《工程材料》課程教學方法改革探索
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摘要：針對《工程材料》課程的內容特點，結合當前我校機械、汽車類本科生的就業情況，為了提高教學效果和滿足用人單位的實際需求，我們對傳統授課方式進行教學改革探索，引進融合材料發展史式教學、汽車零部件加工制造案例式教學、多媒體形式教學和互動啟發式教學等多種方式。實踐結果表明，這些方法能夠激發學生興趣，調動學習積極性，加深對課程內容理解，取得較好教學效果。
一、融合材料發展史式教學
材料作為人類社會發展進步的物質基礎，人類社會的文明史也是一部材料不斷發展創新的歷史。因此，除了在緒論章節中向學生介紹人類歷史以石器、青銅器和鐵器時代劃分的重要意義外，更重要的是在講授過程中，將現代材料科學發展進程中的一些重要理論和成果與《工程材料》課程中的理論相融合，使學生仿佛置身于近代史的長河中，感受偉大材料科學家們當時面臨的難題，欣賞創新思想，激發學生的學習興趣，同時也能將分散凌亂的知識內容有機穿插起來。舉例如下：在“金屬的晶體結構和結晶”章節中，在介紹晶體和非晶體的結構區別在于內部原子是否在三維空間呈重復性周期排列的論點后，適時引入問題“怎樣確認晶體中原子在三維空間周期性排列？”。可以通過介紹1915年諾貝爾獎獲得者威廉•亨利•布拉格和威廉•勞倫斯•布拉格父子取得的卓越成果，在晶體結構分析中提出“晶體衍射的布拉格定律”，使學生清楚X射線在入射晶體結構時會產生衍射現象，衍射則反映了晶體中原子排列的周期性。同時向學生介紹當前在科研中廣泛應用的X射線衍射儀的基本原理，使學生清楚X射線衍射儀在晶體結構分析中的用途。在“金屬的塑性變形”章節中，在介紹晶體塑性變形的方式“滑移”后，引入問題“在1926年，為什么弗蘭克發現剛性滑移所需臨界切應力與實測值相差3—4數量級？”。通過介紹位錯理論進展的歷史，如1905年沃特拉提出位錯概念，當時并未引起足夠重視。經過無數次嘗試破解金屬強度之謎的挫折后，1934年，泰勒、波朗依、奧羅萬幾乎同時從晶體學角度提出位錯概念，特別是泰勒將位錯和晶體塑性變形聯系起來，提出位錯在晶體中連續運動造成了滑移，解釋了該問題，此后位錯理論開始建立并得到發展完善。直至1950年透射電子顯微鏡出現以后，科學家提出的位錯理論才得到實驗證實，透射電子顯微鏡證實了位錯的存在和運動方式。通過在授課中介紹這些歷史事件，學生能夠了解位錯對金屬塑性變形的貢獻、對強度的影響以及現在科研中可以觀察位錯的重要設備。相似的例子還有很多，例如細化晶粒強化的霍爾—佩奇關系、控制滑移面和滑移方向的派—納力公式等。通過這些歷史人物和學術成果的引入，課堂中的基本理論不再是枯燥乏味、彼此孤立、難以理解和需要機械記憶，而是與一些有趣、生動、形象的具體科學事件聯系起來的。
二、汽車零部件加工制造案例式教學
基于目前學校機械、汽車類本科生就業主要集中在汽車行業領域的特點，以及國際汽車工業用新材料快速發展的形勢，我們對講授內容及時更新補充，結合教學中基本理論原理和工藝方法，著重介紹與汽車零部件加工制造有關的案例，為學生了解汽車零部件的選材，掌握組織、性能和熱處理方法方面的知識奠定基礎。具體案例可歸納為以下四個方面：（1）典型的汽車主要零部件：如曲軸、凸輪軸、變速箱齒輪、活塞等；（2）汽車用鋼板：熱鍍鋅鋼板、DP、TWIP、TRIP、22MnB5鋼板等；（3）汽車覆蓋件模具材料：Cr12Mo1V1（日本鋼號SKD11，德國鋼號1.2382）、YBD-4（德國鋼號）、GGG70L（德國鑄鐵牌號）；（4）汽車加工用刃具材料：高速鋼、硬質合金、超硬材料。舉例如下：案例：汽車曲軸材料及制定相應熱處理工藝。選材：球墨鑄鐵，QT700-2。工藝路線：殼型鑄造—預先熱處理—粗加工—最終熱處理—精加工。案例分析：曲軸是汽車發動機關的鍵零件之一，裝上連桿后承接活塞的往復運動，并轉變為曲軸的旋轉運動。工作中承受強大的彎矩及扭矩，同時承受高速旋轉過程中的摩擦磨損。曲軸形狀較為復雜，加工精度和力學性能要求高。抗拉強度≥700MPa，延伸率≥3%，硬度≥HB240，軸頸表面淬火硬度≥HRC55，淬硬層深度＞1.0mm。因此，在選材上選取球墨鑄鐵QT700-2，成本只有調質鋼的1/3。采用殼型鑄造工藝成型；采用正火作為預先熱處理，加熱到880—920℃，保溫1—3小時后，出爐空冷；機械加工后軸頸部位進行最終熱處理，采用中頻感應加熱表面淬火，以保證該處具有高的硬度和耐磨性；最后精磨拋光。通過此案例學習，使學生了解曲軸工作的基本原理和性能要求，理解采用近終形鑄造可以降低材料和加工成本，了解國外和國內主要汽車廠家使用曲軸的主要材料、制造路線和為達到使用性能所進行的最終熱處理。采用案例式教學對教師提出了更高要求，要熟練掌握汽車結構、工作原理、零件材料及處理方法。因此，教研組在案例選擇、授課設計、達成目標等方面要精心準備，同時要激發學生的學習興趣和積極性，將材料—組織—性能—熱處理之間的關系融合一體。
三、多媒體形式教學
隨著信息技術的發展，學生對多媒體的興趣愈發增強，這也為我們教學內容改革提供一個思路。為了提升授課效果，讓學生獲得更多感性認識，除在PPT中增加圖片內容外，還要積極采用其他多媒體媒介，如動畫Flash、汽車零件生產場景視頻等，將基礎理論和熱處理、設備、工藝加以生動展現。例如我們借鑒國外教材中附帶的位錯運動Flash，將位錯的連續運動以動畫形式加以展示，自制工廠現場加工、熱處理視頻，將汽車變速箱齒輪的加工、滲碳處理、汽車覆蓋件模具的整體熱處理、感應加熱、火焰加熱表面熱處理加以展示。
四、互動啟發式教學
教學本就是一個教師和學生互動的過程，如何讓學生有興趣參與到授課過程中，其實并不簡單。教師既要灌輸知識，也要關注他們的興趣，傾聽他們的思想和要求。我們為此采取以下措施：（1）將教師科研項目中需要解決的問題提供給學生，下節課提問并分析解決方案；（2）讓學生查閱某一特定汽車零件所用新材料和工藝的參考文獻，提交總結報告；（3）為學生競賽車隊做顧問，解決賽車制造過程中的材料選擇和加工問題；（4）支持引領學生參加學校組織的大學生創新創業項目。
五、總結
針對我校機械、汽車類專業學生的就業趨向，在傳統授課模式基礎上采用融合材料發展史教學、汽車零部件加工案例教學、多媒體教學和互動啟發式教學等多種形式，使《工程材料》課程的結構內容更為連貫和清晰，激發學生的學習興趣和參與程度，取得了較好的教學效果。
參考文獻：
[1]史美堂.金屬材料及熱處理[M].上海:上海科學技術出版社,1980.
[2]陳積偉.工程材料[M].北京:機械工業出版社,2006.
[3]李敏,楊慧,韓敬華.汽車類專業《工程材料》教學方法探索[J].教育教學論壇,2018,(4):177-178.
作者：安健 李建忱 單位：吉林大學材料科學與工程學院
