应用型机械专业《工程材料》课程教学改革的探讨

王殿梁，钟美鹏

（1.嘉兴学院 南湖学院，浙江 嘉兴 314001；2.嘉兴学院 机电工程学院，浙江 嘉兴 314001）

应用型机械专业《工程材料》课程教学改革的探讨

王殿梁1，钟美鹏2

（1.嘉兴学院 南湖学院，浙江 嘉兴 314001；2.嘉兴学院 机电工程学院，浙江 嘉兴 314001）

综合分析了应用型机械专业《工程材料》课程的课程体系及教学中存在的问题，提出了以组织-性能的关系为主线，降低难度，以点带面，理论联系实际的教学改革理念，并以具体实例详细叙述了教改的落实情况.

工程材料；教学改革；机械专业

《工程材料》是本科院校机械类专业的基础课，它从材料的组成（元素）出发，研究了材料在不同条件下的微观结构（组织）及其转变，再从微观结构引申到材料的性能，从性能联系到材料的应用.从而，形成了以材料的组成、组织演变为理论基础，以实用工程材料选择为目的的教学过程.工程材料的理论部分抽象、难度大；应用部分范围广，对没有专业基础的大二学生，很难理解工程中的实际问题.因此，调节教学内容，理论与实用有机结合，是提高工程材料课程教学质量、落实应用型本科院校人才培养目标的关键所在.本人依据多年的教学经验和对应用型本科院校人才培养目标的理解，提出了《工程材料》课程教学改革的一些设想，供同仁们参考和探讨.

1 工程材料课程体系的现状

1.1 工程材料包含的内容

工程材料课程是由传统的“金属学与热处理”课程演变而来，而“金属学与热处理”课程是将材料专业的“金属学原理”和“热处理”中的基本内容浓缩、简化后形成的教学内容[1]，包括晶体学理论、凝固理论、塑性变形理论、相图、热处理和金属材料等，课程偏重于材料的理论问题.进入21世纪以来，我国的高等教育逐步走向大众化，应用型本科院校应运而生，应用型本科院校更注重培养学生的应用性.为此，“金属学与热处理”教材及课程体系都做出了重大的改革，课程名称改为了“工程材料”，适应新培养模式的教材也相继出版[2，3].新教材以培养学生合理选择材料、正确加工材料的能力为重点，基础理论以够用为度，对理论部分进行了精简，而对应用部分进行了拓宽[3].形成了以材料性能、材料学基础知识、常用工程材料、材料选用等四大部分组成的知识体系.

四大组成部分的知识结构和要求有很大不同，材料性能部分属于基本概念和定义的问题，材料学基础部分强调理论，常用工程材料部分属于理论、应用并重，材料选用部分是以实际应用为基础，理论实用相结合.

1.2 工程材料课程面临的问题

1.2.1 实践环节的滞后问题

工程材料课程的目的是掌握材料的性能和应用[5]，谈到应用就必需接触实际生产工艺.金工实习是学生接触材料热处理、材料加工工艺最多的实践环节，但由于受多门教学课程的影响，金工实习是在工程材料课程之后开设的.由于没有金工实习的感性认识，学生对铸造、锻造、焊接、热处理、机械加工（刀具、结构件等）等基本概念不清楚，对具体零件的使用性能要求就更加困惑了.因此，如何在课堂上将工程实际问题展现给学生是解决这个问题的关键.

1.2.2 理论抽象问题

工程材料课程即没有数学、力学、物理等课程的严密逻辑推导，也没有制图、计算机等课程的直观操作，大多是材料的组织转变问题，而在生产中组织是看不见的，也很难用公式计算那样去推导.学生对组织感到非常困惑，以至于失去了学习信心.但没有组织分析就没有材料研究的科学意义，如何引导学生懂得组织的重要性，学会分析组织的方法尤为重要.

1.2.3 材料种类过多问题

在“厚基础，宽口径”的人才培养目标指引下，工程材料课程的常用工程材料部分包含了金属材料、高分子材料、无机非金属材料等三种，数量繁多.这些材料在化学成分、构成机理、性能上有很大的区别，即便是材料学专业的本科生，也按上述三种分类设置模块方向.所以，对于机械专业同时学习三种材料的难度很大.为降低学习难度，教学中以金属材料中的钢铁为重点，对高分子材料工程、陶瓷材料和复合材料等章节，只是简单的介绍了结构与性能特点，没有体现组织、性能、应用的连贯性，教学效果不佳.

1.2.4 实验课设置问题

工程材料课程共40学时，实验占6学时，其中的硬度实验是测定不同材料的洛氏硬度或布氏硬度，属于性能检测部分的验证性实验.铁碳合金平衡组织观察是分析了不同合金的室温组织，也属于验证性实验.热处理实验首先是制定钢的热处理工艺，再进行淬火处理，最后检测材料的组织和性能.将工艺、组织、性能联系在一起，是典型的综合性实验，效果很好.实验环节的主要问题是验证性实验的比例大，而且硬度实验只是使学生学会了硬度的检测方法，过于简单，没有理论性的指导意义.因此，改革实验教学内容，增添综合性实验很有必要.

2 工程材料课程的教学改革

2.1 贯穿“组织决定性能”主线

材料是人们生活中不可缺少的物质，自从世界上出现了人类文明，也就相继产生了材料.尽管材料的发展历程特别悠久、漫长，但材料作为一种研究性的科学也不过150年.1863年光学显微镜首次用于金属的微观研究，人们看到了金属的微观结构—组织，并开始研究组织与性能的关系，从而诞生了金属学理论.20世纪初出现的X射线衍射技术和电子显微分析技术，把人们带入纳米级的微观世界，使金属学理论及应用技术有了很大提升.因此，组织是材料科学的基础，也是灵魂.

在教学中要始终贯彻“组织决定性能”这一理念.做到分合相继，变分散为集中[4].如在讲解晶体结构部分时，从三个常见的晶体结构，联系到钢的同素异构转变，再引申到钢在常温、高温的性能（如塑形）比较.这样，将一个抽象的理论（组织）与直观的实际（性能）联系起来，使学生深刻的认识到“组织”的重要性，激起学生对“组织”研究的兴趣，实际上也是教会了学生研究材料的方法.

2.2 突出重点，降低难度

相图是分析材料组织演变的最重要理论依据.做为传统的Fe-C合金，不论是目前，还是在人们有预见的将来，都是不可代替的材料，因此，在诸多相图分析中，Fe-C合金相图部分无疑是重中之重.Fe-C合金相图将简单的匀晶、共晶、包晶、共析等相图基本知识融为一体，内容多而复杂，学生学习难度很大，是教学中的难点问题.如何做到即能确保重点，又能突破难点？是教学中要思考的问题.

首先是确保理论基础，从分析简单Cu-Ni、Pb-Sn、Pb-Sn等合金的相图入手，使学生掌握结晶、共晶、共析、质量百分数等基本理论，了解什么是相图？相图的作用是什么？怎样分析相图？其次是从工程实际出发，简化难度较大的Fe-C合金相图.Fe-C合金相图中，包含了三大类合金：工业纯铁、钢和白口铸铁，工业纯铁相变简单，白口铸铁应用很少，钢是用途广泛的材料.教学中重点讲解钢的平衡结晶问题，工业纯铁和白口铸铁部分只做简单介绍，也可以学生自学.另外，相图给出的是从高温的液相平衡冷却至室温，而实际工程应用大多是从奥氏体区冷却到室温，在分析钢的平衡结晶问题时，可以从奥氏体区开始分析.经过以上的简化，学习难度大大降低，重点内容也得到了保证.

2.3 理论与实际的生动结合

将理论知识和实践相结合，可以巩固基本理论、培养学生的创造性思维能力和解决实际问题能力.我们采取的方法首先是调整实验体系，提高学生的综合分析问题能力.如将原来的验证性实验-硬度实验，改为综合性实验-低碳钢拉伸时的组织性能分析，改后的实验与工程力学课程相结合，清晰的展现了材料在拉伸过程中的组织演变与性能（强度、硬度）的关系[5]，又保留了原实验中的布氏硬度检测部分，效果很好.另外，还开设开放性实验—渗碳钢的组织与性能分析，鼓励学生利用课余时间进行实验，提高学生的动手能力和分析问题能力.

其次是解决金工实习的滞后问题.工程材料中的诸多理论问题，都有相对应的实际应用，如凝固理论—铸造生产；塑形变形理论—锻造、轧制，钢的热处理—淬火、退火，工具钢—刀具、模具，结构钢—齿轮、轴等.这些生产工艺或零部件，在学生没有进行金工实习之前是接触不到的.为了解决这一问题，我们结合教学内容，录制了相关的生产场景，利用现有的多媒体教学条件，将实践性的场面及问题移植到课堂上，再提出工程中所关心的问题，如温度、塑形、硬度等，激发了学生的学习热情，也弥补了教学计划中的不足.

最后是组织演变的直观化.由于材料组织演变的难以捕捉性，有很多是通过示意图的形式解释组织的演变，使问题变得更加抽象，也缺乏生动性.我们结合教学中的实际问题，查阅相关文献，如金相图谱，将教材中的示意图与真实组织进行对照，增加说服力，提高教学效果.

2.4 以点带面，删繁就简

在工程材料的应用部分，涉及到的材料种类、工艺繁多，一一介绍是不可能的，采取表格、对比的方法让学生掌握各种材料的特点和应用也很乏味.我们把教学目标定为学会选择材料的方法上，以机械行业的常用零件（齿轮、轴、箱体、刀具等）为例，从零件的使用要求（性能）入手，材料选择、制订热处理工艺、分析最终组织，深入贯彻了组织决定性能的理念.对于用途相对较少的陶瓷材料、高分子材料，只做科普性的要求，留给学生课后自学.切勿图大贪多，枯燥的讲解各种零件的性能要求，再简单的去查表比较各种材料的性能，破坏了知识结构的完整性.

总之，贯彻应用型本科的人才培养目标，以学生的实际接受能力为依据，不求深度与数量，但求质量与效果，树立组织决定性能的理念，学会分析选择材料的方法，提高学生的实际工程能力.

〔1〕叶宏，李晖，郑章耕.《工程材料》课程建设与改革的探讨[J].重庆工业高等专科学校学报，2004，19(4)：97-98.

〔2〕于艳丽，胡凤翔.工程材料及热处理.北京理工大学出版社，2008.

〔3〕王章忠.机械工程材料.机械工业出版社，2010.

〔4〕魏德强，王荣，薛兴，等.《机械工程材料》课程教学改革的探讨[J].湘潭师范学院学报，2007，29(4)：183-185.

〔5〕王殿梁，熊小青，黄发军.材料塑形变形过程中组织与性能关系的综合实验设计[J].热加工工艺，2010，40(16)：13-15.

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1673-260X（2012）08-0263-02