能源與動(dòng)力工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)工程材料教學(xué)研究與實(shí)踐

[摘 要] 在新工程教育的背景下，創(chuàng)新工程教育的內(nèi)容以及方式與手段都將是培養(yǎng)具有競(jìng)爭(zhēng)力的新型復(fù)合型工程科技人才的重要內(nèi)容。該論文基于面向能源與動(dòng)力工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)的工程材料教學(xué)研究與實(shí)踐，提出了構(gòu)建能源與動(dòng)力機(jī)械、材料和系統(tǒng)科學(xué)的跨學(xué)科“學(xué)科串”的學(xué)習(xí)方式、以“可持續(xù)材料與能源體系”為中心的教學(xué)思想、強(qiáng)化學(xué)生解決能源與動(dòng)力系統(tǒng)未知與復(fù)雜問(wèn)題的思維，將提高該課程的教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞] 能源與動(dòng)力類(lèi)專(zhuān)業(yè);工程材料;工程教育;教學(xué)評(píng)價(jià)

[作者簡(jiǎn)介] 王美玲（1986—），女，內(nèi)蒙古赤峰人，哲學(xué)博士，南京師范大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院副教授，主要從事機(jī)械與生物材料摩擦與磨損研究。

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2021）06-0081-04? ?[收稿日期] 2020-08-06

科技革命不斷在推進(jìn)，全球的競(jìng)爭(zhēng)日趨表現(xiàn)為科技的競(jìng)爭(zhēng)。2017年8月，麻省理工學(xué)院?jiǎn)?dòng)了“新工程教育轉(zhuǎn)型”（New Engineering Education Transformation，簡(jiǎn)稱(chēng)NEET）計(jì)劃[1]，旨在重構(gòu)麻省理工學(xué)院的工程教育學(xué)，從根本上對(duì)工程教育進(jìn)行一次系統(tǒng)性反思和變革。其中，學(xué)生的學(xué)習(xí)方式及學(xué)習(xí)內(nèi)容成為該次變革的重點(diǎn)。該次新工程教育轉(zhuǎn)型將為培養(yǎng)引領(lǐng)未來(lái)產(chǎn)業(yè)界和社會(huì)發(fā)展的領(lǐng)導(dǎo)型工程人才。

我國(guó)在“中國(guó)制造2025”等重大項(xiàng)目的實(shí)施下，自2017年2月以來(lái)，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)[2]，引導(dǎo)高校從產(chǎn)業(yè)需求的角度進(jìn)行學(xué)科建設(shè)以此創(chuàng)新工科專(zhuān)業(yè)新結(jié)構(gòu)、融合創(chuàng)新工程教育方式與手段、探索新工科自主發(fā)展新模式，旨在為我國(guó)未來(lái)產(chǎn)業(yè)界培養(yǎng)具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的創(chuàng)新型卓越工程科技人才。創(chuàng)新工程教育的內(nèi)容以及方式與手段都將是培養(yǎng)具有競(jìng)爭(zhēng)力的新型復(fù)合型工程科技人才的重要內(nèi)容。

眾所周知，能源與動(dòng)力工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)主要致力于傳統(tǒng)能源的利用、新能源的開(kāi)發(fā)與如何更高效地利用能源，也包括內(nèi)燃機(jī)、鍋爐、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、制冷及相關(guān)測(cè)試技術(shù)。傳統(tǒng)的培養(yǎng)模式主要通過(guò)動(dòng)力工程及工程熱物理相關(guān)基礎(chǔ)理論訓(xùn)練，培養(yǎng)能夠開(kāi)展動(dòng)力機(jī)械與熱工設(shè)備設(shè)計(jì)、運(yùn)行、實(shí)驗(yàn)研究的動(dòng)力工程師。然而，隨著未來(lái)新機(jī)器的不斷涌現(xiàn)以及新工程體系的建立，未來(lái)的工業(yè)體系將由物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)化體系、機(jī)器人體系、智慧城市、可持續(xù)材料與能源體系、生化診療、大數(shù)據(jù)將組成[3]。在“新工科”背景下，相應(yīng)的工程教育應(yīng)面向工業(yè)體系的未來(lái)實(shí)際需求。因此，相關(guān)課程教學(xué)設(shè)計(jì)也應(yīng)針對(duì)未來(lái)新工業(yè)體系做出相應(yīng)調(diào)整。

“工程材料”是高等學(xué)校機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)及近機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)必修課之一。學(xué)習(xí)內(nèi)容主要包括機(jī)械工程材料性能、金屬學(xué)、熱處理、常用機(jī)械工程材料四方面。該課程要求學(xué)生不僅要在有關(guān)課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上注意系統(tǒng)的理論學(xué)習(xí)，還要結(jié)合專(zhuān)業(yè)要求，理論聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)際，重視實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，遵循實(shí)踐—理論—再實(shí)踐的認(rèn)識(shí)規(guī)律來(lái)學(xué)習(xí)，以培養(yǎng)分析、解決問(wèn)題的能力。在新工程體系的背景下，該課程的開(kāi)展要在學(xué)習(xí)內(nèi)容與方式上與時(shí)俱進(jìn)，為新機(jī)器時(shí)代的工科教育打好基礎(chǔ)。

一、傳統(tǒng)機(jī)械工程材料的教學(xué)

在學(xué)習(xí)內(nèi)容方面，“工程材料”課程以金屬材料“成分—性能—組織”為主線促進(jìn)學(xué)生理解材料化學(xué)成分、組織與性能之間的關(guān)聯(lián)，掌握結(jié)晶、塑性變形、熱處理與合金化的基本原理，能夠合理選擇材料、正確設(shè)計(jì)熱處理方案等基本技能。金屬材料的介紹、鋼的熱處理以及如何正確選用材料構(gòu)成該課程基礎(chǔ)的重點(diǎn)內(nèi)容。著重以材料“成分-結(jié)構(gòu)-工藝-性能-應(yīng)用”為主線強(qiáng)調(diào)金屬材料工程應(yīng)用的重要性。該課程將理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，促進(jìn)學(xué)生理解基本理論知識(shí)與實(shí)際材料性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐的能力與獨(dú)立解決問(wèn)題的能力，為后續(xù)相關(guān)的學(xué)習(xí)與工作做好準(zhǔn)備。

然而，該課程的教學(xué)現(xiàn)狀卻存在一些問(wèn)題諸如教學(xué)內(nèi)容之間的邏輯關(guān)系不明顯、知識(shí)點(diǎn)之間的系統(tǒng)性差，導(dǎo)致教學(xué)效率不高[4]。教材主要集中于基本概念、基本理論、基本方法，對(duì)一些前沿的新突破、新工藝的更新相對(duì)不及時(shí)。另外，由于該課程是一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)技術(shù)課，對(duì)于能源與動(dòng)力工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)的針對(duì)性不強(qiáng)。因此，需要提出該課程與能源與動(dòng)力工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)有關(guān)聯(lián)的教學(xué)科研問(wèn)題以提高學(xué)生的興趣和教學(xué)效率。

一般地，“工程材料”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容主要包括金屬硬度試驗(yàn)、平衡狀態(tài)下碳鋼顯微結(jié)構(gòu)的觀察分析以及碳鋼的熱處理。這三個(gè)試驗(yàn)的目的是加深理解該課程理論主要內(nèi)容，并提高學(xué)生的實(shí)踐能力。首先，硬度是材料的重要機(jī)械性能之一，與其他機(jī)械性能有相互對(duì)應(yīng)關(guān)系。相對(duì)于工程材料的其他性能，硬度測(cè)試可操性強(qiáng)。因此，硬度試驗(yàn)成了判斷金屬材料或零件質(zhì)量的重要手段。學(xué)生需要根據(jù)布氏或者洛氏硬度測(cè)試原理，掌握布氏或者洛氏硬度機(jī)的原理以及操作規(guī)程。在我校的教學(xué)實(shí)踐中，洛氏硬度測(cè)試采用HR-150A型機(jī)械式硬度機(jī)，而布氏測(cè)量采用HB-3000型電子布氏硬度機(jī)。布氏或者洛氏硬度測(cè)量根據(jù)《金屬布氏硬度試驗(yàn)方法》-GB/T 231.1-2009以及《金屬洛氏硬度試驗(yàn)方法》-GB-T 230.1-2018規(guī)定。實(shí)驗(yàn)要求每名學(xué)生都要進(jìn)行布氏或者洛氏硬度測(cè)定。其次，觀察分析平衡狀態(tài)下碳鋼顯微結(jié)構(gòu)是重要的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。通過(guò)認(rèn)識(shí)碳鋼在平衡狀態(tài)下的顯微組織，驗(yàn)證鐵碳合金微組織與Fe-Fe3C相圖的關(guān)系。學(xué)生除了要了解金屬材料顯微組織試驗(yàn)的制備方法之外，還要熟練掌握顯微鏡操作，以獨(dú)立進(jìn)行顯微組織觀察。要求學(xué)生會(huì)用鐵碳合金的組織面積估算亞共析鋼的含碳量。能夠繪制Fe-Fe3C狀態(tài)圖，將含碳量為0.2%、0.4%、0.77%和1.2%的碳鋼在狀態(tài)圖上標(biāo)出，并能夠?qū)?yīng)其在平衡狀態(tài)下的顯微組織。最后，該課程通過(guò)碳鋼的熱處理這一實(shí)驗(yàn)使學(xué)生熟悉碳鋼淬火、正火、回火的常規(guī)操作，加深理解Fe-Fe3C相圖和冷卻“C”曲線在熱處理的應(yīng)用。該實(shí)驗(yàn)采用45#鋼和T12鋼，使之進(jìn)行完全處理或不完全處理，冷卻方式為水冷、油冷、氣冷。分析不同熱處理工藝以及碳鋼的化學(xué)成分對(duì)硬度的影響。在該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)組織上，這三個(gè)試驗(yàn)內(nèi)容相互關(guān)聯(lián)、相輔相成，貫穿了該課程的重要內(nèi)容。

在教學(xué)方法上，啟發(fā)式[5]、案例式[6，7]等教學(xué)方法已經(jīng)用于“工程材料”的教學(xué)過(guò)程并收到了良好的效果。近年來(lái)，雨課堂[8]、藍(lán)墨云[9]、慕課[ 10 ]等豐富了教學(xué)手段，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)和探索積極性，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)重點(diǎn)知識(shí)的掌握程度。在2020年春新冠病毒疫情期間，雨課堂、騰訊課堂等網(wǎng)絡(luò)教學(xué)工具成為春季學(xué)期主要的教學(xué)載體，我校該課程的理論教學(xué)工作得以正常實(shí)施。

二、面向未來(lái)新機(jī)器與新工程體系的機(jī)械工程材料教學(xué)

未來(lái)的工業(yè)體系將融合信息、生物、材料等不同領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，將展現(xiàn)出高度的整合性、復(fù)雜性、連通性、自主化以及可持續(xù)發(fā)展等特色[3]。為了銜接面向未來(lái)的新機(jī)器與新工程體系，應(yīng)亟須改進(jìn)“工程材料”課程現(xiàn)有的學(xué)習(xí)方式和學(xué)習(xí)內(nèi)容?；诖?，該論文提出以下三點(diǎn)設(shè)想：

（一）構(gòu)建能源與動(dòng)力機(jī)械、材料和系統(tǒng)科學(xué)的跨學(xué)科“學(xué)科串”的學(xué)習(xí)方式

針對(duì)能源動(dòng)力類(lèi)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，在學(xué)習(xí)機(jī)械工程材料過(guò)程中，教師引導(dǎo)學(xué)生提出以項(xiàng)目為中心，以解決能源領(lǐng)域科研或者工程問(wèn)題，以“學(xué)科串”的形式，要求學(xué)生組成一個(gè)圍繞共同項(xiàng)目的團(tuán)隊(duì)。學(xué)生通過(guò)團(tuán)隊(duì)合作以及分工，查閱資料調(diào)研，對(duì)比分析確定研究/實(shí)施方案。實(shí)踐不斷完善，力求解決問(wèn)題。不同學(xué)科交叉的科研/工程問(wèn)題，將促使學(xué)生從不同角度調(diào)研、思考產(chǎn)生問(wèn)題的根本原因，從而找出問(wèn)題的解決方案。除此之外，學(xué)生需根據(jù)不同角度分析得到的方案，并進(jìn)一步整合不同信息。這樣“學(xué)科串”的學(xué)習(xí)方式將促進(jìn)學(xué)生提高能源與動(dòng)力機(jī)械、材料和系統(tǒng)科學(xué)跨學(xué)科的理解深度和解決問(wèn)題的能力。

選取該課程中比較常見(jiàn)的工程問(wèn)題為起點(diǎn)，教師可引導(dǎo)學(xué)生以“學(xué)科串”的方式逐步分析解決問(wèn)題。以確定內(nèi)燃機(jī)的主要零件-曲軸的選材與工藝路線為例。氣缸中的氣體壓力作用在活塞上，將連桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于曲軸主要承受沖擊和扭轉(zhuǎn)，曲軸的主要是失效形式是軸頸磨損和疲勞斷裂。因此曲軸的選材與熱處理工藝要針對(duì)以上兩種主要的失效形式。教師可根據(jù)曲軸的具體應(yīng)用場(chǎng)合將學(xué)生分組。因?yàn)槌Ｒ?jiàn)的工程問(wèn)題，教師需要引導(dǎo)學(xué)生處理好參考設(shè)計(jì)資料與創(chuàng)新的關(guān)系。學(xué)生根據(jù)曲軸的應(yīng)用場(chǎng)合選擇，分析其受力特點(diǎn)和主要的失效形式，查閱資料，選擇合適的材料以滿(mǎn)足具體的應(yīng)用要求。例如，球墨鑄鐵，經(jīng)正火后因?yàn)榫哂休^高的強(qiáng)度和屈強(qiáng)比、扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度和較好的減振性，是常用的制造曲軸的材料。通過(guò)鑄造的方法獲得球墨鑄鐵，依次進(jìn)行正火和高溫回火，最后進(jìn)行機(jī)械加工的工藝。學(xué)生通過(guò)某個(gè)具體的工程問(wèn)題，在團(tuán)隊(duì)中分工合作，提高利用已有資料解決實(shí)際問(wèn)題的能力，逐步建立自信。

（二）構(gòu)建以“可持續(xù)材料與能源體系”為中心的教學(xué)思想

未來(lái)的工業(yè)體系將融合機(jī)械、信息、分子、生物、能源，對(duì)傳統(tǒng)能源體系提出了更高的要求?；诖?，可持續(xù)發(fā)展的能源體系將關(guān)注節(jié)約能源、清潔生產(chǎn)、提高能源利用效率及開(kāi)發(fā)新能源與再生能源、改善生態(tài)環(huán)境和持續(xù)農(nóng)業(yè)與林業(yè)生產(chǎn)等方面[ 11 ]。建立未來(lái)的新機(jī)器及新工程體系，都直接或間接地與材料相關(guān)。因此，相關(guān)工程材料教學(xué)工作也需有效地建立可持續(xù)材料與能源與課堂教學(xué)的銜接，向?qū)W生強(qiáng)調(diào)先進(jìn)材料與先進(jìn)生產(chǎn)工藝流程是節(jié)約資源與減少環(huán)境污染的重要途徑。

“工程材料”課程以鐵碳合金以及熱處理為重點(diǎn)，介紹了常用的碳鋼、鑄鐵、合金鋼、有色金屬及其合金的成分、組織、性能和用途;工程塑料、橡膠、陶瓷、復(fù)合材料等常用非金屬材料的分類(lèi)、性能和用途。通過(guò)對(duì)工程材料及其熱處理過(guò)程的理解，合理選擇材料以節(jié)省資源，提高能源利用率。在該課程的授課過(guò)程中，教師不但強(qiáng)調(diào)以上基礎(chǔ)知識(shí)的重要性，還應(yīng)以“可持續(xù)材料與能源體系”為中心的教學(xué)思想，構(gòu)建教材的主要知識(shí)點(diǎn)與可持續(xù)能源體系的關(guān)聯(lián)，搭建課堂教學(xué)與工業(yè)界、產(chǎn)業(yè)界的橋梁。

在課堂教學(xué)中，教師需以“可持續(xù)材料與能源體系”為中心思想引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)常用工程材料的知識(shí)，也可引導(dǎo)學(xué)生接觸一些科研熱點(diǎn)以擴(kuò)展學(xué)生的眼界、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力。以研發(fā)具有某種特殊功能生物材料為例。杜仲是我國(guó)特有的經(jīng)濟(jì)樹(shù)種，可提取杜仲橡膠作為國(guó)家戰(zhàn)略資源?；谏镔|(zhì)精煉的杜仲全組分高效提取分離及其解離機(jī)制是目前的科研熱點(diǎn)問(wèn)題[ 12 ]。在該例中，教師可引導(dǎo)學(xué)生從學(xué)術(shù)調(diào)研入手，搜索關(guān)于針對(duì)杜仲不同器官的次級(jí)代謝產(chǎn)物積累規(guī)律，關(guān)注最新杜仲資源高效清潔提取利用的方法以及解離機(jī)制的探討。要求學(xué)生以口頭報(bào)告或者科研調(diào)研報(bào)告的形式，匯報(bào)調(diào)研結(jié)果，鍛煉學(xué)生的表達(dá)能力。通過(guò)關(guān)注最新科研資訊，可使學(xué)生了解最新的可持續(xù)材料與能源體系，還可激發(fā)學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力，同時(shí)有助于培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的思維。

（三）強(qiáng)化學(xué)生解決能源與動(dòng)力系統(tǒng)未知與復(fù)雜問(wèn)題的思維

新工程教育的培養(yǎng)目標(biāo)是使學(xué)生能夠運(yùn)用恰當(dāng)?shù)乃季S思考解決工程實(shí)踐中面臨的各種未知與復(fù)雜問(wèn)題。在完成工程材料課程的主要章節(jié)過(guò)程，需要加強(qiáng)學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力?？赏ㄟ^(guò)工程實(shí)例來(lái)鍛煉學(xué)生的工程思維。拖拉機(jī)變速箱的設(shè)計(jì)，時(shí)常用來(lái)鍛煉學(xué)生的實(shí)際工程問(wèn)題。例如某工程實(shí)際要求受力較大，同時(shí)受一定沖擊的拖拉機(jī)變速箱，齒輪硬度55～60HRC。要求通過(guò)選擇合適的材料、確定工藝路線及熱處理工藝，加強(qiáng)學(xué)生解決問(wèn)題的能力。拖拉機(jī)變速箱的設(shè)計(jì)涉及材料力學(xué)、工程材料以及機(jī)械設(shè)計(jì)等基本原理。為了更好地提高學(xué)生解決工程問(wèn)題的能力，學(xué)生需要從實(shí)際情況出發(fā)，基于前人的基礎(chǔ)和成果，善于掌握和使用各種設(shè)計(jì)資料，具體分析和創(chuàng)造性地進(jìn)行設(shè)計(jì)，逐漸提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。學(xué)生首先通過(guò)對(duì)拖拉機(jī)的工作條件，分析齒輪變速箱的主要受力及失效形式，進(jìn)而選擇合適的材料和熱處理工藝。

在未來(lái)的工業(yè)體系要求學(xué)生不但能夠解決實(shí)際工程問(wèn)題，也要求學(xué)生具有良好的人本思維。良好的人本思維需以學(xué)生為中心。教師在教學(xué)實(shí)踐中，樹(shù)立學(xué)生是自身學(xué)習(xí)過(guò)程的主人翁的理念，逐步加強(qiáng)學(xué)生對(duì)自身教育的責(zé)任感，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。教師通過(guò)預(yù)設(shè)工程情景，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性、充分發(fā)揮學(xué)生對(duì)該課程的興趣及學(xué)習(xí)潛能、引導(dǎo)學(xué)生在工程教育中獲得自我價(jià)值實(shí)現(xiàn)，在工程問(wèn)題的解決中逐步積累自信，成為具有競(jìng)爭(zhēng)力的新型復(fù)合型工程科技人才。

三、結(jié)語(yǔ)

面向能源與動(dòng)力工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)的“工程材料”教學(xué)研究與實(shí)踐，該論文結(jié)合未來(lái)新機(jī)器與新工程體系，提出了“工程材料”課程的創(chuàng)新型教學(xué)模式，以能源與動(dòng)力機(jī)械、材料和系統(tǒng)科學(xué)的跨學(xué)科“學(xué)科串”為中心，構(gòu)建可持續(xù)材料與能源體系，強(qiáng)化學(xué)生解決能源與動(dòng)力系統(tǒng)未知與復(fù)雜問(wèn)題的思維，將有效地提高該課程的教學(xué)效果。

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Abstract： Under the background of "emerging engineering education"， the teaching content， methods and means of innovation engineering education will be the important content in cultivating competitive and compound engineering science and technology talents. Based on the teaching research and practice of Engineering Materials course in energy and power engineering majors， this paper puts forward some proposals， such as constructing interdisciplinary learning method of "threading together different disciplines"， which combines energy and power machinery， materials and systems science， centering on "sustainable materials and energy system"， focusing on strengthening students' thinking ability in solving unknown and complex problems of energy and power systems， so as to improve the teaching effect of the course.

Key words： energy and power engineering majors; Engineering Materials; engineering education; teaching evaluation