工程材料课程教学方法浅析

文 伟 吴进明 刘世豪 郭志忠 梁 栋

1.海南大学机电工程学院 海南海口 570228 2.浙江大学材料科学与工程学院 浙江杭州 310027

工程材料课程是高等院校机械类及近机械类专业的一门专业基础课。课程主要以材料的成分、结构与性能之间的关系为主线，重点介绍以下四方面的内容：工程材料的基本理论，金属材料的改性(热处理)与加工，常见工程材料的牌号、成分、热处理工艺及用途，针对具体的零件进行材料选择和制订加工工艺路线。该课程是连接机械设计与机械制造类课程的桥梁：机械设计以材料的力学性能为设计依据，机械制造以材料的工艺性能为理论指导[1]。该课程的主要特点是内容较繁杂、知识点多、覆盖面广、内在逻辑联系较弱等，导致许多学生缺乏学习兴趣，对课程知识的掌握较差[2,3]。因此，有效的教学方法对提升课程的教学质量至关重要[4-8]。本文结合笔者的学习经历和教学经验，粗浅地探讨了工程材料课程教学中的方法，经过这些方法的实践，取得了较好的教学效果。

1 联系实际 激发学习兴趣

适当结合生产、生活中的实例进行讲解，有利于激发学生的学习兴趣。例如，许多任课教师采用的“泰坦尼克号”所用钢材的案例分析可让学生感受到课程学习的重要性。列举生活中的一些常见实例，可增加课堂的趣味性，例如，在介绍“材料的成分、结构与性能之间的关系”时，作者曾以日常生活中的“用锯条锯钢管”为例，阐述成分结构如何显著影响工程材料的性能：同样是钢，但因成分和处理工艺(导致组织、结构不同)的差异，导致锯条可以切割钢管。此外，还可结合目前的科学前沿进行介绍，例如石墨烯和准晶材料等与诺贝尔奖成果相关的内容。材料的发展日新月异，与新材料相关的各种信息和资讯，学生可通过互联网等方式轻松获得，相对而言，教材的内容滞后很多[2]。因此，在教学中应注意及时更新相关的前沿资料。

2 总结引导 建立方法论

正如前面所述，课程的概念、基本理论较多，与数学、物理等课程相比，内在逻辑联系不够清晰。因此，学生通常难以掌握相关知识和建立起各知识点之间的相互关系，导致许多学生陷入“学不懂与不想学”的恶性循环中。为了较好地消除学生的厌学心理，需要相应的措施。

先要适当地引导学生进行对比类推，拓展思维，以方便对相关知识的理解。例如，在介绍相图时，因为学生在此之前没有接触过相关的知识，没有相应的基础，所以作者将相图与地理中的“等高图”进行类比，以学生已有的简单知识来帮助其理解复杂的问题。相图中的成分和温度分别类似于等高图中的经度和纬度，当确定某个地点的地理坐标(成分和温度)后，该地点的海拔高度(材料所处的状态)随之确定。

再结合自身的经验，总结提炼方法，有助于学生快速掌握分析方法。以杠杆定律为例，根据相图，在两相区中，两个相的成分是确定的，因为成分守恒，所以此两相的比例也是确定的，两者的比例可根据杠杆定律计算。利用杠杆定律解题的关键在于准确找出杠杆定律中所需的两个端点和一个支点。为方便学生对方法的掌握，笔者将杠杆定律的应用步骤总结如下：

(1)首先判断是否满足杠杆定律的使用条件；

(2)明确题目中要求的温度；

(3)在相图上过此温度做一条水平线，该水平线与相应边界(即题目待求的相或组织)的交点为杠杆定律所需的两个端点；

(4)支点为该阶段的初始状态的成分(注意：在多次应用杠杆定律的情况下需要分清每个阶段的初始成分)；

(5)将两个端点和一个支点的成分代入杠杆定律中，可计算出待求结果。

【例题】：求平衡状态下，碳含量为0.4%的铁碳合金在室温下的相组成物和组织组成物所占的质量分数。

解：根据题目条件，满足杠杆定律的使用条件。根据铁碳相图，碳含量为0.4%的铁碳合金为亚共析钢，其在室温下的相组成为“铁素体+渗碳体”，组织组成为“铁素体+珠光体”(此处忽略少量的三次渗碳体)。采用上面介绍的方法，题目要求的温度为室温，所以过室温做水平线，与待求的相组成物(铁素体和渗碳体)边界线的交点成分分别为0.000 8%和6.69%；而待求的组织组成物(铁素体和珠光体)边界线的交点成分分别为0.000 8%和0.77%。支点为此阶段的初始成分，即0.4%。因此，将上述数据代入杠杆定律可求得，相组成物的质量分数：w铁素体=(6.69-0.4)/(6.69-0.000 8)=94%，w渗碳体=1–94%=6%；组织组成物的质量分数：w铁素体=(0.77-0.4)/(0.77-0.000 8)=48%，w珠光体=1–48% = 52%。

有必要让学生牢记室温珠光体中渗碳体的质量分数为12%。因此，本例中，计算获得组织组成物中珠光体的质量分数后，容易知道相组成中渗碳体的质量分数为52%×12%≈6%。

尽管此类理解方式和描述不十分严谨，建立的方法也并不绝对适合于所有的情况，但有助于学生快速掌握分析方法，建立初步的学习兴趣。在掌握方法的基础上，学生再进一步对内容深入理解和升华，有利于提高学习效率。

3 多媒体教学与传统板书的有机结合

多媒体教学的主要优势在于可视性与趣味性强[4]，有助于学生理解抽象的问题，但目前容易出现过度依赖于多媒体技术而舍弃了传统的板书教学的状况。针对一些较复杂的问题，板书教学更容易展示分析思路，其相对较慢的速度也有利于学生跟上教师的思维。因此，应将多媒体教学与传统的板书教学有机结合起来，进行合理搭配使用。例如，在相图部分，笔者利用多媒体向学生展示了通过热分析法建立相图的过程，使学生直观地了解到相图获得的来龙去脉；采用板书教学分析特定成分的铁碳合金冷却过程中的相和组织的转变过程，可清晰地向学生展示相图的规律和画铁碳相图的技巧，并方便地向学生讲授了分析方法。

4 课堂教学与实验教学相结合 科研与教学相结合

课堂教学与实验教学的有效结合有利于提高教学效果，课堂教学是实验教学的理论基础，通过实验教学又可使学生进一步加深对课堂知识的理解。例如，铁碳平衡组织观察实验可进一步帮助学生理解相和组织的区别；热处理和硬度测试实验，可使学生直观体会热处理工艺对钢的硬度等力学性能的影响。在实验内容的设置方面，除了验证性实验，可考虑适当安排一些开放性实验，以培养学生的创造性思维。将科研前沿与课程结合起来，可拓展学生的知识面和激发学生对课程的兴趣，作者的主要研究方向之一为新能源材料，在功能材料一章中，作者结合自身的科研经历，介绍了近年来新能源材料的发展，增强了学生的学习兴趣。

课程后期，可围绕学生感兴趣的高性能战机、新能源汽车等现代工业产品，组织选材大讨论，帮助学生巩固工程材料围绕成分、结构(加工)、性能这一主线所涉及的基础知识。

5 结语

本文主要介绍了工程材料课程教学方法的改革与尝试，主要手段包括：联系实际，激发学生兴趣；总结引导，建立方法论；多媒体教学与传统板书的有机结合；课堂教学与实验教学相结合，科研与教学相结合。通过教学实践，增强了学生的学习兴趣，并促进了学生对课程知识的掌握与运用。