材料工程与安全教学实践反思

郭 帅 赵性川* 王长征

（聊城大学 山东·聊城 252000）

0 引言

能源是经济发展的基石，是我国实现伟大复兴的重要动力，也是未来科学发展的重点领域和面临的重大挑战之一。最近，“碳达峰-碳中和”已经被列为国家战略，如何能够在2030年实现碳达峰，2060年实现碳中和是我国目前工作的重中之重[1，2]。材料是人类生存与发展的基本物质，其中又以金属材料的应用范围最广。虽然我国近几十年在金属材料领域已经有了长足的发展，但是在生产或制备金属材料及金属零部件时，仍然存在能源利用率不高，产生大量的污染物等问题[3]。因此，引导学生熟悉理解传统工艺在环境保护方面的缺点以及治理方式，并向学生介绍当前最先进的绿色生产工艺是非常必要的。在这种背景下，聊城大学金属材料工程系开设了材料工程与安全这门课。

1 材料工程与安全授课方式探索

1.1 课程导入

不同于专业性很强的课程，比如材料测试研究方法，仅通过材料工程与安全的课程名称很难了解这门课的授课内容。因此有效的课程介绍，不仅可以帮助学生尽快了解课程内容，还有助于提高授课效率。因为这门课主要面向金属材料工程专业的学生授课，所以材料工程更多的是指金属材料工程，而安全则是指环境安全以及环境的可持续发展。因此材料工程与安全这门课讲授的是金属材料工程领域在快速发展的同时，如何能够保证环境的安全以及可持续发展。

1.2 课程内容安排

作为一门专业选修课，该课程并没有安排固定课本。那么，在授课过程中，对内容的合理安排是十分有必要的。金属类制品在废弃甚至投放市场之前，需要经过非常多的工序，包括采矿、选矿、冶炼、加工及制备等[4，5]。因此可以按照上述工序，依次介绍各生产工序可能产生污染物的种类以及特征，并给出合理的治理方案。另外，在课程的最后一部分，可以向学生介绍目前国内外前沿的合金成分设计方法，先进的采选矿技术以及成形方法等绿色生产工艺，这在一定程度上可以帮助学生选择未来的研究方向或者就业方向。

除了授课部分外，为了加深学生对课程内容的理解以及锻炼学生学习的主动性，可以将学生进行分组，并以先进材料及技术为主题，讨论目前国内外的新型合金以及先进的生产技术，并让学生制作出相应的PPT在课堂上进行讲解。

1.3 案例式教学

材料工程与安全这门课的教学目标是指导学生了解在采矿、选矿、冶炼、加工制备及材料废弃过程中对环境及资源可能产生的负面影响，掌握对高污染、高消耗等传统技术的改进方案以及对废气、废水、废渣等污染物的治理方案，理解实现金属材料清洁生产的基本原则和方法。由于该课程涉及到的理论内容较少，实际操作内容较多，因此更适合采用案例式教学。

我国力求在2030年达到碳达峰，2060年实现碳中和。那么，在这种背景下，金属材料领域可以为碳达峰和碳中和的实现做出哪些工作呢？零部件从开始使用到废弃的时间长短是影响资源利用率和环境可持续发展的一个重要因素。如果零部件的有效使用寿命可以明显延长，那么意味着能源和原料的利用率也将大大提高[6]。例如，对于转动结构件来说，如果比刚度、比强度、耐疲劳度、耐高温、抗腐蚀等性能可以明显提高，那么转动结构件的使用寿命也会大大提高，进而可以提高发电装置的效率。为实现这一目标，未来可以大力开发综合性能更加优异的新型材料，例如高温合金、耐热钢、高熵合金等。

另外，传统的合金成分设计方法往往以实验和理论相结合为主，采用试错的方式进行成分筛选，这种方法效率低，且容易造成材料浪费。二十世纪中叶，世界上第一台计算机在美国宾夕法尼亚大学诞生。随后，以计算机作为工具的各类材料科学模拟方法也开始快速发展。因此，未来在新材料研发方面，可以借助高性能计算机，利用宏微观模拟技术实现对新型材料的设计以及性能预测，这些技术的综合应用既可以节约资源，又高效可控[7]。

1.4 课程思政在课堂上的应用

课堂思政是指在授课过程中，将思想政治知识，正确的价值理念及精神追求融入到课堂中去，潜移默化的引导学生树立正确的人生观、价值观和世界观。当前的中国正处于百年未有之大变局，也正处于实现中华民族伟大复兴的关键时期。在这个关键时刻，确保我们国家的学生不被境外敌对势力灌输错误的理念和信息是我们作为教师的重要责任。

当前我国正处于实现中华民族伟大复兴的关键时刻，虽然我们已经在中低端产业牢牢站住了脚，但这并不足以支撑我们重新站上世界民族之巅，这部分产业的利润并也不足以让中国人民过上发达国家的生活。因此，未来我国势必会大力发展高端产业，而新型金属材料的设计、研发与制造正是高端制造业的重要组成部分[8，9]。目前我国使用的许多性能优异的合金都是由国外设计研发的，例如，Ti-6Al-4V等[10]。未来，随着我国国力的逐渐强盛，研发投入也会逐渐加大，我们国家也将会设计出越来越多性能优异，并被世界其它国家广泛应用的新型合金。因此，有效的课堂思政不仅可以培养学生的爱国情怀，还可以帮助学生在自己的专业领域为自己设置奋斗目标，增强学习动力。

1.5 教学过程反思

第一，在进行案例讲解时，与学生的互动度不够，后续有待加强，例如，在讲到冶炼过程会产生三废时，可以让同学们分享自己家乡周边可能存在的工业污染现象，并让他们以工程师的角度设计工艺改进方案或者三废治理方案；第二，在科普目前最前沿的制备工艺或者新型材料时，应该与学生的专业课相结合，将工艺原理以及新型材料设计方法讲清楚，这样可以帮助学生加深对自己专业课内容的理解；第三，虽然授课过程中给出了大量的数据和原理图帮助学生理解污染的具体状况以及工艺技术，但仍然不够直观，因此后续可以加入视频帮助学生理解。第四，授课过程中没有注重与学生之间的沟通交流，在课堂上不应该采取满堂灌的方式进行授课，每节课应该留出少部分时间与同学们交流，让同学们分享本节课的学习心得和体会。

2 结语

通过简单的课程导入和逻辑性的课程内容安排，可以帮助学生快速了解课程的基本内容，加强对课程内容的理解；案例式教学是提高材料工程与安全授课效率的有效方式，在课堂上给出相关案例，通过分组的方式让同学们讨论并给出小组的综合看法，有助于活跃课堂气氛，提高学生学习的积极性；将授课内容与思政教育有机结合，可以在帮助学生开阔视野的同时，培养学生的爱国情怀，引导学生树立正确的价值观、人生观和世界观。