應用型機械專業《工程材料》課程教學改革的探討

王殿梁，鐘美鵬

（1.嘉興學院 南湖學院，浙江 嘉興 314001；2.嘉興學院 機電工程學院，浙江 嘉興 314001）

應用型機械專業《工程材料》課程教學改革的探討

王殿梁1，鐘美鵬2

（1.嘉興學院 南湖學院，浙江 嘉興 314001；2.嘉興學院 機電工程學院，浙江 嘉興 314001）

綜合分析了應用型機械專業《工程材料》課程的課程體系及教學中存在的問題，提出了以組織-性能的關系為主線，降低難度，以點帶面，理論聯系實際的教學改革理念，并以具體實例詳細敘述了教改的落實情況.

工程材料；教學改革；機械專業

《工程材料》是本科院校機械類專業的基礎課，它從材料的組成（元素）出發，研究了材料在不同條件下的微觀結構（組織）及其轉變，再從微觀結構引申到材料的性能，從性能聯系到材料的應用.從而，形成了以材料的組成、組織演變為理論基礎，以實用工程材料選擇為目的的教學過程.工程材料的理論部分抽象、難度大；應用部分范圍廣，對沒有專業基礎的大二學生，很難理解工程中的實際問題.因此，調節教學內容，理論與實用有機結合，是提高工程材料課程教學質量、落實應用型本科院校人才培養目標的關鍵所在.本人依據多年的教學經驗和對應用型本科院校人才培養目標的理解，提出了《工程材料》課程教學改革的一些設想，供同仁們參考和探討.

1 工程材料課程體系的現狀

1.1 工程材料包含的內容

工程材料課程是由傳統的“金屬學與熱處理”課程演變而來，而“金屬學與熱處理”課程是將材料專業的“金屬學原理”和“熱處理”中的基本內容濃縮、簡化后形成的教學內容[1]，包括晶體學理論、凝固理論、塑性變形理論、相圖、熱處理和金屬材料等，課程偏重于材料的理論問題.進入21世紀以來，我國的高等教育逐步走向大眾化，應用型本科院校應運而生，應用型本科院校更注重培養學生的應用性.為此，“金屬學與熱處理”教材及課程體系都做出了重大的改革，課程名稱改為了“工程材料”，適應新培養模式的教材也相繼出版[2，3].新教材以培養學生合理選擇材料、正確加工材料的能力為重點，基礎理論以夠用為度，對理論部分進行了精簡，而對應用部分進行了拓寬[3].形成了以材料性能、材料學基礎知識、常用工程材料、材料選用等四大部分組成的知識體系.

四大組成部分的知識結構和要求有很大不同，材料性能部分屬于基本概念和定義的問題，材料學基礎部分強調理論，常用工程材料部分屬于理論、應用并重，材料選用部分是以實際應用為基礎，理論實用相結合.

1.2 工程材料課程面臨的問題

1.2.1 實踐環節的滯后問題

工程材料課程的目的是掌握材料的性能和應用[5]，談到應用就必需接觸實際生產工藝.金工實習是學生接觸材料熱處理、材料加工工藝最多的實踐環節，但由于受多門教學課程的影響，金工實習是在工程材料課程之后開設的.由于沒有金工實習的感性認識，學生對鑄造、鍛造、焊接、熱處理、機械加工（刀具、結構件等）等基本概念不清楚，對具體零件的使用性能要求就更加困惑了.因此，如何在課堂上將工程實際問題展現給學生是解決這個問題的關鍵.

1.2.2 理論抽象問題

工程材料課程即沒有數學、力學、物理等課程的嚴密邏輯推導，也沒有制圖、計算機等課程的直觀操作，大多是材料的組織轉變問題，而在生產中組織是看不見的，也很難用公式計算那樣去推導.學生對組織感到非常困惑，以至于失去了學習信心.但沒有組織分析就沒有材料研究的科學意義，如何引導學生懂得組織的重要性，學會分析組織的方法尤為重要.

1.2.3 材料種類過多問題

在“厚基礎，寬口徑”的人才培養目標指引下，工程材料課程的常用工程材料部分包含了金屬材料、高分子材料、無機非金屬材料等三種，數量繁多.這些材料在化學成分、構成機理、性能上有很大的區別，即便是材料學專業的本科生，也按上述三種分類設置模塊方向.所以，對于機械專業同時學習三種材料的難度很大.為降低學習難度，教學中以金屬材料中的鋼鐵為重點，對高分子材料工程、陶瓷材料和復合材料等章節，只是簡單的介紹了結構與性能特點，沒有體現組織、性能、應用的連貫性，教學效果不佳.

1.2.4 實驗課設置問題

工程材料課程共40學時，實驗占6學時，其中的硬度實驗是測定不同材料的洛氏硬度或布氏硬度，屬于性能檢測部分的驗證性實驗.鐵碳合金平衡組織觀察是分析了不同合金的室溫組織，也屬于驗證性實驗.熱處理實驗首先是制定鋼的熱處理工藝，再進行淬火處理，最后檢測材料的組織和性能.將工藝、組織、性能聯系在一起，是典型的綜合性實驗，效果很好.實驗環節的主要問題是驗證性實驗的比例大，而且硬度實驗只是使學生學會了硬度的檢測方法，過于簡單，沒有理論性的指導意義.因此，改革實驗教學內容，增添綜合性實驗很有必要.

2 工程材料課程的教學改革

2.1 貫穿“組織決定性能”主線

材料是人們生活中不可缺少的物質，自從世界上出現了人類文明，也就相繼產生了材料.盡管材料的發展歷程特別悠久、漫長，但材料作為一種研究性的科學也不過150年.1863年光學顯微鏡首次用于金屬的微觀研究，人們看到了金屬的微觀結構—組織，并開始研究組織與性能的關系，從而誕生了金屬學理論.20世紀初出現的X射線衍射技術和電子顯微分析技術，把人們帶入納米級的微觀世界，使金屬學理論及應用技術有了很大提升.因此，組織是材料科學的基礎，也是靈魂.

在教學中要始終貫徹“組織決定性能”這一理念.做到分合相繼，變分散為集中[4].如在講解晶體結構部分時，從三個常見的晶體結構，聯系到鋼的同素異構轉變，再引申到鋼在常溫、高溫的性能（如塑形）比較.這樣，將一個抽象的理論（組織）與直觀的實際（性能）聯系起來，使學生深刻的認識到“組織”的重要性，激起學生對“組織”研究的興趣，實際上也是教會了學生研究材料的方法.

2.2 突出重點，降低難度

相圖是分析材料組織演變的最重要理論依據.做為傳統的Fe-C合金，不論是目前，還是在人們有預見的將來，都是不可代替的材料，因此，在諸多相圖分析中，Fe-C合金相圖部分無疑是重中之重.Fe-C合金相圖將簡單的勻晶、共晶、包晶、共析等相圖基本知識融為一體，內容多而復雜，學生學習難度很大，是教學中的難點問題.如何做到即能確保重點，又能突破難點？是教學中要思考的問題.

首先是確保理論基礎，從分析簡單Cu-Ni、Pb-Sn、Pb-Sn等合金的相圖入手，使學生掌握結晶、共晶、共析、質量百分數等基本理論，了解什么是相圖？相圖的作用是什么？怎樣分析相圖？其次是從工程實際出發，簡化難度較大的Fe-C合金相圖.Fe-C合金相圖中，包含了三大類合金：工業純鐵、鋼和白口鑄鐵，工業純鐵相變簡單，白口鑄鐵應用很少，鋼是用途廣泛的材料.教學中重點講解鋼的平衡結晶問題，工業純鐵和白口鑄鐵部分只做簡單介紹，也可以學生自學.另外，相圖給出的是從高溫的液相平衡冷卻至室溫，而實際工程應用大多是從奧氏體區冷卻到室溫，在分析鋼的平衡結晶問題時，可以從奧氏體區開始分析.經過以上的簡化，學習難度大大降低，重點內容也得到了保證.

2.3 理論與實際的生動結合

將理論知識和實踐相結合，可以鞏固基本理論、培養學生的創造性思維能力和解決實際問題能力.我們采取的方法首先是調整實驗體系，提高學生的綜合分析問題能力.如將原來的驗證性實驗-硬度實驗，改為綜合性實驗-低碳鋼拉伸時的組織性能分析，改后的實驗與工程力學課程相結合，清晰的展現了材料在拉伸過程中的組織演變與性能（強度、硬度）的關系[5]，又保留了原實驗中的布氏硬度檢測部分，效果很好.另外，還開設開放性實驗—滲碳鋼的組織與性能分析，鼓勵學生利用課余時間進行實驗，提高學生的動手能力和分析問題能力.

其次是解決金工實習的滯后問題.工程材料中的諸多理論問題，都有相對應的實際應用，如凝固理論—鑄造生產；塑形變形理論—鍛造、軋制，鋼的熱處理—淬火、退火，工具鋼—刀具、模具，結構鋼—齒輪、軸等.這些生產工藝或零部件，在學生沒有進行金工實習之前是接觸不到的.為了解決這一問題，我們結合教學內容，錄制了相關的生產場景，利用現有的多媒體教學條件，將實踐性的場面及問題移植到課堂上，再提出工程中所關心的問題，如溫度、塑形、硬度等，激發了學生的學習熱情，也彌補了教學計劃中的不足.

最后是組織演變的直觀化.由于材料組織演變的難以捕捉性，有很多是通過示意圖的形式解釋組織的演變，使問題變得更加抽象，也缺乏生動性.我們結合教學中的實際問題，查閱相關文獻，如金相圖譜，將教材中的示意圖與真實組織進行對照，增加說服力，提高教學效果.

2.4 以點帶面，刪繁就簡

在工程材料的應用部分，涉及到的材料種類、工藝繁多，一一介紹是不可能的，采取表格、對比的方法讓學生掌握各種材料的特點和應用也很乏味.我們把教學目標定為學會選擇材料的方法上，以機械行業的常用零件（齒輪、軸、箱體、刀具等）為例，從零件的使用要求（性能）入手，材料選擇、制訂熱處理工藝、分析最終組織，深入貫徹了組織決定性能的理念.對于用途相對較少的陶瓷材料、高分子材料，只做科普性的要求，留給學生課后自學.切勿圖大貪多，枯燥的講解各種零件的性能要求，再簡單的去查表比較各種材料的性能，破壞了知識結構的完整性.

總之，貫徹應用型本科的人才培養目標，以學生的實際接受能力為依據，不求深度與數量，但求質量與效果，樹立組織決定性能的理念，學會分析選擇材料的方法，提高學生的實際工程能力.

〔1〕葉宏，李暉，鄭章耕.《工程材料》課程建設與改革的探討[J].重慶工業高等專科學校學報，2004，19(4)：97-98.

〔2〕于艷麗，胡鳳翔.工程材料及熱處理.北京理工大學出版社，2008.

〔3〕王章忠.機械工程材料.機械工業出版社，2010.

〔4〕魏德強，王榮，薛興，等.《機械工程材料》課程教學改革的探討[J].湘潭師范學院學報，2007，29(4)：183-185.

〔5〕王殿梁，熊小青，黃發軍.材料塑形變形過程中組織與性能關系的綜合實驗設計[J].熱加工工藝，2010，40(16)：13-15.

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