面向機(jī)械和汽車類專業(yè)的《工程材料》課程教學(xué)方法改革探索

安健 李建忱

摘要：針對(duì)《工程材料》課程的內(nèi)容特點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)前我校機(jī)械、汽車類本科生的就業(yè)情況，為了提高教學(xué)效果和滿足用人單位的實(shí)際需求，我們對(duì)傳統(tǒng)授課方式進(jìn)行教學(xué)改革探索，引進(jìn)融合材料發(fā)展史式教學(xué)、汽車零部件加工制造案例式教學(xué)、多媒體形式教學(xué)和互動(dòng)啟發(fā)式教學(xué)等多種方式。實(shí)踐結(jié)果表明，這些方法能夠激發(fā)學(xué)生興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性，加深對(duì)課程內(nèi)容理解，取得較好教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：工程材料；教學(xué)方法；教學(xué)改革；機(jī)械；汽車

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）32-0114-02

《工程材料》是我校面向機(jī)械和汽車類專業(yè)開(kāi)設(shè)的一門技術(shù)基礎(chǔ)課，每學(xué)年學(xué)生選課人數(shù)在1000人以上。課程總計(jì)為48學(xué)時(shí)，其中包含8學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)課。課程的主要目的是使學(xué)生掌握有關(guān)材料科學(xué)、固態(tài)相變的基本理論和工程材料的一般知識(shí)，理解工程材料的成分、組織、性能及熱處理工藝之間的關(guān)系，具備合理選用工程材料、正確選定熱處理工藝方法、妥善安排工藝路線等方面的能力[1，2]。長(zhǎng)期以來(lái)，我?！豆こ滩牧稀返氖谡n方式主要由課堂授課和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)組成，由于課程內(nèi)容涉及材料科學(xué)基礎(chǔ)、固態(tài)相變、力學(xué)性能、金屬材料學(xué)等多個(gè)課程領(lǐng)域，內(nèi)容凌亂分散且連貫性差，學(xué)生普遍反映理論性強(qiáng)、難以理解和記憶，因而缺乏學(xué)習(xí)興趣。盡管授課教師認(rèn)真?zhèn)湔n、改進(jìn)教學(xué)方法，但長(zhǎng)期以來(lái)教學(xué)效果并不理想。近年來(lái)，針對(duì)教學(xué)中存在的諸多問(wèn)題，為充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和興趣，通過(guò)汲取其他院校教學(xué)改革方法的精華[3-5]，依據(jù)我校80%以上的機(jī)械和汽車類本科畢業(yè)生在汽車整車和相關(guān)零部件行業(yè)就業(yè)的特點(diǎn)，在傳統(tǒng)方式授課基礎(chǔ)上探索了多種教學(xué)方式，如融合材料發(fā)展史式教學(xué)、汽車零部件案例式教學(xué)、多媒體形式教學(xué)和互動(dòng)啟發(fā)式教學(xué)等，取得了較好的效果。

一、融合材料發(fā)展史式教學(xué)

材料作為人類社會(huì)發(fā)展進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)，人類社會(huì)的文明史也是一部材料不斷發(fā)展創(chuàng)新的歷史。因此，除了在緒論章節(jié)中向?qū)W生介紹人類歷史以石器、青銅器和鐵器時(shí)代劃分的重要意義外，更重要的是在講授過(guò)程中，將現(xiàn)代材料科學(xué)發(fā)展進(jìn)程中的一些重要理論和成果與《工程材料》課程中的理論相融合，使學(xué)生仿佛置身于近代史的長(zhǎng)河中，感受偉大材料科學(xué)家們當(dāng)時(shí)面臨的難題，欣賞創(chuàng)新思想，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)也能將分散凌亂的知識(shí)內(nèi)容有機(jī)穿插起來(lái)。舉例如下：在“金屬的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)晶”章節(jié)中，在介紹晶體和非晶體的結(jié)構(gòu)區(qū)別在于內(nèi)部原子是否在三維空間呈重復(fù)性周期排列的論點(diǎn)后，適時(shí)引入問(wèn)題“怎樣確認(rèn)晶體中原子在三維空間周期性排列？”?？梢酝ㄟ^(guò)介紹1915年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者威廉·亨利·布拉格和威廉·勞倫斯·布拉格父子取得的卓越成果，在晶體結(jié)構(gòu)分析中提出“晶體衍射的布拉格定律”，使學(xué)生清楚X射線在入射晶體結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，衍射則反映了晶體中原子排列的周期性。同時(shí)向?qū)W生介紹當(dāng)前在科研中廣泛應(yīng)用的X射線衍射儀的基本原理，使學(xué)生清楚X射線衍射儀在晶體結(jié)構(gòu)分析中的用途。在“金屬的塑性變形”章節(jié)中，在介紹晶體塑性變形的方式“滑移”后，引入問(wèn)題“在1926年，為什么弗蘭克發(fā)現(xiàn)剛性滑移所需臨界切應(yīng)力與實(shí)測(cè)值相差3—4數(shù)量級(jí)？”。通過(guò)介紹位錯(cuò)理論進(jìn)展的歷史，如1905年沃特拉提出位錯(cuò)概念，當(dāng)時(shí)并未引起足夠重視。經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次嘗試破解金屬?gòu)?qiáng)度之謎的挫折后，1934年，泰勒、波朗依、奧羅萬(wàn)幾乎同時(shí)從晶體學(xué)角度提出位錯(cuò)概念，特別是泰勒將位錯(cuò)和晶體塑性變形聯(lián)系起來(lái)，提出位錯(cuò)在晶體中連續(xù)運(yùn)動(dòng)造成了滑移，解釋了該問(wèn)題，此后位錯(cuò)理論開(kāi)始建立并得到發(fā)展完善。直至1950年透射電子顯微鏡出現(xiàn)以后，科學(xué)家提出的位錯(cuò)理論才得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)，透射電子顯微鏡證實(shí)了位錯(cuò)的存在和運(yùn)動(dòng)方式。通過(guò)在授課中介紹這些歷史事件，學(xué)生能夠了解位錯(cuò)對(duì)金屬塑性變形的貢獻(xiàn)、對(duì)強(qiáng)度的影響以及現(xiàn)在科研中可以觀察位錯(cuò)的重要設(shè)備。相似的例子還有很多，例如細(xì)化晶粒強(qiáng)化的霍爾—佩奇關(guān)系、控制滑移面和滑移方向的派—納力公式等。通過(guò)這些歷史人物和學(xué)術(shù)成果的引入，課堂中的基本理論不再是枯燥乏味、彼此孤立、難以理解和需要機(jī)械記憶，而是與一些有趣、生動(dòng)、形象的具體科學(xué)事件聯(lián)系起來(lái)的。

二、汽車零部件加工制造案例式教學(xué)

基于目前學(xué)校機(jī)械、汽車類本科生就業(yè)主要集中在汽車行業(yè)領(lǐng)域的特點(diǎn)，以及國(guó)際汽車工業(yè)用新材料快速發(fā)展的形勢(shì)，我們對(duì)講授內(nèi)容及時(shí)更新補(bǔ)充，結(jié)合教學(xué)中基本理論原理和工藝方法，著重介紹與汽車零部件加工制造有關(guān)的案例，為學(xué)生了解汽車零部件的選材，掌握組織、性能和熱處理方法方面的知識(shí)奠定基礎(chǔ)。具體案例可歸納為以下四個(gè)方面：（1）典型的汽車主要零部件：如曲軸、凸輪軸、變速箱齒輪、活塞等；（2）汽車用鋼板：熱鍍鋅鋼板、DP、TWIP、TRIP、22MnB5鋼板等；（3）汽車覆蓋件模具材料：Cr12Mo1V1（日本鋼號(hào)SKD11，德國(guó)鋼號(hào)1.2382）、YBD-4（德國(guó)鋼號(hào)）、GGG70L（德國(guó)鑄鐵牌號(hào)）；（4）汽車加工用刃具材料：高速鋼、硬質(zhì)合金、超硬材料。

舉例如下：

案例：汽車曲軸材料及制定相應(yīng)熱處理工藝。選材：球墨鑄鐵，QT700-2。工藝路線：殼型鑄造—預(yù)先熱處理—粗加工—最終熱處理—精加工。

案例分析：曲軸是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)的鍵零件之一，裝上連桿后承接活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。工作中承受強(qiáng)大的彎矩及扭矩，同時(shí)承受高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的摩擦磨損。曲軸形狀較為復(fù)雜，加工精度和力學(xué)性能要求高。抗拉強(qiáng)度≥700MPa，延伸率≥3%，硬度≥HB240，軸頸表面淬火硬度≥HRC55，淬硬層深度>1.0mm。因此，在選材上選取球墨鑄鐵QT700-2，成本只有調(diào)質(zhì)鋼的1/3。采用殼型鑄造工藝成型；采用正火作為預(yù)先熱處理，加熱到880—920℃，保溫1—3小時(shí)后，出爐空冷；機(jī)械加工后軸頸部位進(jìn)行最終熱處理，采用中頻感應(yīng)加熱表面淬火，以保證該處具有高的硬度和耐磨性；最后精磨拋光。通過(guò)此案例學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解曲軸工作的基本原理和性能要求，理解采用近終形鑄造可以降低材料和加工成本，了解國(guó)外和國(guó)內(nèi)主要汽車廠家使用曲軸的主要材料、制造路線和為達(dá)到使用性能所進(jìn)行的最終熱處理。采用案例式教學(xué)對(duì)教師提出了更高要求，要熟練掌握汽車結(jié)構(gòu)、工作原理、零件材料及處理方法。因此，教研組在案例選擇、授課設(shè)計(jì)、達(dá)成目標(biāo)等方面要精心準(zhǔn)備，同時(shí)要激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，將材料—組織—性能—熱處理之間的關(guān)系融合一體。

三、多媒體形式教學(xué)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，學(xué)生對(duì)多媒體的興趣愈發(fā)增強(qiáng)，這也為我們教學(xué)內(nèi)容改革提供一個(gè)思路。為了提升授課效果，讓學(xué)生獲得更多感性認(rèn)識(shí)，除在PPT中增加圖片內(nèi)容外，還要積極采用其他多媒體媒介，如動(dòng)畫Flash、汽車零件生產(chǎn)場(chǎng)景視頻等，將基礎(chǔ)理論和熱處理、設(shè)備、工藝加以生動(dòng)展現(xiàn)。例如我們借鑒國(guó)外教材中附帶的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)Flash，將位錯(cuò)的連續(xù)運(yùn)動(dòng)以動(dòng)畫形式加以展示，自制工廠現(xiàn)場(chǎng)加工、熱處理視頻，將汽車變速箱齒輪的加工、滲碳處理、汽車覆蓋件模具的整體熱處理、感應(yīng)加熱、火焰加熱表面熱處理加以展示。

四、互動(dòng)啟發(fā)式教學(xué)

教學(xué)本就是一個(gè)教師和學(xué)生互動(dòng)的過(guò)程，如何讓學(xué)生有興趣參與到授課過(guò)程中，其實(shí)并不簡(jiǎn)單。教師既要灌輸知識(shí)，也要關(guān)注他們的興趣，傾聽(tīng)他們的思想和要求。我們?yōu)榇瞬扇∫韵麓胧海?）將教師科研項(xiàng)目中需要解決的問(wèn)題提供給學(xué)生，下節(jié)課提問(wèn)并分析解決方案；（2）讓學(xué)生查閱某一特定汽車零件所用新材料和工藝的參考文獻(xiàn)，提交總結(jié)報(bào)告；（3）為學(xué)生競(jìng)賽車隊(duì)做顧問(wèn)，解決賽車制造過(guò)程中的材料選擇和加工問(wèn)題；（4）支持引領(lǐng)學(xué)生參加學(xué)校組織的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目。

五、總結(jié)

針對(duì)我校機(jī)械、汽車類專業(yè)學(xué)生的就業(yè)趨向，在傳統(tǒng)授課模式基礎(chǔ)上采用融合材料發(fā)展史教學(xué)、汽車零部件加工案例教學(xué)、多媒體教學(xué)和互動(dòng)啟發(fā)式教學(xué)等多種形式，使《工程材料》課程的結(jié)構(gòu)內(nèi)容更為連貫和清晰，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與程度，取得了較好的教學(xué)效果。

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