基于工程能力培养的“工程材料及成形技术”教学改革实践

丁金福 王琳琳 章建辉

（[1]浙江师范大学工学院 浙江·金华 321004；[2]浙江万里扬股份有限公司 浙江·金华 321000）

工程材料及成型技术基础课程是高等院校机械类专业必修的基础课程，涵盖了金属学、热处理工艺、金属材料、非金属材料及材料成型技术等多方面专业知识。课程涉及面广，概念多，理论抽象，学习枯燥乏味，难以激发学生的学习兴趣。但该课程对学生以后专业知识的学习和运用起到十分重要作用，通常开设在大学的第三学期，由于没有接触过任何机械方面的专业知识，学生在学习过程中对知识的掌握有一定难度。[1]因此，教学回归实践，实践为理论提供感性认识，如何改进该课程的教学质量，培养学生的学习兴趣，一直是讲授工程材料课程的教师们普遍关心的问题。[1-3]

工程材料及成型技术基础课程教学学时少，内容多，为完成教学任务采用“填鸭式教学”较为普遍，教学过程中与工程实际应用联系少，课程体系缺乏系统性、连贯性及延续性等方面的引导，教学效果不理想。[4]具体表现为许多学生到大三、大四时课程设计或毕业设计中不会选用材料，不能确定零件强度、硬度及热处理等方面的技术要求，都需要后续的老师再指导。“教育回归工程，教学回归实践”成为当代高等工程教育改革的主流趋势，任何教育改革的实施都离不开课程，课程是基础，是教育目标的主要载体。[5-6]工程教育实施过程从课程改革入手，工程材料及成型技术基础的课程教学需构建课程的知识体系，并注重学生的工程意识、工程思维和工程应用等方面的培养，以提高学生的综合素质和应用能力。

1 构建“铁碳合金”相图为核心的知识框架体系

工程材料及成型技术基础课程章节多，按章节介绍材料的性能、成分、组织、热处理工艺及材料成型方法（铸、锻和焊）等方面的内容。这些内容相对独立，如能使这些知识点串联起来有助于提高学生对该课程的兴趣及学习的效果。而铁碳合金相图则是课程体系相系的纽带。

铁碳合金相图是金属学与热处理的分解图，基本覆盖了金属学与热处理知识的全部内容，[7]描述了铁碳合金成分、温度和内部组织结构三者之间的关系，为材料的选择、热处理工艺、材料成型等提供了必要的理论基础。[8]也体现出铁碳相图在工程材料及成型技术基础课程中的极其重要地位和作用，见图1 所示。首先，通过建立铁碳相图能够把金属学与热处理两大部分有机地衔接起来，具有承上启下的作用；其次，铁碳相图也是碳钢、铸铁的分区图，碳钢、合金钢、铸铁、有色金属及合金构成了金属材料应用体系；再次，由金属材料的特性引出了材料成型的方法，铁碳相图也是铸造、锻压与焊接等毛坯成型方法的重要理论依据。

图1 铁碳相图与工程材料及成型技术的构建图

从铁碳相图的结晶过程相变组织的变化，再在碳钢中添加所需的合金元素，钢在不同介质冷却环境下，赋予了工业用钢（碳钢、合金钢）的优良物理与化学性能，满足了工业生产的需要，且钢铁均有各自的特点：钢为塑性材料，铁为脆性材料。铁适合于铸造，而工业用钢较适合于锻压加工及焊接等方法，“趁热打铁”“恨铁不成钢”等成语，从课程内容的角度也就不难理解了。

铁碳相图与工程材料及成型技术的分解图主要作用还在于可使学生的思维能从每章节具体的细节之中解脱出来，建立起材料的组织、成分、加工方法与性能之间的内在联系，有利于对所学内容进行归纳总结并反向细化，对课程有全局观念与认识。

2 运用引导法教学，激发学生的学习热情

工程材料及成型技术基础课程学习涉及工程概念较多，看似枯燥乏味，如老师进行针对性的引导学习效果将会大为改善。第一堂课的绪论也是十分关键，重在学生的工程意识与思维的引导与培养，通过介绍工程材料方面历史的奇异发现，以激发学生的学生热情。如：秦始皇兵马俑二号坑出土的青铜剑，这柄古剑在地下埋藏了两千多年还没有生锈，意外地发现竟然运用了现代的“铬盐氧化处理工艺”，更令人难以致信的青铜剑被陶俑压弯超过45°，当陶俑移去后依然能够反弹平直、自然还原；再譬如，不锈钢材料也是在不经意中发现的，英国科学原本为研制耐磨的合金钢，结果意外地发现了不锈钢，这种含铬为13%的合金钢，具有不生锈的特性。通过这些奇趣故事，使课程学习生动化，引导学生对课程产生浓厚的兴趣，从而激发学生的学习热情与态度。

课程的理论也应尽可能联系实际，与日常生活事例相系。如：铝合金、不锈钢及工程塑料等制品，早已应用于我们的日常生活，它们的最大特点：环保，卫生，不易生锈，性价比高。这些都是属于工程材料的范畴，只是我们平时缺少工程的思维与意识。如果有了这样的工程理念，再从材料的成分、组织结构与性能，对课程学习起来就会显得不难理解了。总之，将工程材料及成型技术基础课程的抽象概念与理论形象化、简单化、生动化，使学生容易理解和接受的新知识。

3 串联金工实践知识，培养学生的工程意识

通常在开设工程材料及成型技术基础课程之前已进行了金工实习，学生对机械加工及材料成型方法有了一定的感性认识，但由于金工实习中只注重技能训练，主要在于金工实习以工程感性认识为基础，以动手能力培养为先导，主要训练学生的基本机械加工操作技能，缺乏理论与实践的结合。[9-10]因此，在教学中发现对该课程学习帮助不明显。事实上学生在金工实习过程中涉及许多工程材料的问题，如工件、刀具、量具以及模具等的材料，在实习过程中实践指导老师很少介绍材料方面的知识，而这些内容却是课程中需掌握的知识，见图2 所示。列举了金工实习过程中加工零件、刀具、量具及模具等材料。

金工实习与工程材料及成型技术课程教学体系的脱节，造成了金工实习的感性认识未能转化为工程意识与思维方法，如果在金工实习过程中对工件、刀具、量具、模具等材料有过相应的了解，这无疑对工程材料及成型技术基础课程有很大的帮助，也有利于课程间知识的衔接与串接，当然在理论教学过程中对金工实习的相应知识进行归纳及总结，也将有利于理论课的知识体系与机械制造实习知识体系的有效融合，有利于抽象的概念直观化，也加深对工程知识的应用和理解。

表1 商用车变速器零部件的材料、组织、成型方法及热处理方法

图2 金工实习涉及主要材料

4 运用工程案例教学串联课程的知识要点

工程材料及成型技术课程的理论教学通常增设基本的实验课（硬度试验、金相试样准备、金相平衡组织观察等），对培养学生工程意识、动手能力和实践能力有一定的帮助，但真正将各章节的知识串联起来，尚须工程案例教学。以商用变速器总成为例，对各种零件的材料、技术要求及成型方法进行剖析，表1 列举了商用汽车变速器各零件材料、成型方法、组织及性能的要求。对于汽车变速器各零件材料的选择与性能要求的依据，需依托汽车工程背景，如货运汽车经常满负荷甚至超负荷运转，必须承受冲击载荷，且具有抗疲劳强度的性能。因此，货运的商用变速器需要适应各种路况，载货量时有变化，变速器除了满足静强度要求外，还必须满足疲劳强度的要求，变速器的齿轮需具备 “表硬里韧” 性能要求，选择20CrMnTi 材料，经过渗碳+淬火+低温回火的热处理方法才能达到这样的强度及硬度要求。在毛坯成型方面，箱体类外露零件多数采用铸件，内部结构零件，如齿轮及轴类零件以锻件为主。

运用案例教学法开展工程背景的典型事例分析，将选择的工程材料的成分、组织、加工方法及性能四者关系有效联系起来，有助于培养和发展学生主动参与课堂讨论，学会举一反三，也有助于培养学生的工程应用及分析问题的能力，这种整体结构的案例分析有利于提高学的工程分析与应用能力。

5 结论

总之，工程材料及成型技术基础课程，以铁碳合金相图为核心的知识框架体系，能有效将该课程的知识进行串联与融洽，有益于学生对课程内容理解、消化与吸收，通过引导法教学以激发学生的学习热情，与金工学习知识与融合，有助于材料概念的直观化，也有利于培养学生的工程思维与意识，运用案例法教学，能使学生将课程中讲授的材料的成分、组织、加工方法及性能几方面的面知识有效的结合起来，有助于提高学生的综合工程素质、综合分析和解决实际问题的能力，从而实现提高学生创新能力和工程实践能力的培养目标。