材料工程與安全教學(xué)實(shí)踐反思

郭 帥 趙性川* 王長(zhǎng)征

（聊城大學(xué) 山東·聊城 252000）

0 引言

能源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基石，是我國(guó)實(shí)現(xiàn)偉大復(fù)興的重要?jiǎng)恿?，也是未?lái)科學(xué)發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域和面臨的重大挑戰(zhàn)之一。最近，“碳達(dá)峰-碳中和”已經(jīng)被列為國(guó)家戰(zhàn)略，如何能夠在2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年實(shí)現(xiàn)碳中和是我國(guó)目前工作的重中之重[1，2]。材料是人類生存與發(fā)展的基本物質(zhì)，其中又以金屬材料的應(yīng)用范圍最廣。雖然我國(guó)近幾十年在金屬材料領(lǐng)域已經(jīng)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，但是在生產(chǎn)或制備金屬材料及金屬零部件時(shí)，仍然存在能源利用率不高，產(chǎn)生大量的污染物等問(wèn)題[3]。因此，引導(dǎo)學(xué)生熟悉理解傳統(tǒng)工藝在環(huán)境保護(hù)方面的缺點(diǎn)以及治理方式，并向?qū)W生介紹當(dāng)前最先進(jìn)的綠色生產(chǎn)工藝是非常必要的。在這種背景下，聊城大學(xué)金屬材料工程系開(kāi)設(shè)了材料工程與安全這門課。

1 材料工程與安全授課方式探索

1.1 課程導(dǎo)入

不同于專業(yè)性很強(qiáng)的課程，比如材料測(cè)試研究方法，僅通過(guò)材料工程與安全的課程名稱很難了解這門課的授課內(nèi)容。因此有效的課程介紹，不僅可以幫助學(xué)生盡快了解課程內(nèi)容，還有助于提高授課效率。因?yàn)檫@門課主要面向金屬材料工程專業(yè)的學(xué)生授課，所以材料工程更多的是指金屬材料工程，而安全則是指環(huán)境安全以及環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。因此材料工程與安全這門課講授的是金屬材料工程領(lǐng)域在快速發(fā)展的同時(shí)，如何能夠保證環(huán)境的安全以及可持續(xù)發(fā)展。

1.2 課程內(nèi)容安排

作為一門專業(yè)選修課，該課程并沒(méi)有安排固定課本。那么，在授課過(guò)程中，對(duì)內(nèi)容的合理安排是十分有必要的。金屬類制品在廢棄甚至投放市場(chǎng)之前，需要經(jīng)過(guò)非常多的工序，包括采礦、選礦、冶煉、加工及制備等[4，5]。因此可以按照上述工序，依次介紹各生產(chǎn)工序可能產(chǎn)生污染物的種類以及特征，并給出合理的治理方案。另外，在課程的最后一部分，可以向?qū)W生介紹目前國(guó)內(nèi)外前沿的合金成分設(shè)計(jì)方法，先進(jìn)的采選礦技術(shù)以及成形方法等綠色生產(chǎn)工藝，這在一定程度上可以幫助學(xué)生選擇未來(lái)的研究方向或者就業(yè)方向。

除了授課部分外，為了加深學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的理解以及鍛煉學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，可以將學(xué)生進(jìn)行分組，并以先進(jìn)材料及技術(shù)為主題，討論目前國(guó)內(nèi)外的新型合金以及先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)，并讓學(xué)生制作出相應(yīng)的PPT在課堂上進(jìn)行講解。

1.3 案例式教學(xué)

材料工程與安全這門課的教學(xué)目標(biāo)是指導(dǎo)學(xué)生了解在采礦、選礦、冶煉、加工制備及材料廢棄過(guò)程中對(duì)環(huán)境及資源可能產(chǎn)生的負(fù)面影響，掌握對(duì)高污染、高消耗等傳統(tǒng)技術(shù)的改進(jìn)方案以及對(duì)廢氣、廢水、廢渣等污染物的治理方案，理解實(shí)現(xiàn)金屬材料清潔生產(chǎn)的基本原則和方法。由于該課程涉及到的理論內(nèi)容較少，實(shí)際操作內(nèi)容較多，因此更適合采用案例式教學(xué)。

我國(guó)力求在2030年達(dá)到碳達(dá)峰，2060年實(shí)現(xiàn)碳中和。那么，在這種背景下，金屬材料領(lǐng)域可以為碳達(dá)峰和碳中和的實(shí)現(xiàn)做出哪些工作呢？零部件從開(kāi)始使用到廢棄的時(shí)間長(zhǎng)短是影響資源利用率和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要因素。如果零部件的有效使用壽命可以明顯延長(zhǎng)，那么意味著能源和原料的利用率也將大大提高[6]。例如，對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)件來(lái)說(shuō)，如果比剛度、比強(qiáng)度、耐疲勞度、耐高溫、抗腐蝕等性能可以明顯提高，那么轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)件的使用壽命也會(huì)大大提高，進(jìn)而可以提高發(fā)電裝置的效率。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，未來(lái)可以大力開(kāi)發(fā)綜合性能更加優(yōu)異的新型材料，例如高溫合金、耐熱鋼、高熵合金等。

另外，傳統(tǒng)的合金成分設(shè)計(jì)方法往往以實(shí)驗(yàn)和理論相結(jié)合為主，采用試錯(cuò)的方式進(jìn)行成分篩選，這種方法效率低，且容易造成材料浪費(fèi)。二十世紀(jì)中葉，世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)在美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)誕生。隨后，以計(jì)算機(jī)作為工具的各類材料科學(xué)模擬方法也開(kāi)始快速發(fā)展。因此，未來(lái)在新材料研發(fā)方面，可以借助高性能計(jì)算機(jī)，利用宏微觀模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)新型材料的設(shè)計(jì)以及性能預(yù)測(cè)，這些技術(shù)的綜合應(yīng)用既可以節(jié)約資源，又高效可控[7]。

1.4 課程思政在課堂上的應(yīng)用

課堂思政是指在授課過(guò)程中，將思想政治知識(shí)，正確的價(jià)值理念及精神追求融入到課堂中去，潛移默化的引導(dǎo)學(xué)生樹(shù)立正確的人生觀、價(jià)值觀和世界觀。當(dāng)前的中國(guó)正處于百年未有之大變局，也正處于實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的關(guān)鍵時(shí)期。在這個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻，確保我們國(guó)家的學(xué)生不被境外敵對(duì)勢(shì)力灌輸錯(cuò)誤的理念和信息是我們作為教師的重要責(zé)任。

當(dāng)前我國(guó)正處于實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的關(guān)鍵時(shí)刻，雖然我們已經(jīng)在中低端產(chǎn)業(yè)牢牢站住了腳，但這并不足以支撐我們重新站上世界民族之巔，這部分產(chǎn)業(yè)的利潤(rùn)并也不足以讓中國(guó)人民過(guò)上發(fā)達(dá)國(guó)家的生活。因此，未來(lái)我國(guó)勢(shì)必會(huì)大力發(fā)展高端產(chǎn)業(yè)，而新型金屬材料的設(shè)計(jì)、研發(fā)與制造正是高端制造業(yè)的重要組成部分[8，9]。目前我國(guó)使用的許多性能優(yōu)異的合金都是由國(guó)外設(shè)計(jì)研發(fā)的，例如，Ti-6Al-4V等[10]。未來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)力的逐漸強(qiáng)盛，研發(fā)投入也會(huì)逐漸加大，我們國(guó)家也將會(huì)設(shè)計(jì)出越來(lái)越多性能優(yōu)異，并被世界其它國(guó)家廣泛應(yīng)用的新型合金。因此，有效的課堂思政不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的愛(ài)國(guó)情懷，還可以幫助學(xué)生在自己的專業(yè)領(lǐng)域?yàn)樽约涸O(shè)置奮斗目標(biāo)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)動(dòng)力。

1.5 教學(xué)過(guò)程反思

第一，在進(jìn)行案例講解時(shí)，與學(xué)生的互動(dòng)度不夠，后續(xù)有待加強(qiáng)，例如，在講到冶煉過(guò)程會(huì)產(chǎn)生三廢時(shí)，可以讓同學(xué)們分享自己家鄉(xiāng)周邊可能存在的工業(yè)污染現(xiàn)象，并讓他們以工程師的角度設(shè)計(jì)工藝改進(jìn)方案或者三廢治理方案；第二，在科普目前最前沿的制備工藝或者新型材料時(shí)，應(yīng)該與學(xué)生的專業(yè)課相結(jié)合，將工藝原理以及新型材料設(shè)計(jì)方法講清楚，這樣可以幫助學(xué)生加深對(duì)自己專業(yè)課內(nèi)容的理解；第三，雖然授課過(guò)程中給出了大量的數(shù)據(jù)和原理圖幫助學(xué)生理解污染的具體狀況以及工藝技術(shù)，但仍然不夠直觀，因此后續(xù)可以加入視頻幫助學(xué)生理解。第四，授課過(guò)程中沒(méi)有注重與學(xué)生之間的溝通交流，在課堂上不應(yīng)該采取滿堂灌的方式進(jìn)行授課，每節(jié)課應(yīng)該留出少部分時(shí)間與同學(xué)們交流，讓同學(xué)們分享本節(jié)課的學(xué)習(xí)心得和體會(huì)。

2 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)簡(jiǎn)單的課程導(dǎo)入和邏輯性的課程內(nèi)容安排，可以幫助學(xué)生快速了解課程的基本內(nèi)容，加強(qiáng)對(duì)課程內(nèi)容的理解；案例式教學(xué)是提高材料工程與安全授課效率的有效方式，在課堂上給出相關(guān)案例，通過(guò)分組的方式讓同學(xué)們討論并給出小組的綜合看法，有助于活躍課堂氣氛，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性；將授課內(nèi)容與思政教育有機(jī)結(jié)合，可以在幫助學(xué)生開(kāi)闊視野的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的愛(ài)國(guó)情懷，引導(dǎo)學(xué)生樹(shù)立正確的價(jià)值觀、人生觀和世界觀。