材料失效分析課程中的實踐教學(xué)應(yīng)用

龔志華 定巍 王寶峰

摘要：材料失效分析是一門綜合性的實用技術(shù)指導(dǎo)課程，本文結(jié)合作者多年的授課經(jīng)驗，將“材料失效分析”課程進(jìn)行了教學(xué)優(yōu)化。根據(jù)材料失效分析課程的特殊性，減少講授部分內(nèi)容，對失效類型進(jìn)行分類，分別準(zhǔn)備失效零件的樣品及素材；將學(xué)生分組并授予失效零件分析的課題任務(wù)。讓學(xué)生充分發(fā)揮自己的主觀能動性，結(jié)合所學(xué)知識進(jìn)行資料的查詢收集，分析問題、制定解決方案，進(jìn)行失效零件樣品組織和性能的相關(guān)測試，最終得出失效原因；并回到課堂和同學(xué)分享學(xué)習(xí)過程。經(jīng)過優(yōu)化的教學(xué)模式，不僅激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)專業(yè)知識的能力，而且讓學(xué)生的課外時間能夠得到充分利用，切實提高學(xué)生對專業(yè)課程的綜合應(yīng)用及學(xué)習(xí)興趣。

[關(guān)鍵詞] 專業(yè)選修課；失效分析；工程實踐；教學(xué)質(zhì)量

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（a）-0000-00

工科院校的專業(yè)課程體系中，選修課程所占比例愈來愈大。提高選修課程品質(zhì)，有利于開拓學(xué)生知識面、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和解決問題的能力，從而為培養(yǎng)現(xiàn)代化建設(shè)所需的開拓型、創(chuàng)造、創(chuàng)新型人才打下堅實基礎(chǔ)。當(dāng)前，專業(yè)選修課的教學(xué)理念和教學(xué)方法方面面臨著很大的挑戰(zhàn)，很多學(xué)校對專業(yè)選修課不夠重視。如何調(diào)動學(xué)生對專業(yè)選修課的熱情，如何優(yōu)化課堂教學(xué)以培養(yǎng)學(xué)生的課堂興趣和正確的理解其存在性的是當(dāng)前教學(xué)改革的重要課題。

材料失效分析是根據(jù)材料學(xué)專業(yè)教學(xué)計劃與課程體系改革的要求而設(shè)置的專業(yè)選修課程，其教學(xué)目的是讓學(xué)生掌握正確的失效分析內(nèi)容，解決零件失效、提高機器承載能力和使用壽命的先導(dǎo)及基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。通過本課程學(xué)習(xí)，使學(xué)生對機械零件失效的概念及意義有更深刻的了解，并通過所學(xué)相關(guān)課程，能夠結(jié)合今后實際工作情況，對機械零件失效出現(xiàn)的問題及事故原因有基本的判斷和積極預(yù)防失效的能力。但目前教學(xué)過程中存在一些問題：

1、教學(xué)模式落后，教學(xué)方法陳舊，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不足

我們當(dāng)前的選修課教學(xué)依然是以教師講解為主，課堂內(nèi)容按照自己的備課內(nèi)容講得面面俱到，這樣做的結(jié)果使學(xué)生覺得枯燥乏味，激發(fā)不了其參與熱情。調(diào)查結(jié)果表明，學(xué)生對這樣的教學(xué)模式基本是感到反感，對這種教學(xué)方法也基本覺得是浪費時間，學(xué)生覺得這種“講法”太枯燥，昏昏欲睡?？梢?，這種傳統(tǒng)教學(xué)模式對培養(yǎng)學(xué)生的興趣是不利的，教學(xué)現(xiàn)狀亟待解決。

2.教學(xué)內(nèi)容死板，不利于學(xué)生能力的培養(yǎng)

大部分教師將主要精力投入到基礎(chǔ)課、必修課和科研工作中，很少有時間去查找更多、更新的資料來補充選修課教材；往往使用傳統(tǒng)的課本內(nèi)容或是以往的備課材料，內(nèi)容比較陳舊，對學(xué)生沒有吸引力，也無法調(diào)動學(xué)生積極去參與。大多數(shù)學(xué)生覺得選修課應(yīng)用不到實際生活中對所學(xué)的專業(yè)沒有多大影響與幫助，只要學(xué)好專業(yè)課就夠用，更有甚者為了應(yīng)付學(xué)分才選選修課， 因而使選修課基本成了擺設(shè)。

針對以上存在問題，結(jié)合金屬材料學(xué)和機械設(shè)計及制造專業(yè)特點，全方面拓展學(xué)生素質(zhì)，開拓學(xué)生的視野，增加學(xué)生相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域知識，讓學(xué)生在選課的過程中根據(jù)自身的實際情況和自己的興趣愛好特點選擇相應(yīng)的自己感興趣和對自己有用的課程，提出以下改進(jìn)建議：

1.教學(xué)模式和教學(xué)方法的改進(jìn)

要采取綜合型的教學(xué)結(jié)構(gòu)模式，充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用的同時， 更要注重調(diào)動學(xué)生的積極性，讓學(xué)生參與進(jìn)來，使課堂氣氛活躍起來，讓他們積極思考，引發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生思考、探索教學(xué)案例，指導(dǎo)學(xué)生交流探討，教會學(xué)生思考。 教師在教學(xué)過程中要注重站在學(xué)生的立場去思考他們要的是什么，想學(xué)的是什么，對這一課程的哪方面更感興趣， 不按部就班的進(jìn)行授課，才能收到良好的教學(xué)效果，提高課堂質(zhì)量。 “水無常態(tài)， 教無定法”。可以采取討論的方式，讓學(xué)生參與到教學(xué)中來，讓學(xué)生感覺到他們是課堂上的主體，教師在中間主要起到引導(dǎo)的作用。如在講述腐蝕失效這一章節(jié)時， 采用的就是任務(wù)分?jǐn)偡ā?在講述完基本知識點后， 給學(xué)生布置探究性的學(xué)習(xí)任務(wù)， 鼓勵學(xué)生查閱資料，對知識體系進(jìn)行整理， 再選出代表進(jìn)行講解， 最后由教師進(jìn)行總結(jié)。 但應(yīng)注意的是，不管采用何種方法， 都應(yīng)明確教學(xué)方法是師生共同合作為前提，教學(xué)方法要適應(yīng)于教學(xué)目的和教學(xué)任務(wù)的要求。尤其在教學(xué)方法上， 要積極使用多媒體教學(xué)，多找尋和課程有關(guān)的案例結(jié)合講解。 多媒體教學(xué)不僅能夠給學(xué)生視覺方面的切實感受， 也能夠提供給學(xué)生更多、 更好的內(nèi)容，擴大課堂信息量，有效利用課堂教學(xué)時間，增強學(xué)生的感性認(rèn)識和興趣， 保證專業(yè)選修課的教學(xué)質(zhì)量。 但多媒體的制作要“少而精”，不冗長更不是念給學(xué)生聽。善用工程實例， 增加學(xué)生興趣。 工程實例對學(xué)生來說是感興趣的，因為可以看到實物，而不是只是老師在在課堂上的理論教育， 可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣， 使學(xué)生的學(xué)習(xí)由被動的聽轉(zhuǎn)為主動的思考。 恰當(dāng)?shù)墓こ虒嵗龑φn堂效果可以起到事半功倍的作用。 由于在授課的大部分時間里， 教師是以講授各學(xué)科的知識為中心，易使學(xué)生形成只知其一不知其二的感覺，無法聯(lián)想，形成斷片只是， 學(xué)生難以解決工程中的實際問題。 而工程實例展示的是工程現(xiàn)場所遇見的實際問題， 往往能激發(fā)學(xué)生的興趣， 他們會關(guān)心在現(xiàn)場是如何處理的、 這樣處理的合理性和不足是什么、 處理后的效果怎樣等。 通過這一系列疑問的探討和解決， 學(xué)生在課堂上就能體驗從理論到實踐的轉(zhuǎn)化，從而培養(yǎng)出學(xué)生獨立思考、 解決問題的能力。

2.理論與實際相結(jié)合加強實際操作性

在理工科的專業(yè)中，實踐是必不可少的，當(dāng)教師在平時課程中對一些材料的失效分析的案例講解后，要相應(yīng)的安排一定的課時去親身體驗，才能讓學(xué)生明白選修課是對知識面的拓展及專業(yè)知識的提升。就材料失效分析這門課而言，失效分析是指對失效產(chǎn)品為尋找失效原因和預(yù)防措施所進(jìn)行的一切技術(shù)活動。

（1）教學(xué)目標(biāo)

為了防止失效現(xiàn)象的重復(fù)發(fā)生，提高機械產(chǎn)品質(zhì)量，早在20世紀(jì)初、人們就開始對零構(gòu)件的失效現(xiàn)象進(jìn)行比較系統(tǒng)的分析研究，后來隨著工程力學(xué)、材料科學(xué)及交叉學(xué)科的發(fā)展和電子光學(xué)儀器測試技術(shù)的進(jìn)步、在對大量工程失效現(xiàn)象的行為規(guī)律與機理研究的基礎(chǔ)上，逐漸形成了一門新的分支學(xué)科，即失效學(xué)，也稱為失效分析。失效學(xué)是研究機械裝備的失效診斷、失效預(yù)測和失效預(yù)防的理論、技術(shù)和方法及其工程應(yīng)用的一門學(xué)科。引起失效的因素是復(fù)雜的，大致可歸納為兩個方面，即材料方面的因素和環(huán)境方面的因素。前者為內(nèi)因，包括材料品質(zhì)及加工工藝方面的各種因素；后者為外因，包括受載條件、時間、溫度及環(huán)境介質(zhì)等因素。任何產(chǎn)品的失效都是在材料或零件的強度（韌性）與應(yīng)力因素和環(huán)境條件不相適應(yīng)的條件下發(fā)生的。失效總是從產(chǎn)品對服役條件最不適應(yīng)的環(huán)節(jié)開始的，而且失效產(chǎn)品或零件的殘骸上必然會保留有失效過程的信息。通過對失效殘骸的研究，可查明失效的機理和過程，并對失效的原因作出判斷，從而可有針對性地采取改進(jìn)和預(yù)防措施，避免同類失效的再發(fā)生，達(dá)到改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量、延長使用壽命、提高服役安全性和可靠性的目的。正是通過失效分析，揭示了失效的本質(zhì)，找到了失效的原因，提出防止措施和改進(jìn)辦法。

（2）教學(xué)任務(wù)分解

課堂教學(xué)實施分解步驟如圖1所示。

圖1 課程內(nèi)容分解

從圖1的課程內(nèi)容分解中可以看出，教師講授的課堂內(nèi)容減少至40%比例，教師在教學(xué)課程中只對材料失效分析的發(fā)展歷程、基本思路和方法等。但這不意味著教師工作量的減少，教師在案例收集過程中，需要考察很多企業(yè)和廠礦，去收集一些與機械零件失效的相關(guān)的素材，這些工作量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止課堂60%的學(xué)時數(shù)。因而在這一環(huán)節(jié)中，教師首先要做到充分利用個人業(yè)余時間，準(zhǔn)備素材。失效分析是很涉及行業(yè)很全面的一個課程，收集素材要充分考慮各種失效的情況，例如腐蝕、磨損、低應(yīng)力斷裂等等。

（3）學(xué)生課堂外作業(yè)提綱

在課堂內(nèi)容講授完成后，同學(xué)們需要自己進(jìn)行課題內(nèi)容的分解作業(yè)。為了避免同學(xué)們盲目的進(jìn)行工作，課題內(nèi)容詳細(xì)分解步驟如圖2所示。

圖2 課題解決方案流程圖

失效分析是一門內(nèi)容很廣，涉及行業(yè)很多的科學(xué)技術(shù)。教師備課的時候去相關(guān)行業(yè)例如電廠、礦山等企業(yè)搜索機械零件失效分析的案例，將試驗材料整理分類，然后根據(jù)疲勞失效、應(yīng)力腐蝕失效、磨損失效的不同失效形式分類，在課上對學(xué)生進(jìn)行合理化分組，布置同學(xué)在課后查閱資料，實施實驗。在課上對所作實驗進(jìn)行系統(tǒng)講解和分析，讓同學(xué)們在有限的時間內(nèi)通過實際案例結(jié)合自己查閱的資料及實驗制定解決與預(yù)防失效的方法，例如，通過對電廠鍋爐管斷裂失效的案例分析，學(xué)生需要制定詳細(xì)的試驗規(guī)劃，首先需要對材料的相關(guān)信息進(jìn)行大量的資料收集，對材料使用環(huán)境進(jìn)行分析，然后對失效材料的斷口進(jìn)行金相和掃描電鏡分析，最后對材料的成份及性能進(jìn)行測試。經(jīng)過一系列的失效分析方法的運用，使同學(xué)充分運用學(xué)習(xí)的專業(yè)知識，進(jìn)一步提升學(xué)生的動手能力和綜合解決問題的能力。最后每個組的課題負(fù)責(zé)人在課堂上給大家講授自己的分析方法和分析過程，共同擴展、提高，增加知識結(jié)構(gòu)。

隨著社會和時代的不斷進(jìn)步、 教學(xué)改革的深入以及對人才素質(zhì)要求的提高， 復(fù)合型、 創(chuàng)新型人才已逐漸成為時代的寵兒。而專業(yè)選修課中，應(yīng)用實踐教學(xué)更有利于增加學(xué)生的知識面和激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、創(chuàng)造性。經(jīng)過這幾年在《材料失效分析》課程上應(yīng)用新的選修課程教學(xué)模式，有了以下實踐經(jīng)驗與體會：

（1）更新后的教學(xué)內(nèi)容，減少了教師死板的講授環(huán)節(jié)，增加教師現(xiàn)場數(shù)據(jù)和試樣的采集，不僅提高教師對企業(yè)、廠礦相關(guān)材料和機械零件應(yīng)用環(huán)境的認(rèn)識，還使教師進(jìn)一步體驗現(xiàn)場生產(chǎn)，獲得更多的行業(yè)經(jīng)驗和背景，能夠?qū)⑦@些經(jīng)驗更好的應(yīng)用的學(xué)生的課堂教學(xué)和教師的科研工作上，從而提高教學(xué)質(zhì)量。

（2）在應(yīng)用新的教學(xué)模式后，學(xué)生對課程滿意度大大提高。學(xué)生的滿意不光體現(xiàn)在學(xué)習(xí)興趣上，還體現(xiàn)在學(xué)生對知識的渴求和對解決問題的探討上。學(xué)生充分利用課外時間，大量閱讀相關(guān)行業(yè)資料，同時學(xué)習(xí)到大量的材料測試分析和檢驗技術(shù)，從理論到實踐的轉(zhuǎn)化更加豐富，為日后工作打下良好的基礎(chǔ)。

（3）分組討論提高了同學(xué)們的團隊配合意識。在接受任務(wù)后，每組的負(fù)責(zé)人將任務(wù)分工，大家一起討論課題進(jìn)行的步驟和日程，而且在課題完成時要安排同學(xué)進(jìn)行全班的總結(jié)，分享課題中的知識和體會；這樣的安排不僅增加同學(xué)的友誼，也提高學(xué)生團隊配合意識。

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