非材料學(xué)專(zhuān)業(yè)《工程材料》課程教學(xué)的方法論探討

錢(qián)劍安，王 華，鮑 靜

(南京工業(yè)大學(xué)，南京 210009)

非材料學(xué)專(zhuān)業(yè)《工程材料》課程教學(xué)的方法論探討

錢(qián)劍安，王 華，鮑 靜

(南京工業(yè)大學(xué)，南京 210009)

在高校材料學(xué)相關(guān)專(zhuān)業(yè)中，《工程材料》這門(mén)課程不僅僅是傳授理論知識(shí)，更需要提高學(xué)生的創(chuàng)造性和綜合素質(zhì)。文章緊緊圍繞《工程材料》的一條主線(xiàn)，討論了“四個(gè)”結(jié)合：課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合；現(xiàn)代教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合；理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合；課程教學(xué)與專(zhuān)業(yè)相結(jié)合；提出了《工程材料》課程教學(xué)過(guò)程中哲學(xué)思維觀(guān)建立、解決實(shí)際問(wèn)題能力培養(yǎng)、專(zhuān)業(yè)知識(shí)前瞻性教育的至關(guān)重要性。

《工程材料》; 課程教學(xué); 方法論

一、《工程材料》課程的重要性

在高校中，《工程材料》課程是機(jī)械類(lèi)和非材料學(xué)等相關(guān)專(zhuān)業(yè)本科生的一門(mén)重要的必修專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，它既是引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的入門(mén)課程，又是學(xué)生掌握基本原理的理論課程，也是培養(yǎng)學(xué)生具有自學(xué)能力、獨(dú)立分析能力的綜合訓(xùn)練課程[1]。該課程概念抽象、內(nèi)容繁雜、理論性強(qiáng)、講授課時(shí)少，給老師的“教”與學(xué)生的“學(xué)”之間帶來(lái)困難。因此，教師如何利用課堂上的有限的時(shí)間，使學(xué)生較好地理解并掌握該課程，是一個(gè)值得探討的課題。

二、關(guān)于《工程材料》課程的幾點(diǎn)思考

(一) 一條主線(xiàn)

《工程材料》課程看似繁瑣，然而其自始至終都貫穿著一條主線(xiàn)，即材料、組織和性能三者之間的關(guān)系，即在介紹各種《工程材料》時(shí)，都圍繞材料的化學(xué)成分、加工工藝與組織結(jié)構(gòu)、使用性能這根主線(xiàn)展開(kāi)。同時(shí)，突出重點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)實(shí)用，根據(jù)不同材料的特點(diǎn)著重培養(yǎng)學(xué)生的合理選材、合理選擇熱處理工藝及合理制訂加工工藝路線(xiàn)的能力。

(二) 兩張要圖

1.鐵碳合金相圖講解需層層遞進(jìn)

鐵碳合金相圖(見(jiàn)圖1)可以說(shuō)是《工程材料》教學(xué)中最重要的一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生對(duì)于其的理解和掌握直接關(guān)系到該課程教學(xué)的成敗，如果僅是就圖講圖,學(xué)生無(wú)法系統(tǒng)的將前后知識(shí)點(diǎn)貫穿起來(lái)。因此,該圖的講解最佳的方法是通過(guò)板書(shū)，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由點(diǎn)到面、由單元到系統(tǒng)層層遞進(jìn)、深入淺出的講解，而非就圖講圖。主要方法如下：

圖1 鐵碳合金相圖和純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

第一，點(diǎn)、線(xiàn)、面結(jié)合。在繪制好坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上，從點(diǎn)到線(xiàn)再到面深入淺出的展開(kāi)講解，首先在坐標(biāo)系上根據(jù)既有知識(shí)找到關(guān)鍵點(diǎn)，分別包括①包晶點(diǎn)J、共晶點(diǎn)C、共析點(diǎn)S；②純鐵熔點(diǎn)A、碳的熔點(diǎn)D；③同素異構(gòu)轉(zhuǎn)折點(diǎn)：J點(diǎn)和G點(diǎn)；④最大溶解度點(diǎn)：碳在δ-Fe中的最大溶解度點(diǎn)H、碳在γ-Fe中的最大溶解度點(diǎn)E、碳在α-Fe中的最大溶解度點(diǎn)P、600℃時(shí)碳在α-Fe中的溶解度Q。

其次依據(jù)三個(gè)關(guān)鍵反應(yīng)畫(huà)三條水平線(xiàn)：

最后將關(guān)鍵點(diǎn)和三條水平線(xiàn)依次用線(xiàn)段相連，在各個(gè)區(qū)內(nèi)填入相應(yīng)的相，依據(jù)反應(yīng)溫度和同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變從高溫到低溫依次確定4個(gè)單相區(qū)，分別為L(zhǎng)、δ、γ、α，隨后依據(jù)單相區(qū)和最右側(cè)滲碳體豎線(xiàn)，兩兩結(jié)合確定5個(gè)兩相區(qū)，分別為L(zhǎng)+δ、L+γ、α+γ、γ+Fe3C、α+ Fe3C，這樣鐵碳合金相圖即完成，通過(guò)點(diǎn)到線(xiàn)、線(xiàn)到面深入淺出的講解，使學(xué)生進(jìn)一步理解二元合金的基本平衡結(jié)晶過(guò)程以及純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。

第二，鐵碳合金相圖與同素異構(gòu)平衡結(jié)晶過(guò)程相結(jié)合。鐵碳合金相圖的復(fù)雜性歸結(jié)為純鐵的平衡結(jié)晶過(guò)程的兩次同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，為了讓學(xué)生更好地理解和掌握鐵碳合金相圖，教師必須把純鐵的同素異構(gòu)平衡結(jié)晶曲線(xiàn)與相圖結(jié)合起來(lái)講解。典型鐵碳合金的平衡結(jié)晶過(guò)程分析,更是必須與平衡結(jié)晶過(guò)程相結(jié)合。

第三，作圖法列表分析鐵碳合金的平衡結(jié)晶過(guò)程(見(jiàn)圖2)。對(duì)于鐵碳合金的平衡結(jié)晶過(guò)程的分析非常關(guān)鍵，通過(guò)分析有助于學(xué)生更好的理解結(jié)晶過(guò)程，同時(shí)能獨(dú)立自主的完成各個(gè)典型鐵碳合金的室溫平衡組織。

分析過(guò)程如下：①?gòu)男枰治龅蔫F碳合金成分點(diǎn)處畫(huà)豎直線(xiàn)，從上至下依次對(duì)與相圖的交點(diǎn)編號(hào)1，2，3…，每碰到一條相線(xiàn)即編一個(gè)號(hào)，具體的分析方法是每一個(gè)編號(hào)代表時(shí)間的一個(gè)間隔，在分析過(guò)程中必須考慮在這個(gè)時(shí)間間隔中鐵碳合金發(fā)生了什么反應(yīng)或是保持不變，具體判斷發(fā)生什么反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)是看兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)之間相是否發(fā)生變化，如變化了則發(fā)生相應(yīng)勻晶反應(yīng)。另外,值得注意的是碰到三條直線(xiàn)時(shí)會(huì)有一個(gè)時(shí)間延遲，因?yàn)榘Х磻?yīng)、共晶反應(yīng)和共析反應(yīng)是等溫結(jié)晶過(guò)程，此時(shí)用1，，2，，3，…表示；②列出反應(yīng)過(guò)程，包括每個(gè)時(shí)間的反應(yīng)過(guò)程及反應(yīng)產(chǎn)物，直至最終得到室溫平衡組織和相。如亞共析白口鑄鐵的平衡結(jié)晶過(guò)程(見(jiàn)表1)：

圖2 典型鐵碳合金在Fe-Fe3C相圖中的位置

表1 典型鐵碳合金的平衡結(jié)晶過(guò)程分析

2.C曲線(xiàn)的分析

第一，TTT曲線(xiàn)和CCT曲線(xiàn)是分析熱處理基本原理最重要的曲線(xiàn)，要想讓學(xué)生透徹的理解熱處理的方法，分析C曲線(xiàn)是關(guān)鍵，具體方法如下：

第二，TTT圖與CCT圖的對(duì)比(見(jiàn)圖3)。

圖3 TTT圖和CCT對(duì)比

對(duì)于同一種金屬材料，雖然從表觀(guān)上看其曲線(xiàn)存在差異性，然其內(nèi)在有著不可分割的關(guān)聯(lián)，尤其是二者分析思路是一致的，主要考慮孕育期以及組織轉(zhuǎn)變的起始和終止時(shí)間，分析方法均為將冷卻曲線(xiàn)與C曲線(xiàn)相結(jié)合，最終確定特定熱處理?xiàng)l件下的室溫平衡組織。將兩條曲線(xiàn)統(tǒng)一起來(lái)講解，既有利于C曲線(xiàn)的理解，也能更好的對(duì)比不同的熱處理工藝可以獲得不同的室溫平衡組織從而改變金屬材料的物理性能。

第三，C曲線(xiàn)與鐵碳合金相圖對(duì)比，鐵碳合金相圖是C曲線(xiàn)的基礎(chǔ)，尤其是A1、A3和Acm三條臨界溫度線(xiàn)，在分析C曲線(xiàn)前說(shuō)明Ac1、Ac3和Accm及Ar1、Ar3和Arcm的物理意義；既實(shí)現(xiàn)了教學(xué)內(nèi)容的承上啟下，也能夠讓學(xué)生理解各類(lèi)知識(shí)存在連貫和相通的地方。

第三，共析鋼、亞共析鋼、過(guò)共析鋼C曲線(xiàn)對(duì)比。通過(guò)共析鋼、亞共析鋼和過(guò)共析鋼過(guò)冷A的TTT、CCT曲線(xiàn)的對(duì)比，借助橫向比較和理解，進(jìn)一步吃透成分、工藝、組織和性能四者之間的關(guān)系。

第四，C曲線(xiàn)與淬透性。淬透性是金屬材料熱處理的一個(gè)重要參數(shù)指標(biāo)，而C曲線(xiàn)與淬透性關(guān)系極為密切，金屬材料的淬透性在很大程度上取決于孕育期的長(zhǎng)與短，所以C曲線(xiàn)的位置與淬透性密不可分，凡是影響C曲線(xiàn)孕育期的即導(dǎo)致C曲線(xiàn)右移的參數(shù)就是能提高金屬材料淬透性的主要影響因素。

(三) 三個(gè)要素

《工程材料》課程里點(diǎn)、線(xiàn)、面三個(gè)要素意義重大，上節(jié)鐵碳合金相圖中由點(diǎn)到線(xiàn)再到面循序漸進(jìn)闡述，有助于學(xué)生更好地理解鐵碳合金的平衡結(jié)晶過(guò)程，此外，晶體缺陷包括點(diǎn)缺陷、線(xiàn)缺陷和面缺陷；晶體結(jié)構(gòu)是把原子(或離子)的中心，劃出空間直線(xiàn)，由這些直線(xiàn)形成空間格架即晶格，分析晶胞時(shí)仍然遵循從點(diǎn)、到線(xiàn)再到面的原則，充分發(fā)揮空間想象能力來(lái)理解晶體的結(jié)構(gòu)。

(四) 四個(gè)結(jié)合

1.課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合

很多專(zhuān)業(yè)由于受課時(shí)限制，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)課時(shí)量不可能很多，然而在開(kāi)設(shè)的有限的實(shí)驗(yàn)課時(shí)中，有些實(shí)驗(yàn)卻是必不可少的，對(duì)于后序?qū)I(yè)課程的學(xué)習(xí)也是意義重大的，基于此《工程材料》的實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)原則是少而精；

2.現(xiàn)代教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合

(1)受教學(xué)課時(shí)的限制，單純的傳統(tǒng)課堂教學(xué)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足《工程材料》課程教學(xué)的需要，輔助于多媒體教學(xué)，教師可以形象的展示材料的組織形貌、加工工藝過(guò)程、以及一些設(shè)備儀器等，使課堂教學(xué)內(nèi)容更直觀(guān)，同時(shí)通過(guò)多媒體課件，教師也可以部分的節(jié)約板書(shū)時(shí)間，使45分鐘的信息量更為飽滿(mǎn)。

(2)然而多媒體教學(xué)卻又不能完全取代傳統(tǒng)的教學(xué)，很多教學(xué)內(nèi)容通過(guò)多媒體是無(wú)法實(shí)現(xiàn)既定的教學(xué)效果的，尤其是一些推導(dǎo)過(guò)程，習(xí)題的講解等，即使是運(yùn)用精彩的動(dòng)畫(huà)演示也無(wú)法到達(dá)板書(shū)推演的效果，筆者通過(guò)多年的教學(xué)發(fā)現(xiàn)，教師的引導(dǎo)及其重要，如果教師沒(méi)有板書(shū)，那么90%的學(xué)生是不記筆記的；反之如果教師板書(shū)多，那么80%的學(xué)生會(huì)記筆記。中國(guó)有句俗話(huà)：好記性不如爛筆頭！教學(xué)經(jīng)驗(yàn)告訴我們，板書(shū)的量非常關(guān)鍵，過(guò)多容易導(dǎo)致學(xué)生一味的記筆記而忽略了課堂的交流和思考，教學(xué)效果差強(qiáng)人意；板書(shū)過(guò)少甚至沒(méi)有，教師滔滔不絕講多媒體課件，會(huì)導(dǎo)致學(xué)生一味的跟著課件走，同時(shí)由于信息量過(guò)大而且信息的權(quán)重性也無(wú)法在多媒體課件和教學(xué)中很好的展示，學(xué)生很有可能來(lái)不及思考而跟不上課堂教學(xué)的節(jié)奏而導(dǎo)致教學(xué)質(zhì)量的下降。

因此，對(duì)于高等教育而言，應(yīng)該講現(xiàn)代教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合，適當(dāng)?shù)陌鍟?shū)是必要的，尤其是本次教學(xué)的提綱，以及主要的公式、重要參數(shù)、公式的推導(dǎo)、習(xí)題的講解，關(guān)鍵的圖表等，都必須要靠板書(shū)來(lái)更好地體現(xiàn)其重要性加強(qiáng)理解和掌握，同時(shí)也能更好地引導(dǎo)學(xué)生有節(jié)奏地去理解相關(guān)的一些公式、圖表。

3.理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合

(1)金工實(shí)習(xí)，包括冷加工和熱加工兩個(gè)環(huán)節(jié)，通過(guò)車(chē)、銑、刨、磨等冷加工工藝和鑄、鍛、焊、熱處理等熱加工工藝使學(xué)生初步了解金屬材料加工工藝對(duì)金屬材料性能的改善。

(2)生產(chǎn)實(shí)習(xí)，主要是化工機(jī)械的生產(chǎn)過(guò)程的認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)，實(shí)習(xí)過(guò)程包括常見(jiàn)設(shè)備圖紙的認(rèn)識(shí)、主要工序的講解、現(xiàn)場(chǎng)參觀(guān)等，進(jìn)一步理解和掌握不同成分和不同工藝材料的適用性。

(3)畢業(yè)實(shí)習(xí)，通過(guò)對(duì)壓力容器等特種設(shè)備的實(shí)地參觀(guān)，更深刻的理解和重溫《工程材料》在生產(chǎn)過(guò)程中的重要地位，為即將踏上工作崗位打好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

(4)課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)，以安全工程專(zhuān)業(yè)為例，在課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)通常需要對(duì)容器設(shè)備進(jìn)行選材和強(qiáng)度設(shè)計(jì)，綜合考慮安全性和經(jīng)濟(jì)性選擇適當(dāng)?shù)牟牧?，根?jù)工藝參數(shù)展開(kāi)所選材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核，同時(shí)對(duì)于加工過(guò)程中材料的一些特殊要求也是設(shè)計(jì)的范圍，比如選擇最優(yōu)的焊接工藝，進(jìn)行焊縫開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)等等。學(xué)生經(jīng)過(guò)兩次課程設(shè)計(jì)和一次畢業(yè)設(shè)計(jì)可以充分地將《工程材料》理論知識(shí)融入于實(shí)踐環(huán)節(jié)，真正意義的掌握《工程材料》與安全生產(chǎn)的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

4、課程教學(xué)與專(zhuān)業(yè)相結(jié)合

《工程材料》作為一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，若在教學(xué)中能夠?qū)⒗碚撝R(shí)滲透到專(zhuān)業(yè)知識(shí)當(dāng)中，能使學(xué)生深刻地領(lǐng)會(huì)到基礎(chǔ)理論知識(shí)的重要性及其專(zhuān)業(yè)應(yīng)用，同時(shí)，也使教學(xué)內(nèi)容變得更加豐富，提高學(xué)生本課程及專(zhuān)業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)的熱情。

比如安全工程專(zhuān)業(yè)講授的《工程材料》課程，教學(xué)中可以在機(jī)械零件的失效講解過(guò)程中引入材料的腐蝕與防護(hù)、化工設(shè)備的氣體和液體泄漏防范；機(jī)械零件的選材與壓力容器安全技術(shù)相結(jié)合；鋼材的韌性與防火設(shè)計(jì)、耐火等級(jí)相應(yīng)；可以利用材料的力學(xué)性能強(qiáng)度指標(biāo)輔助壓力容器安全設(shè)計(jì)中的強(qiáng)度設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核等?？梢?jiàn)，教學(xué)中需要不拘一格，對(duì)各類(lèi)《工程材料》實(shí)際問(wèn)題、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等進(jìn)行適當(dāng)引申，讓學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)融會(huì)貫通，并且能夠看到事物或問(wèn)題的本質(zhì)。

三、結(jié)束語(yǔ)

《工程材料》這門(mén)課程內(nèi)容看視繁瑣，然而抓住一條主線(xiàn)，即材料的成分、工藝、組織和性能之間的關(guān)系這條主線(xiàn)，將其貫穿始終；掌握兩張要圖：鐵碳合金相圖和過(guò)冷A等溫(連續(xù))轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)圖；處理好“點(diǎn)、線(xiàn)、面”三者間的關(guān)系；通過(guò)四個(gè)結(jié)合：課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合、現(xiàn)代教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合、理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合、課程教學(xué)與專(zhuān)業(yè)相結(jié)合，融入哲學(xué)理念，例如， 碳鋼的力學(xué)性能中，強(qiáng)度、硬度與塑性、韌性是一對(duì)矛盾，存在著此消彼長(zhǎng)的趨勢(shì)， 這正是對(duì)立統(tǒng)一規(guī)律的具體體現(xiàn)， 教師應(yīng)注意引導(dǎo)學(xué)生抓住這一規(guī)律， 并加以運(yùn)用； 另外，對(duì)于碳鋼來(lái)講， 硫和磷一般被認(rèn)為是有害元素， 因?yàn)榱讜?huì)引起冷脆， 硫會(huì)引起熱脆， 但是人們正是利用了硫使鋼變脆這一特點(diǎn),發(fā)展了易切鋼， 利用磷引起冷脆的特性， 用含磷量較高的鋼來(lái)制造炮彈殼， 增加起殺傷力。[2]

通過(guò)運(yùn)用四個(gè)結(jié)合的講解，引導(dǎo)學(xué)生全面的認(rèn)識(shí)事物， 看到事物的兩面性， 善于采用逆向思維， 拓寬分析問(wèn)題的思路，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、動(dòng)手能力以及工程思維，保證學(xué)生在《工程材料》課程學(xué)習(xí)中能收獲知識(shí)、提高能力。

[1] 劉天模.《工程材料》課程教學(xué)體系改革的探討[J]. 高等工程教育研究 ,2001(1).

[2] 顧蘭智，龐思紅.《工程材料》課程教學(xué)中哲學(xué)思想的體現(xiàn)與運(yùn)用[J] . 職業(yè)時(shí)空,2007(7).

[3] 朱張校.工程材料[M] . 北京:清華大學(xué)出版社,2001.

[4] 朱常龍. 流體力學(xué)教學(xué)思考[J]. 力學(xué)與實(shí)踐, 2011(1).

Probe into the Teaching Method on Engineering Materials Course in Non-specialty Materials Science

Qian Jianan，Wang Hua，Bao Jing

(NanjingTechUniversity,Nanjing210009,China)

It is clear that Engineering Materials course is important to impart knowledge to students. Also, it is essential to improve students′creativity and comprehensive quality. Based on one main line in Engineering Materials course, it is imperative to emphasize four aspects such as combining class teaching with experiments, combining modern education with traditional teaching. On the other hand, it is necessary to combine theoretical teaching with practical teaching. Finally, it is absolutely required that course teaching should integrate with specialty education. Therefore, the paper points out that it is very important to create philosophy thinking in teaching the course of Engineering Materials. The purpose is to cultivate student ability in solving practical issues and emphasize strategic education of specialty knowledge.

engineering materials; course teaching; methodology

G642

A

1673-3878(2017)02-0044-05

2016-12-12

錢(qián)劍安(1977-)，女，江蘇常州人，博士研究生, 南京工業(yè)大學(xué)與安全科學(xué)與工程學(xué)院講師；主要研究方向:安全科學(xué)與管理、安全工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng).

江蘇高校品牌專(zhuān)業(yè)建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PPZY2015C223).