《金属材料学》创新性教学探讨

安士忠 马景灵 文九巴

摘  要：《金属材料学》是材料类及机械类专业的基础主干课程，教学效果对学生专业能力的培养意义重大。然而，现代科学的快速发展要求在课程教学中提高学生的创新能力。本文结合河南科技大学《金属材料学》教学的实践，提出将最新的科学研究成果引入到课堂教学和实践教学中的思路，在学生熟练掌握金属材料科学基本原理的基础上，重点培养学生创新性地思考、分析和解决问题的能力。

关键词：金属材料学  课堂教学  实践教学  创新能力培养

中图分类号：G642                             文献标识码：A文章编号：1674-098X（2021）04（b）-0215-03

Discussion on Innovative Teaching of "Metal Materials Science"

AN Shizhong 1，2，3  MA Jingling 1，2  WEN Jiuba 1，2

（1.School of Materials Science and Engineering， Henan University of Science and Technology， Luoyang， Henan Province， 471023  China; 2. Collaborative Innovation Center of Nonferrous Metals， Henan Province， Luoyang， Henan Province， 471023  China; 3.Henan Key Laboratory of Nonferrous Materials

Science and Processing Technology， Luoyang， Henan Province， 471023  China）

Abstract： "Metal Materials Science" is the fundamental course for majors of materials and machinery， and the teaching effect is of great significance to the cultivation of students' professional ability. However， the rapid development of modern science requires the improvement of students' innovative ability through course teaching. Based on the teaching practice of "Metal Materials Science" in Henan University of Science and Technology， we propose the idea of introducing the latest scientific research results into classroom teaching and practical teaching. On the basis of students proficiently mastering the basic principles of metallic materials science， it focuses on cultivating students' ability to think， analyze， and solve problems creatively.

Key Words： Meta Materials Science; Classroom teaching; Practice teaching; Cultivation of innovation ability

金屬材料是纯金属（铁、铝、铜、锡、镍、金、银、铅、锌等）及其合金，具有优异的力学性能及功能特性，在现代工业、农业以及服务业中均扮演重要的角色，在国民经济发展中的地位举足轻重[1]。金属材料学是金属材料领域的基础科学，是材料类及机械类专业的基础主干课程，其教学效果对于学生专业能力和素质的培养意义重大。然而，现代科学的快速发展对《金属材料学》的课堂教学提出了新的要求，学生除了要掌握基本原理之外，还需要具有进行创新性研究和应用的能力。为适应新时期对《金属材料学》教学的要求，本文提出了将最新的科学研究成果引入到课堂教学的思路，从最新的科学研究进展同教学内容、课堂教学、实践教学和课程考核4个方面有机结合的角度进行探讨。

1  教学内容：选择与教学大纲匹配的素材

首先，要选择与教学大纲匹配的素材。科学研究成果更新速度快，如何选择适合进行《金属材料学》教学的素材，建立选择的标准和体系是第一步。具体结合金属材料领域在《Nature》和《Science》等世界著名期刊上发表的最新成果，和金属材料学中的基本原理及知识点相对应。在讲述课程大纲要求的相应内容时，将这些最新的科研成果穿插进去，形成无缝衔接。例如，在讲述特种钢这一知识点时，可以结合2017年在《Nature》杂志上发表的论文《Ultrastrong steel via minimal lattice misfit and high-density nanoprecipitation》（《小的晶格错配和高密度纳米沉淀强化的超强钢》）[2]。该论文报道了一类由Ni（Al，Fe）沉淀相强化的钢，该钢的强度高达2.2GPa，延伸率为8.2%。该项研究和金属材料强化的基本原理之一沉淀强化密切相关，同时两相的晶体结构存在很小的晶格错配度。这篇论文可以作为一个钢强化的重要素材。另外，2020年在《Nature》杂志上发表的论文《High-strength Damascus steel by additive manufacturing》（《采用增材制造的方法制备高强度大马士革钢》）[3]。该论文采用了增材制造方法制备高强度钢，可以作为新型钢铁材料的一个素材。同时，还利用了循环加热的方法来控制纳米沉淀相和马氏体相变，可以作为金属材料的相变及其控制的典型素材来选入。所选素材可以随着新的科学研究进展而更新，有利于更好地培养学生的创新能力。

2  課堂教学：开展基本原理专题应用模块

课堂教学是培养学生创新能力的主阵地。《金属材料学》所讲授的重点是合金化原理等基础理论，学生在学习的时候会感觉比较抽象，存在不好理解以及不清楚如何应用的情况。鉴于基础理论在解决具体科学和技术问题上起指导作用，我们提出了在《金属材料学》课堂教学中开展基本原理专题应用模块的培养思路。

在选定好素材以后，由于最新的科学研究成果的综合性强，要起到培养和提升学生创新能力的作用，开展创新专题讲座十分重要，同时要和金属材料学基本原理进行有效的衔接和结合。具体而言，就是在刚刚讲过某基本原理之后，开设相应的专题应用模块。例如，在讲完金属材料强化的基本原理之后，以《Nature》杂志上发表的论文《Ultrastrong steel via minimal lattice misfit and high-density nanoprecipitation》进行专题应用模块举例[2]。从合金成分的设计，到具体工艺和结构调控，再到材料的性能，重点讲材料强化的基本原理及其实现方法。具体而言，合金成分设计方面，选择Fe-18Ni3Al4Mo0.8Nb0.08C0.01B （wt.%），该成分中的Ni和Al为钢材中形成Ni（Al，Fe）沉淀相提供了成分方面的基础。而要形成具有良好强化效果的沉淀相，还需要选择合适的制备工艺，这里首先经过固溶处理（950℃，10min），然后进行时效处理（500℃，3h），最后在钢材中形成高密度（1024/m3）小尺寸（2.7±0.2nm）的纳米沉淀相。由于比较小的晶格错配度和高密度小尺寸的纳米沉淀相，该钢材获得了高强度和延展性的组合（2.2GPa， 8.2%）。这里所用到的最主要的强化机理就是沉淀强化，强化相为高密度小尺寸的纳米沉淀相。在进行专题应用讲座的时候，需要对最新科学研究中的内容进行精简，根据学生的现有知识水平来进行选择，避免造成学生过于吃力、听不懂的情况出现，从而起到培养学生应用基本原理或知识来解决实际问题的能力。

3  实践教学：与前沿科学研究进展相结合

要培养学生的创新能力，课堂教学是一部分，实践教学也十分重要。要做到将前沿科学研究进展与实践教学相结合，可以将实践教学与教师的科研结合起来。让学生参与到科研实践中来，在实践中深入体会金属材料学的基本知识和原理，提升创新能力。

以笔者本人研究的SmCo永磁材料[4]为例，电弧熔炼铸锭由晶粒尺寸为微米级的SmCo晶态相组成，经过高能球磨以后变为SmCo非晶相，进一步热处理，SmCo非晶相晶化为晶粒尺寸在纳米级别的SmCo相，通过调整热处理温度可以进一步调整其晶粒尺寸和相组成，而且随着材料相组成的变化，其磁性能也发生变化。通过设计这个实验，可以全面培养学生对材料的制备工艺、微观组织结构以及性能之间关系的认识，提高创新性设计和开展科学实验的能力[5]。

近年来，河南科技大学材料科学与工程学院在有色金属的研究方面取得了重要进展，可将该部分的研究进展同《金属材料学》的实践教学结合起来。以铜合金的研究为例，合金化的方法可以提高铜合金的强度，但是会降低它的导电性。在尽量少地降低导电性的前提下，如何提高铜合金的强度是高强高导铜合金研究的重点。在设计实验的时候，可选择Cu-Cr-Zr合金为研究对象，从相图和成分设计出发，探讨Cr、Zr合金元素添加对铜的强度和导电性的作用，分析热处理、变形和挤压工艺等对其微观结构的影响。通过本实验，可以将学院教师在该方面最新的研究思路、研究方法和研究成果系统地教给学生，培养学生利用《金属材料学》中合金化基本原理、铜合金相图等基础知识进行创新性科学研究的能力。

如今，交叉学科成为进行科学研究创新的重要领域。要在交叉学科领域进行创新性研究工作的关键是要有将不同学科和领域的知识进行融合的意识。为了培养学生这方面的创新意识，可以设计相关的实验。例如，可将电化学和金属材料学进行结合设计实验，包括采用电化学测试手段表征金属材料的腐蚀，采用电化学合成制备金属纳米颗粒，采用电化学原理将金属材料做成燃料电池—— 金属空气电池等。通过设计几个“电化学学科与金属材料学科”交叉的实验，培养学生将不同学科领域进行结合的意识，在学生心中埋下一颗交叉学科创新的种子。

4  课程考核：增加创新性应用开放性试题

为了考察创新性教学的效果，增加这方面的课程考核十分必要。在设计试题时，可以增加部分考察学生创新能力的开放性试题。这些试题的内容可以从最新科学研究成果中选择。例如，从2020年发表在《Nature Materials》上的名为《Mechanism of collective interstitial ordering in Fe–C alloys》（《Fe–C合金中集体间隙有序化机制》）的论文[5]中选取无序的bcc相转变为有序的bct相的例子，考察相变过程对材料体积以及内应力的影响。虽然论文中许多内容超出了本科生的知识与能力范围，但是可以从中选取与《金属材料学》基本原理相关的内容来考察学生运用知识的能力。再例如，选取2020年发表在《Science》上的名为《Ultrahigh-strength and ductile superlattice alloys with nanoscale disordered interfaces》（《具有纳米无序界面的超高强高韧超晶格合金》）中纳米无序界面的存在，可以获得高达1.6GPa的超高强度和25%的拉伸延展性[6]。借此，可以考察学生影响合金的强度和塑性的因素。通过这些开放性试题，在给学生留下深刻印象的同时，培养和考察学生的创新能力。

5  结语

在《金属材料学》教学的过程中，为培养学生的创新能力，本文提出了将最新的科学研究成果引入到课堂教学和实践教学中的思路。在选择与教学大纲相匹配的素材的基础上，在课堂教学中开展专题应用模块，在实践教学中与前沿科学研究进展相结合，并在课程考核过程中增加创新性应用的开放性试题。以学生能够熟练掌握《金属材料学》的基本原理并灵活运用为目的，在教学的各个环节嵌入提高学生创新能力的内容，提升《金属材料学》创新性教学的质量。

参考文献

[1]吕哲，周艳文.职业院校《金属材料学》课程教学改革创新与实践[J].中国培训，2020（8）：69-70.

[2]Jiang S，Wang H，Wu Y，et al.Ultrastrong steel via minimal lattice misfit and high-density nanoprecipitation[J].Nature，2017，544（7651）：460-464.

[3]Kürnsteiner P， Wilms M B， Weisheit A， et al. High-strength Damascus steel by additive manufacturing[J].Nature，2020，582 （7813）： 515-519.

[4]An S， Li W， Song K，et al.Phase transformation in anisotropic nanocrystalline SmCo5 magnets[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials， 2019， 469： 113-118.

[5]Zhang X， Wang H， Hickel T， et al. Mechanism of collective interstitial ordering in Fe–C alloys[J]. Nature Materials， 2020，

[6]Yang T， Zhao Y L， Li W P， et al. Ultrahigh-strength and ductile superlattice alloys with nanoscale disordered interfaces[J]. Science， 2020，369（6502）：427-432.