面向机械和汽车类专业的《工程材料》课程教学方法改革探索
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摘要：针对《工程材料》课程的内容特点，结合当前我校机械、汽车类本科生的就业情况，为了提高教学效果和满足用人单位的实际需求，我们对传统授课方式进行教学改革探索，引进融合材料发展史式教学、汽车零部件加工制造案例式教学、多媒体形式教学和互动启发式教学等多种方式。实践结果表明，这些方法能够激发学生兴趣，调动学习积极性，加深对课程内容理解，取得较好教学效果。
关键词：工程材料；教学方法；教学改革；机械；汽车
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）32-0114-02
《工程材料》是我校面向机械和汽车类专业开设的一门技术基础课，每学年学生选课人数在1000人以上。课程总计为48学时，其中包含8学时实验课。课程的主要目的是使学生掌握有关材料科学、固态相变的基本理论和工程材料的一般知识，理解工程材料的成分、组织、性能及热处理工艺之间的关系，具备合理选用工程材料、正确选定热处理工艺方法、妥善安排工艺路线等方面的能力[1，2]。长期以来，我校《工程材料》的授课方式主要由课堂授课和基础实验组成，由于课程内容涉及材料科学基础、固态相变、力学性能、金属材料学等多个课程领域，内容凌乱分散且连贯性差，学生普遍反映理论性强、难以理解和记忆，因而缺乏学习兴趣。尽管授课教师认真备课、改进教学方法，但长期以来教学效果并不理想。近年来，针对教学中存在的诸多问题，为充分调动学生的学习积极性和兴趣，通过汲取其他院校教学改革方法的精华[3-5]，依据我校80%以上的机械和汽车类本科毕业生在汽车整车和相关零部件行业就业的特点，在传统方式授课基础上探索了多种教学方式，如融合材料发展史式教学、汽车零部件案例式教学、多媒体形式教学和互动启发式教学等，取得了较好的效果。
一、融合材料发展史式教学
材料作为人类社会发展进步的物质基础，人类社会的文明史也是一部材料不断发展创新的历史。因此，除了在绪论章节中向学生介绍人类历史以石器、青铜器和铁器时代划分的重要意义外，更重要的是在讲授过程中，将现代材料科学发展进程中的一些重要理论和成果与《工程材料》课程中的理论相融合，使学生仿佛置身于近代史的长河中，感受伟大材料科学家们当时面临的难题，欣赏创新思想，激发学生的学习兴趣，同时也能将分散凌乱的知识内容有机穿插起来。举例如下：在“金属的晶体结构和结晶”章节中，在介绍晶体和非晶体的结构区别在于内部原子是否在三维空间呈重复性周期排列的论点后，适时引入问题“怎样确认晶体中原子在三维空间周期性排列？”。可以通过介绍1915年诺贝尔奖获得者威廉·亨利·布拉格和威廉·劳伦斯·布拉格父子取得的卓越成果，在晶体结构分析中提出“晶体衍射的布拉格定律”，使学生清楚X射线在入射晶体结构时会产生衍射现象，衍射则反映了晶体中原子排列的周期性。同时向学生介绍当前在科研中广泛应用的X射线衍射仪的基本原理，使学生清楚X射线衍射仪在晶体结构分析中的用途。在“金属的塑性变形”章节中，在介绍晶体塑性变形的方式“滑移”后，引入问题“在1926年，为什么弗兰克发现刚性滑移所需临界切应力与实测值相差3—4数量级？”。通过介绍位错理论进展的历史，如1905年沃特拉提出位错概念，当时并未引起足够重视。经过无数次尝试破解金属强度之谜的挫折后，1934年，泰勒、波朗依、奥罗万几乎同时从晶体学角度提出位错概念，特别是泰勒将位错和晶体塑性变形联系起来，提出位错在晶体中连续运动造成了滑移，解释了该问题，此后位错理论开始建立并得到发展完善。直至1950年透射电子显微镜出现以后，科学家提出的位错理论才得到实验证实，透射电子显微镜证实了位错的存在和运动方式。通过在授课中介绍这些历史事件，学生能够了解位错对金属塑性变形的贡献、对强度的影响以及现在科研中可以观察位错的重要设备。相似的例子还有很多，例如细化晶粒强化的霍尔—佩奇关系、控制滑移面和滑移方向的派—纳力公式等。通过这些历史人物和学术成果的引入，课堂中的基本理论不再是枯燥乏味、彼此孤立、难以理解和需要机械记忆，而是与一些有趣、生动、形象的具体科学事件联系起来的。
二、汽车零部件加工制造案例式教学
基于目前学校机械、汽车类本科生就业主要集中在汽车行业领域的特点，以及国际汽车工业用新材料快速发展的形势，我们对讲授内容及时更新补充，结合教学中基本理论原理和工艺方法，着重介绍与汽车零部件加工制造有关的案例，为学生了解汽车零部件的选材，掌握组织、性能和热处理方法方面的知识奠定基础。具体案例可归纳为以下四个方面：（1）典型的汽车主要零部件：如曲轴、凸轮轴、变速箱齿轮、活塞等；（2）汽车用钢板：热镀锌钢板、DP、TWIP、TRIP、22MnB5钢板等；（3）汽车覆盖件模具材料：Cr12Mo1V1（日本钢号SKD11，德国钢号1.2382）、YBD-4（德国钢号）、GGG70L（德国铸铁牌号）；（4）汽车加工用刃具材料：高速钢、硬质合金、超硬材料。
舉例如下：
案例：汽车曲轴材料及制定相应热处理工艺。选材：球墨铸铁，QT700-2。工艺路线：壳型铸造—预先热处理—粗加工—最终热处理—精加工。
案例分析：曲轴是汽车发动机关的键零件之一，装上连杆后承接活塞的往复运动，并转变为曲轴的旋转运动。工作中承受强大的弯矩及扭矩，同时承受高速旋转过程中的摩擦磨损。曲轴形状较为复杂，加工精度和力学性能要求高。抗拉强度≥700MPa，延伸率≥3%，硬度≥HB240，轴颈表面淬火硬度≥HRC55，淬硬层深度>1.0mm。因此，在选材上选取球墨铸铁QT700-2，成本只有调质钢的1/3。采用壳型铸造工艺成型；采用正火作为预先热处理，加热到880—920℃，保温1—3小时后，出炉空冷；机械加工后轴颈部位进行最终热处理，采用中频感应加热表面淬火，以保证该处具有高的硬度和耐磨性；最后精磨抛光。通过此案例学习，使学生了解曲轴工作的基本原理和性能要求，理解采用近终形铸造可以降低材料和加工成本，了解国外和国内主要汽车厂家使用曲轴的主要材料、制造路线和为达到使用性能所进行的最终热处理。采用案例式教学对教师提出了更高要求，要熟练掌握汽车结构、工作原理、零件材料及处理方法。因此，教研组在案例选择、授课设计、达成目标等方面要精心准备，同时要激发学生的学习兴趣和积极性，将材料—组织—性能—热处理之间的关系融合一体。
三、多媒体形式教学
随着信息技术的发展，学生对多媒体的兴趣愈发增强，这也为我们教学内容改革提供一个思路。为了提升授课效果，让学生获得更多感性认识，除在PPT中增加图片内容外，还要积极采用其他多媒体媒介，如动画Flash、汽车零件生产场景视频等，将基础理论和热处理、设备、工艺加以生动展现。例如我们借鉴国外教材中附带的位错运动Flash，将位错的连续运动以动画形式加以展示，自制工厂现场加工、热处理视频，将汽车变速箱齿轮的加工、渗碳处理、汽车覆盖件模具的整体热处理、感应加热、火焰加热表面热处理加以展示。
四、互动启发式教学
教学本就是一个教师和学生互动的过程，如何让学生有兴趣参与到授课过程中，其实并不简单。教师既要灌输知识，也要关注他们的兴趣，倾听他们的思想和要求。我们为此采取以下措施：（1）将教师科研项目中需要解决的问题提供给学生，下节课提问并分析解决方案；（2）让学生查阅某一特定汽车零件所用新材料和工艺的参考文献，提交总结报告；（3）为学生竞赛车队做顾问，解决赛车制造过程中的材料选择和加工问题；（4）支持引领学生参加学校组织的大学生创新创业项目。
五、总结
针对我校机械、汽车类专业学生的就业趋向，在传统授课模式基础上采用融合材料发展史教学、汽车零部件加工案例教学、多媒体教学和互动启发式教学等多种形式，使《工程材料》课程的结构内容更为连贯和清晰，激发学生的学习兴趣和参与程度，取得了较好的教学效果。
参考文献：
[1]史美堂.金属材料及热处理[M].上海：上海科学技术出版社，1980.
[2]陈积伟.工程材料[M].北京：机械工业出版社，2006.
[3]李敏，杨慧，韩敬华.汽车类专业《工程材料》教学方法探索[J].教育教学论坛，2018，（4）：177-178.
[4]李戬，王金辉，高莉，薛彩红，雷富军.《工程材料》课程立体化教学与改革探讨[J].高教学刊，2017，（9）：111-112.
[5]王国勇.浅谈高等学校专业课授课方式的革新[J].科教文汇，2014，（291）：29-30.
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