落實(shí)應(yīng)用型本科院校人才培養(yǎng)目標(biāo)的關(guān)鍵所在.本人依據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和對應(yīng)用型本科院校人才培養(yǎng)目標(biāo)的理解，提出了《工程材料》課程教學(xué)改革的一些設(shè)想，供同仁們參考和探討.

1 工程材料課程體系的現(xiàn)狀

1.1 工程材料包含的內(nèi)容

工程材料課程是由傳統(tǒng)的“金屬學(xué)與熱處理”課程演變而來，而“金屬學(xué)與熱處理”課程是將材料專業(yè)的“金屬學(xué)原理”和“熱處理”中的基本內(nèi)容濃縮、簡化后形成的教學(xué)內(nèi)容[1]，包括晶體學(xué)理論、凝固理論、塑性變形理論、相圖、熱處理和金屬材料等，課程偏重于材料的理論問題.進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國的高等教育逐步走向大眾化，應(yīng)用型本科院校應(yīng)運(yùn)而生，應(yīng)用型本科院校更注重培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用性.為此，“金屬學(xué)與熱處理”教材及課程體系都做出了重大的改革，課程名稱改為了“工程材料”，適應(yīng)新培養(yǎng)模式的教材也相繼出版[2，3].新教材以培養(yǎng)學(xué)生合理選擇材料、正確加工材料的能力為重點(diǎn)，基礎(chǔ)理論以夠用為度，對理論部分進(jìn)行了精簡，而對應(yīng)用部分進(jìn)行了拓寬[3].形成了以材料性能、材料學(xué)基礎(chǔ)知識、常用工程材料、材料選用等四大部分組成的知識體系.

四大組成部分的知識結(jié)構(gòu)和要求有很大不同，材料性能部分屬于基本概念和定義的問題，材料學(xué)基礎(chǔ)部分強(qiáng)調(diào)理論，常用工程材料部分屬于理論、應(yīng)用并重，材料選用部分是以實(shí)際應(yīng)用為基礎(chǔ)，理論實(shí)用相結(jié)合.

1.2 工程材料課程面臨的問題

1.2.1 實(shí)踐環(huán)節(jié)的滯后問題

工程材料課程的目的是掌握材料的性能和應(yīng)用[5]，談到應(yīng)用就必需接觸實(shí)際生產(chǎn)工藝.金工實(shí)習(xí)是學(xué)生接觸材料熱處理、材料加工工藝最多的實(shí)踐環(huán)節(jié)，但由于受多門教學(xué)課程的影響，金工實(shí)習(xí)是在工程材料課程之后開設(shè)的.由于沒有金工實(shí)習(xí)的感性認(rèn)識，學(xué)生對鑄造、鍛造、焊接、熱處理、機(jī)械加工（刀具、結(jié)構(gòu)件等）等基本概念不清楚，對具體零件的使用性能要求就更加困惑了.因此，如何在課堂上將工程實(shí)際問題展現(xiàn)給學(xué)生是解決這個問題的關(guān)鍵.

1.2.2 理論抽象問題

工程材料課程即沒有數(shù)學(xué)、力學(xué)、物理等課程的嚴(yán)密邏輯推導(dǎo)，也沒有制圖、計(jì)算機(jī)等課程的直觀操作，大多是材料的組織轉(zhuǎn)變問題，而在生產(chǎn)中組織是看不見的，也很難用公式計(jì)算那樣去推導(dǎo).學(xué)生對組織感到非常困惑，以至于失去了學(xué)習(xí)信心.但沒有組織分析就沒有材料研究的科學(xué)意義，如何引導(dǎo)學(xué)生懂得組織的重要性，學(xué)會分析組織的方法尤為重要.

1.2.3 材料種類過多問題

在“厚基礎(chǔ)，寬口徑”的人才培養(yǎng)目標(biāo)指引下，工程材料課程的常用工程材料部分包含了金屬材料、高分子材料、無機(jī)非金屬材料等三種，數(shù)量繁多.這些材料在化學(xué)成分、構(gòu)成機(jī)理、性能上有很大的區(qū)別，即便是材料學(xué)專業(yè)的本科生，也按上述三種分類設(shè)置模塊方向.所以，對于機(jī)械專業(yè)同時學(xué)習(xí)三種材料的難度很大.為降低學(xué)習(xí)難度，教學(xué)中以金屬材料中的鋼鐵為重點(diǎn)，對高分子材料工程、陶瓷材料和復(fù)合材料等章節(jié)，只是簡單的介紹了結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)，沒有體現(xiàn)組織、性能、應(yīng)用的連貫性，教學(xué)效果不佳.

1.2.4 實(shí)驗(yàn)課設(shè)置問題

工程材料課程共40學(xué)時，實(shí)驗(yàn)占6學(xué)時，其中的硬度實(shí)驗(yàn)是測定不同材料的洛氏硬度或布氏硬度，屬于性能檢測部分的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn).鐵碳合金平衡組織觀察是分析了不同合金的室溫組織，也屬于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn).熱處理實(shí)驗(yàn)首先是制定鋼的熱處理工藝，再進(jìn)行淬火處理，最后檢測材料的組織和性能.將工藝、組織、性能聯(lián)系在一起，是典型的綜合性實(shí)驗(yàn)，效果很好.實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的主要問題是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的比例大，而且硬度實(shí)驗(yàn)只是使學(xué)生學(xué)會了硬度的檢測方法，過于簡單，沒有理論性的指導(dǎo)意義.因此，改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，增添綜合性實(shí)驗(yàn)很有必要.

2 工程材料課程的教學(xué)改革

2.1 貫穿“組織決定性能”主線

材料是人們生活中不可缺少的物質(zhì)，自從世界上出現(xiàn)了人類文明，也就相繼產(chǎn)生了材料.盡管材料的發(fā)展歷程特別悠久、漫長，但材料作為一種研究性的科學(xué)也不過150年.1863年光學(xué)顯微鏡首次用于金屬的微觀研究，人們看到了金屬的微觀結(jié)構(gòu)—組織，并開始研究組織與性能的關(guān)系，從而誕生了金屬學(xué)理論.20世紀(jì)初出現(xiàn)的X射線衍射技術(shù)和電子顯微分析技術(shù)，把人們帶入納米級的微觀世界，使金屬學(xué)理論及應(yīng)用技術(shù)有了很大提升.因此，組織是材料科學(xué)的基礎(chǔ)，也是靈魂.

在教學(xué)中要始終貫徹“組織決定性能”這一理念.做到分合相繼，變分散為集中[4].如在講解晶體結(jié)構(gòu)部分時，從三個常見的晶體結(jié)構(gòu)，聯(lián)系到鋼的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，再引申到鋼在常溫、高溫的性能（如塑形）比較.這樣，將一個抽象的理論（組織）與直觀的實(shí)際（性能）聯(lián)系起來，使學(xué)生深刻的認(rèn)識到“組織”的重要性，激起學(xué)生對“組織”研究的興趣，實(shí)際上也是教會了學(xué)生研究材料的方法.

2.2 突出重點(diǎn)，降低難度

相圖是分析材料組織演變的最重要理論依據(jù).做為傳統(tǒng)的Fe-C合金，不論是目前，還是在人們有預(yù)見的將來，都是不可代替的材料，因此，在諸多相圖分析中，F(xiàn)e-C合金相圖部分無疑是重中之重.Fe-C合金相圖將簡單的勻晶、共晶、包晶、共析等相圖基本知識融為一體，內(nèi)容多而復(fù)雜，學(xué)生學(xué)習(xí)難度很大，是教學(xué)中的難點(diǎn)問題.如何做到即能確保重點(diǎn)，又能突破難點(diǎn)？是教學(xué)中要思考的問題.

首先是確保理論基礎(chǔ)，從分析簡單Cu-Ni、Pb-Sn、Pb-Sn等合金的相圖入手，使學(xué)生掌握結(jié)晶、共晶、共析、質(zhì)量百分?jǐn)?shù)等基本理論，了解什么是相圖？相圖的作用是什么？怎樣分析相圖？其次是從工程實(shí)際出發(fā)，簡化難度較大的Fe-C合金相圖.Fe-C合金相圖中，包含了三大類合金：工業(yè)純鐵、鋼和白口鑄鐵，工業(yè)純鐵相變簡單，白口鑄鐵應(yīng)用很少，鋼是用途廣泛的材料.教學(xué)中重點(diǎn)講解鋼的平衡結(jié)晶問題，工業(yè)純鐵和白口鑄鐵部分只做簡單介紹，也可以學(xué)生自學(xué).另外，相圖給出的是從高溫的液相平衡冷卻至室溫，而實(shí)際工程應(yīng)用大多是從奧氏體區(qū)冷卻到室溫，在分析鋼的平衡結(jié)晶問題時，可以從奧氏體區(qū)開始分析.經(jīng)過以上的簡化，學(xué)習(xí)難度大大降低，重點(diǎn)內(nèi)容也得到了保證.

2.3 理論與實(shí)際的生動結(jié)合

將理論知識和實(shí)踐相結(jié)合，可以鞏固基本理論、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力和解決實(shí)際問題能力.我們采取的方法首先是調(diào)整實(shí)驗(yàn)體系，提高學(xué)生的綜合分析問題能力.如將原來的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)-硬度實(shí)驗(yàn)，改為綜合性實(shí)驗(yàn)-低碳鋼拉伸時的組織性能分析，改后的實(shí)驗(yàn)與工程力學(xué)課程相結(jié)合，清晰的展現(xiàn)了材料在拉伸過程中的組織演變與性能（強(qiáng)度、硬度）的關(guān)系[5]，又保留了原實(shí)驗(yàn)中的布氏硬度檢測部分，效果很好.另外，還開設(shè)開放性實(shí)驗(yàn)—滲碳鋼的組織與性能分析，鼓勵學(xué)生利用課余時間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生的動手能力和分析問題能力.

其次是解決金工實(shí)習(xí)的滯后問題.工程材料中的諸多理論問題，都有相對應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用，如凝固理論—鑄造生產(chǎn)；塑形變形理論—鍛造、軋制，鋼的熱處理—淬火、退火，工具鋼—刀具、模具，結(jié)構(gòu)鋼—齒輪、軸等.這些生產(chǎn)工藝或零部件，在學(xué)生沒有進(jìn)行金工實(shí)習(xí)之前是接觸不到的.為了解決這一問題，我們結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，錄制了相關(guān)的生產(chǎn)場景，利用現(xiàn)有的多媒體教學(xué)條件，將實(shí)踐性的場面及問題移植到課堂上，再提出工程中所關(guān)心的問題，如溫度、塑形、硬度等，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，也彌補(bǔ)了教學(xué)計(jì)劃中的不足.

最后是組織演變的直觀化.由于材料組織演變的難以捕捉性，有很多是通過示意圖的形式解釋組織的演變，使問題變得更加抽象，也缺乏生動性.我們結(jié)合教學(xué)中的實(shí)際問題，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，如金相圖譜，將教材中的示意圖與真實(shí)組織進(jìn)行對照，增加說服力，提高教學(xué)效果.

2.4 以點(diǎn)帶面，刪繁就簡

在工程材料的應(yīng)用部分，涉及到的材料種類、工藝繁多，一一介紹是不可能的，采取表格、對比的方法讓學(xué)生掌握各種材料的特點(diǎn)和應(yīng)用也很乏味.我們把教學(xué)目標(biāo)定為學(xué)會選擇材料的方法上，以機(jī)械行業(yè)的常用零件（齒輪、軸、箱體、刀具等）為例，從零件的使用要求（性能）入手，材料選擇、制訂熱處理工藝、分析最終組織，深入貫徹了組織決定性能的理念.對于用途相對較少的陶瓷材料、高分子材料，只做科普性的要求，留給學(xué)生課后自學(xué).切勿圖大貪多，枯燥的講解各種零件的性能要求，再簡單的去查表比較各種材料的性能，破壞了知識結(jié)構(gòu)的完整性.

總之，貫徹應(yīng)用型本科的人才培養(yǎng)目標(biāo)，以學(xué)生的實(shí)際接受能力為依據(jù)，不求深度與數(shù)量，但求質(zhì)量與效果，樹立組織決定性能的理念，學(xué)會分析選擇材料的方法，提高學(xué)生的實(shí)際工程能力.

〔1〕葉宏，李暉，鄭章耕.《工程材料》課程建設(shè)與改革的探討[J].重慶工業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2004，19(4)：97-98.

〔2〕于艷麗，胡鳳翔.工程材料及熱處理.北京理工大學(xué)出版社，2008.

〔3〕王章忠.機(jī)械工程材料.機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

〔4〕魏德強(qiáng)，王榮，薛興，等.《機(jī)械工程材料》課程教學(xué)改革的探討[J].湘潭師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，29(4)：183-185.

〔5〕王殿梁，熊小青，黃發(fā)軍.材料塑形變形過程中組織與性能關(guān)系的綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].熱加工工藝，2010，40(16)：13-15.

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