《金屬材料學(xué)》創(chuàng)新性教學(xué)探討

安士忠 馬景靈 文九巴

摘 ?要：《金屬材料學(xué)》是材料類及機(jī)械類專業(yè)的基礎(chǔ)主干課程，教學(xué)效果對學(xué)生專業(yè)能力的培養(yǎng)意義重大。然而，現(xiàn)代科學(xué)的快速發(fā)展要求在課程教學(xué)中提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。本文結(jié)合河南科技大學(xué)《金屬材料學(xué)》教學(xué)的實(shí)踐，提出將最新的科學(xué)研究成果引入到課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)中的思路，在學(xué)生熟練掌握金屬材料科學(xué)基本原理的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性地思考、分析和解決問題的能力。

關(guān)鍵詞：金屬材料學(xué) ?課堂教學(xué) ?實(shí)踐教學(xué) ?創(chuàng)新能力培養(yǎng)

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-098X（2021）04（b）-0215-03

Discussion on Innovative Teaching of "Metal Materials Science"

AN Shizhong 1，2，3 ?MA Jingling 1，2 ?WEN Jiuba 1，2

（1.School of Materials Science and Engineering， Henan University of Science and Technology， Luoyang， Henan Province， 471023 ?China; 2. Collaborative Innovation Center of Nonferrous Metals， Henan Province， Luoyang， Henan Province， 471023 ?China; 3.Henan Key Laboratory of Nonferrous Materials

Science and Processing Technology， Luoyang， Henan Province， 471023 ?China）

Abstract： "Metal Materials Science" is the fundamental course for majors of materials and machinery， and the teaching effect is of great significance to the cultivation of students' professional ability. However， the rapid development of modern science requires the improvement of students' innovative ability through course teaching. Based on the teaching practice of "Metal Materials Science" in Henan University of Science and Technology， we propose the idea of introducing the latest scientific research results into classroom teaching and practical teaching. On the basis of students proficiently mastering the basic principles of metallic materials science， it focuses on cultivating students' ability to think， analyze， and solve problems creatively.

Key Words： Meta Materials Science; Classroom teaching; Practice teaching; Cultivation of innovation ability

金屬材料是純金屬（鐵、鋁、銅、錫、鎳、金、銀、鉛、鋅等）及其合金，具有優(yōu)異的力學(xué)性能及功能特性，在現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及服務(wù)業(yè)中均扮演重要的角色，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的地位舉足輕重[1]。金屬材料學(xué)是金屬材料領(lǐng)域的基礎(chǔ)科學(xué)，是材料類及機(jī)械類專業(yè)的基礎(chǔ)主干課程，其教學(xué)效果對于學(xué)生專業(yè)能力和素質(zhì)的培養(yǎng)意義重大。然而，現(xiàn)代科學(xué)的快速發(fā)展對《金屬材料學(xué)》的課堂教學(xué)提出了新的要求，學(xué)生除了要掌握基本原理之外，還需要具有進(jìn)行創(chuàng)新性研究和應(yīng)用的能力。為適應(yīng)新時期對《金屬材料學(xué)》教學(xué)的要求，本文提出了將最新的科學(xué)研究成果引入到課堂教學(xué)的思路，從最新的科學(xué)研究進(jìn)展同教學(xué)內(nèi)容、課堂教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)和課程考核4個方面有機(jī)結(jié)合的角度進(jìn)行探討。

1 ?教學(xué)內(nèi)容：選擇與教學(xué)大綱匹配的素材

首先，要選擇與教學(xué)大綱匹配的素材。科學(xué)研究成果更新速度快，如何選擇適合進(jìn)行《金屬材料學(xué)》教學(xué)的素材，建立選擇的標(biāo)準(zhǔn)和體系是第一步。具體結(jié)合金屬材料領(lǐng)域在《Nature》和《Science》等世界著名期刊上發(fā)表的最新成果，和金屬材料學(xué)中的基本原理及知識點(diǎn)相對應(yīng)。在講述課程大綱要求的相應(yīng)內(nèi)容時，將這些最新的科研成果穿插進(jìn)去，形成無縫銜接。例如，在講述特種鋼這一知識點(diǎn)時，可以結(jié)合2017年在《Nature》雜志上發(fā)表的論文《Ultrastrong steel via minimal lattice misfit and high-density nanoprecipitation》（《小的晶格錯配和高密度納米沉淀強(qiáng)化的超強(qiáng)鋼》）[2]。該論文報道了一類由Ni（Al，F(xiàn)e）沉淀相強(qiáng)化的鋼，該鋼的強(qiáng)度高達(dá)2.2GPa，延伸率為8.2%。該項(xiàng)研究和金屬材料強(qiáng)化的基本原理之一沉淀強(qiáng)化密切相關(guān)，同時兩相的晶體結(jié)構(gòu)存在很小的晶格錯配度。這篇論文可以作為一個鋼強(qiáng)化的重要素材。另外，2020年在《Nature》雜志上發(fā)表的論文《High-strength Damascus steel by additive manufacturing》（《采用增材制造的方法制備高強(qiáng)度大馬士革鋼》）[3]。該論文采用了增材制造方法制備高強(qiáng)度鋼，可以作為新型鋼鐵材料的一個素材。同時，還利用了循環(huán)加熱的方法來控制納米沉淀相和馬氏體相變，可以作為金屬材料的相變及其控制的典型素材來選入。所選素材可以隨著新的科學(xué)研究進(jìn)展而更新，有利于更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2 ?課堂教學(xué)：開展基本原理專題應(yīng)用模塊

課堂教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的主陣地?！督饘俨牧蠈W(xué)》所講授的重點(diǎn)是合金化原理等基礎(chǔ)理論，學(xué)生在學(xué)習(xí)的時候會感覺比較抽象，存在不好理解以及不清楚如何應(yīng)用的情況。鑒于基礎(chǔ)理論在解決具體科學(xué)和技術(shù)問題上起指導(dǎo)作用，我們提出了在《金屬材料學(xué)》課堂教學(xué)中開展基本原理專題應(yīng)用模塊的培養(yǎng)思路。

在選定好素材以后，由于最新的科學(xué)研究成果的綜合性強(qiáng)，要起到培養(yǎng)和提升學(xué)生創(chuàng)新能力的作用，開展創(chuàng)新專題講座十分重要，同時要和金屬材料學(xué)基本原理進(jìn)行有效的銜接和結(jié)合。具體而言，就是在剛剛講過某基本原理之后，開設(shè)相應(yīng)的專題應(yīng)用模塊。例如，在講完金屬材料強(qiáng)化的基本原理之后，以《Nature》雜志上發(fā)表的論文《Ultrastrong steel via minimal lattice misfit and high-density nanoprecipitation》進(jìn)行專題應(yīng)用模塊舉例[2]。從合金成分的設(shè)計，到具體工藝和結(jié)構(gòu)調(diào)控，再到材料的性能，重點(diǎn)講材料強(qiáng)化的基本原理及其實(shí)現(xiàn)方法。具體而言，合金成分設(shè)計方面，選擇Fe-18Ni3Al4Mo0.8Nb0.08C0.01B （wt.%），該成分中的Ni和Al為鋼材中形成Ni（Al，F(xiàn)e）沉淀相提供了成分方面的基礎(chǔ)。而要形成具有良好強(qiáng)化效果的沉淀相，還需要選擇合適的制備工藝，這里首先經(jīng)過固溶處理（950℃，10min），然后進(jìn)行時效處理（500℃，3h），最后在鋼材中形成高密度（1024/m3）小尺寸（2.7±0.2nm）的納米沉淀相。由于比較小的晶格錯配度和高密度小尺寸的納米沉淀相，該鋼材獲得了高強(qiáng)度和延展性的組合（2.2GPa， 8.2%）。這里所用到的最主要的強(qiáng)化機(jī)理就是沉淀強(qiáng)化，強(qiáng)化相為高密度小尺寸的納米沉淀相。在進(jìn)行專題應(yīng)用講座的時候，需要對最新科學(xué)研究中的內(nèi)容進(jìn)行精簡，根據(jù)學(xué)生的現(xiàn)有知識水平來進(jìn)行選擇，避免造成學(xué)生過于吃力、聽不懂的情況出現(xiàn)，從而起到培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用基本原理或知識來解決實(shí)際問題的能力。

3 ?實(shí)踐教學(xué)：與前沿科學(xué)研究進(jìn)展相結(jié)合

要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，課堂教學(xué)是一部分，實(shí)踐教學(xué)也十分重要。要做到將前沿科學(xué)研究進(jìn)展與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，可以將實(shí)踐教學(xué)與教師的科研結(jié)合起來。讓學(xué)生參與到科研實(shí)踐中來，在實(shí)踐中深入體會金屬材料學(xué)的基本知識和原理，提升創(chuàng)新能力。

以筆者本人研究的SmCo永磁材料[4]為例，電弧熔煉鑄錠由晶粒尺寸為微米級的SmCo晶態(tài)相組成，經(jīng)過高能球磨以后變?yōu)镾mCo非晶相，進(jìn)一步熱處理，SmCo非晶相晶化為晶粒尺寸在納米級別的SmCo相，通過調(diào)整熱處理溫度可以進(jìn)一步調(diào)整其晶粒尺寸和相組成，而且隨著材料相組成的變化，其磁性能也發(fā)生變化。通過設(shè)計這個實(shí)驗(yàn)，可以全面培養(yǎng)學(xué)生對材料的制備工藝、微觀組織結(jié)構(gòu)以及性能之間關(guān)系的認(rèn)識，提高創(chuàng)新性設(shè)計和開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)的能力[5]。

近年來，河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院在有色金屬的研究方面取得了重要進(jìn)展，可將該部分的研究進(jìn)展同《金屬材料學(xué)》的實(shí)踐教學(xué)結(jié)合起來。以銅合金的研究為例，合金化的方法可以提高銅合金的強(qiáng)度，但是會降低它的導(dǎo)電性。在盡量少地降低導(dǎo)電性的前提下，如何提高銅合金的強(qiáng)度是高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金研究的重點(diǎn)。在設(shè)計實(shí)驗(yàn)的時候，可選擇Cu-Cr-Zr合金為研究對象，從相圖和成分設(shè)計出發(fā)，探討Cr、Zr合金元素添加對銅的強(qiáng)度和導(dǎo)電性的作用，分析熱處理、變形和擠壓工藝等對其微觀結(jié)構(gòu)的影響。通過本實(shí)驗(yàn)，可以將學(xué)院教師在該方面最新的研究思路、研究方法和研究成果系統(tǒng)地教給學(xué)生，培養(yǎng)學(xué)生利用《金屬材料學(xué)》中合金化基本原理、銅合金相圖等基礎(chǔ)知識進(jìn)行創(chuàng)新性科學(xué)研究的能力。

如今，交叉學(xué)科成為進(jìn)行科學(xué)研究創(chuàng)新的重要領(lǐng)域。要在交叉學(xué)科領(lǐng)域進(jìn)行創(chuàng)新性研究工作的關(guān)鍵是要有將不同學(xué)科和領(lǐng)域的知識進(jìn)行融合的意識。為了培養(yǎng)學(xué)生這方面的創(chuàng)新意識，可以設(shè)計相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。例如，可將電化學(xué)和金屬材料學(xué)進(jìn)行結(jié)合設(shè)計實(shí)驗(yàn)，包括采用電化學(xué)測試手段表征金屬材料的腐蝕，采用電化學(xué)合成制備金屬納米顆粒，采用電化學(xué)原理將金屬材料做成燃料電池—— 金屬空氣電池等。通過設(shè)計幾個“電化學(xué)學(xué)科與金屬材料學(xué)科”交叉的實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生將不同學(xué)科領(lǐng)域進(jìn)行結(jié)合的意識，在學(xué)生心中埋下一顆交叉學(xué)科創(chuàng)新的種子。

4 ?課程考核：增加創(chuàng)新性應(yīng)用開放性試題

為了考察創(chuàng)新性教學(xué)的效果，增加這方面的課程考核十分必要。在設(shè)計試題時，可以增加部分考察學(xué)生創(chuàng)新能力的開放性試題。這些試題的內(nèi)容可以從最新科學(xué)研究成果中選擇。例如，從2020年發(fā)表在《Nature Materials》上的名為《Mechanism of collective interstitial ordering in Fe–C alloys》（《Fe–C合金中集體間隙有序化機(jī)制》）的論文[5]中選取無序的bcc相轉(zhuǎn)變?yōu)橛行虻腷ct相的例子，考察相變過程對材料體積以及內(nèi)應(yīng)力的影響。雖然論文中許多內(nèi)容超出了本科生的知識與能力范圍，但是可以從中選取與《金屬材料學(xué)》基本原理相關(guān)的內(nèi)容來考察學(xué)生運(yùn)用知識的能力。再例如，選取2020年發(fā)表在《Science》上的名為《Ultrahigh-strength and ductile superlattice alloys with nanoscale disordered interfaces》（《具有納米無序界面的超高強(qiáng)高韌超晶格合金》）中納米無序界面的存在，可以獲得高達(dá)1.6GPa的超高強(qiáng)度和25%的拉伸延展性[6]。借此，可以考察學(xué)生影響合金的強(qiáng)度和塑性的因素。通過這些開放性試題，在給學(xué)生留下深刻印象的同時，培養(yǎng)和考察學(xué)生的創(chuàng)新能力。

5 ?結(jié)語

在《金屬材料學(xué)》教學(xué)的過程中，為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，本文提出了將最新的科學(xué)研究成果引入到課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)中的思路。在選擇與教學(xué)大綱相匹配的素材的基礎(chǔ)上，在課堂教學(xué)中開展專題應(yīng)用模塊，在實(shí)踐教學(xué)中與前沿科學(xué)研究進(jìn)展相結(jié)合，并在課程考核過程中增加創(chuàng)新性應(yīng)用的開放性試題。以學(xué)生能夠熟練掌握《金屬材料學(xué)》的基本原理并靈活運(yùn)用為目的，在教學(xué)的各個環(huán)節(jié)嵌入提高學(xué)生創(chuàng)新能力的內(nèi)容，提升《金屬材料學(xué)》創(chuàng)新性教學(xué)的質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]呂哲，周艷文.職業(yè)院?！督饘俨牧蠈W(xué)》課程教學(xué)改革創(chuàng)新與實(shí)踐[J].中國培訓(xùn)，2020（8）：69-70.

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[3]Kürnsteiner P， Wilms M B， Weisheit A， et al. High-strength Damascus steel by additive manufacturing[J].Nature，2020，582 （7813）： 515-519.

[4]An S， Li W， Song K，et al.Phase transformation in anisotropic nanocrystalline SmCo5 magnets[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials， 2019， 469： 113-118.

[5]Zhang X， Wang H， Hickel T， et al. Mechanism of collective interstitial ordering in Fe–C alloys[J]. Nature Materials， 2020，

[6]Yang T， Zhao Y L， Li W P， et al. Ultrahigh-strength and ductile superlattice alloys with nanoscale disordered interfaces[J]. Science， 2020，369（6502）：427-432.