錢劍安，王 華，鮑 靜

(南京工業(yè)大學，南京 210009)

非材料學專業(yè)《工程材料》課程教學的方法論探討

錢劍安，王 華，鮑 靜

(南京工業(yè)大學，南京 210009)

在高校材料學相關專業(yè)中，《工程材料》這門課程不僅僅是傳授理論知識，更需要提高學生的創(chuàng)造性和綜合素質。文章緊緊圍繞《工程材料》的一條主線，討論了“四個”結合：課堂教學與實驗教學相結合；現(xiàn)代教學與傳統(tǒng)教學相結合；理論教學和實踐教學相結合；課程教學與專業(yè)相結合；提出了《工程材料》課程教學過程中哲學思維觀建立、解決實際問題能力培養(yǎng)、專業(yè)知識前瞻性教育的至關重要性。

《工程材料》; 課程教學; 方法論

一、《工程材料》課程的重要性

在高校中，《工程材料》課程是機械類和非材料學等相關專業(yè)本科生的一門重要的必修專業(yè)基礎課，它既是引導學生進入專業(yè)領域的入門課程，又是學生掌握基本原理的理論課程，也是培養(yǎng)學生具有自學能力、獨立分析能力的綜合訓練課程[1]。該課程概念抽象、內容繁雜、理論性強、講授課時少，給老師的“教”與學生的“學”之間帶來困難。因此，教師如何利用課堂上的有限的時間，使學生較好地理解并掌握該課程，是一個值得探討的課題。

二、關于《工程材料》課程的幾點思考

(一) 一條主線

《工程材料》課程看似繁瑣，然而其自始至終都貫穿著一條主線，即材料、組織和性能三者之間的關系，即在介紹各種《工程材料》時，都圍繞材料的化學成分、加工工藝與組織結構、使用性能這根主線展開。同時，突出重點，強調實用，根據不同材料的特點著重培養(yǎng)學生的合理選材、合理選擇熱處理工藝及合理制訂加工工藝路線的能力。

(二) 兩張要圖

1.鐵碳合金相圖講解需層層遞進

鐵碳合金相圖(見圖1)可以說是《工程材料》教學中最重要的一個知識點，學生對于其的理解和掌握直接關系到該課程教學的成敗，如果僅是就圖講圖,學生無法系統(tǒng)的將前后知識點貫穿起來。因此,該圖的講解最佳的方法是通過板書，由簡單到復雜、由點到面、由單元到系統(tǒng)層層遞進、深入淺出的講解，而非就圖講圖。主要方法如下：

圖1 鐵碳合金相圖和純鐵的同素異構轉變

第一，點、線、面結合。在繪制好坐標系的基礎上，從點到線再到面深入淺出的展開講解，首先在坐標系上根據既有知識找到關鍵點，分別包括①包晶點J、共晶點C、共析點S；②純鐵熔點A、碳的熔點D；③同素異構轉折點：J點和G點；④最大溶解度點：碳在δ-Fe中的最大溶解度點H、碳在γ-Fe中的最大溶解度點E、碳在α-Fe中的最大溶解度點P、600℃時碳在α-Fe中的溶解度Q。

其次依據三個關鍵反應畫三條水平線：

最后將關鍵點和三條水平線依次用線段相連，在各個區(qū)內填入相應的相，依據反應溫度和同素異構轉變從高溫到低溫依次確定4個單相區(qū)，分別為L、δ、γ、α，隨后依據單相區(qū)和最右側滲碳體豎線，兩兩結合確定5個兩相區(qū)，分別為L+δ、L+γ、α+γ、γ+Fe3C、α+ Fe3C，這樣鐵碳合金相圖即完成，通過點到線、線到面深入淺出的講解，使學生進一步理解二元合金的基本平衡結晶過程以及純鐵的同素異構轉變。

第二，鐵碳合金相圖與同素異構平衡結晶過程相結合。鐵碳合金相圖的復雜性歸結為純鐵的平衡結晶過程的兩次同素異構轉變，為了讓學生更好地理解和掌握鐵碳合金相圖，教師必須把純鐵的同素異構平衡結晶曲線與相圖結合起來講解。典型鐵碳合金的平衡結晶過程分析,更是必須與平衡結晶過程相結合。

第三，作圖法列表分析鐵碳合金的平衡結晶過程(見圖2)。對于鐵碳合金的平衡結晶過程的分析非常關鍵，通過分析有助于學生更好的理解結晶過程，同時能獨立自主的完成各個典型鐵碳合金的室溫平衡組織。

分析過程如下：①從需要分析的鐵碳合金成分點處畫豎直線，從上至下依次對與相圖的交點編號1，2，3…，每碰到一條相線即編一個號，具體的分析方法是每一個編號代表時間的一個間隔，在分析過程中必須考慮在這個時間間隔中鐵碳合金發(fā)生了什么反應或是保持不變，具體判斷發(fā)生什么反應的標準是看兩個時間點之間相是否發(fā)生變化，如變化了則發(fā)生相應勻晶反應。另外,值得注意的是碰到三條直線時會有一個時間延遲，因為包晶反應、共晶反應和共析反應是等溫結晶過程，此時用1，，2，，3，…表示；②列出反應過程，包括每個時間的反應過程及反應產物，直至最終得到室溫平衡組織和相。如亞共析白口鑄鐵的平衡結晶過程(見表1)：

圖2 典型鐵碳合金在Fe-Fe3C相圖中的位置

表1 典型鐵碳合金的平衡結晶過程分析

2.C曲線的分析

第一，TTT曲線和CCT曲線是分析熱處理基本原理最重要的曲線，要想讓學生透徹的理解熱處理的方法，分析C曲線是關鍵，具體方法如下：

第二，TTT圖與CCT圖的對比(見圖3)。

圖3 TTT圖和CCT對比

對于同一種金屬材料，雖然從表觀上看其曲線存在差異性，然其內在有著不可分割的關聯(lián)，尤其是二者分析思路是一致的，主要考慮孕育期以及組織轉變的起始和終止時間，分析方法均為將冷卻曲線與C曲線相結合，最終確定特定熱處理條件下的室溫平衡組織。將兩條曲線統(tǒng)一起來講解，既有利于C曲線的理解，也能更好的對比不同的熱處理工藝可以獲得不同的室溫平衡組織從而改變金屬材料的物理性能。

第三，C曲線與鐵碳合金相圖對比，鐵碳合金相圖是C曲線的基礎，尤其是A1、A3和Acm三條臨界溫度線，在分析C曲線前說明Ac1、Ac3和Accm及Ar1、Ar3和Arcm的物理意義；既實現(xiàn)了教學內容的承上啟下，也能夠讓學生理解各類知識存在連貫和相通的地方。

第三，共析鋼、亞共析鋼、過共析鋼C曲線對比。通過共析鋼、亞共析鋼和過共析鋼過冷A的TTT、CCT曲線的對比，借助橫向比較和理解，進一步吃透成分、工藝、組織和性能四者之間的關系。

第四，C曲線與淬透性。淬透性是金屬材料熱處理的一個重要參數指標，而C曲線與淬透性關系極為密切，金屬材料的淬透性在很大程度上取決于孕育期的長與短，所以C曲線的位置與淬透性密不可分，凡是影響C曲線孕育期的即導致C曲線右移的參數就是能提高金屬材料淬透性的主要影響因素。

(三) 三個要素

《工程材料》課程里點、線、面三個要素意義重大，上節(jié)鐵碳合金相圖中由點到線再到面循序漸進闡述，有助于學生更好地理解鐵碳合金的平衡結晶過程，此外，晶體缺陷包括點缺陷、線缺陷和面缺陷；晶體結構是把原子(或離子)的中心，劃出空間直線，由這些直線形成空間格架即晶格，分析晶胞時仍然遵循從點、到線再到面的原則，充分發(fā)揮空間想象能力來理解晶體的結構。

(四) 四個結合

1.課堂教學與實驗教學相結合

很多專業(yè)由于受課時限制，從而導致實驗課時量不可能很多，然而在開設的有限的實驗課時中，有些實驗卻是必不可少的，對于后序專業(yè)課程的學習也是意義重大的，基于此《工程材料》的實驗開設原則是少而精；

2.現(xiàn)代教學與傳統(tǒng)教學相結合

(1)受教學課時的限制，單純的傳統(tǒng)課堂教學已經無法滿足《工程材料》課程教學的需要，輔助于多媒體教學，教師可以形象的展示材料的組織形貌、加工工藝過程、以及一些設備儀器等，使課堂教學內容更直觀，同時通過多媒體課件，教師也可以部分的節(jié)約板書時間，使45分鐘的信息量更為飽滿。

(2)然而多媒體教學卻又不能完全取代傳統(tǒng)的教學，很多教學內容通過多媒體是無法實現(xiàn)既定的教學效果的，尤其是一些推導過程，習題的講解等，即使是運用精彩的動畫演示也無法到達板書推演的效果，筆者通過多年的教學發(fā)現(xiàn)，教師的引導及其重要，如果教師沒有板書，那么90%的學生是不記筆記的；反之如果教師板書多，那么80%的學生會記筆記。中國有句俗話：好記性不如爛筆頭！教學經驗告訴我們，板書的量非常關鍵，過多容易導致學生一味的記筆記而忽略了課堂的交流和思考，教學效果差強人意；板書過少甚至沒有，教師滔滔不絕講多媒體課件，會導致學生一味的跟著課件走，同時由于信息量過大而且信息的權重性也無法在多媒體課件和教學中很好的展示，學生很有可能來不及思考而跟不上課堂教學的節(jié)奏而導致教學質量的下降。

因此，對于高等教育而言，應該講現(xiàn)代教學與傳統(tǒng)教學相結合，適當的板書是必要的，尤其是本次教學的提綱，以及主要的公式、重要參數、公式的推導、習題的講解，關鍵的圖表等，都必須要靠板書來更好地體現(xiàn)其重要性加強理解和掌握，同時也能更好地引導學生有節(jié)奏地去理解相關的一些公式、圖表。

3.理論教學和實踐教學相結合

(1)金工實習，包括冷加工和熱加工兩個環(huán)節(jié)，通過車、銑、刨、磨等冷加工工藝和鑄、鍛、焊、熱處理等熱加工工藝使學生初步了解金屬材料加工工藝對金屬材料性能的改善。

(2)生產實習，主要是化工機械的生產過程的認識實習，實習過程包括常見設備圖紙的認識、主要工序的講解、現(xiàn)場參觀等，進一步理解和掌握不同成分和不同工藝材料的適用性。

(3)畢業(yè)實習，通過對壓力容器等特種設備的實地參觀，更深刻的理解和重溫《工程材料》在生產過程中的重要地位，為即將踏上工作崗位打好堅實的基礎。

(4)課程設計和畢業(yè)設計，以安全工程專業(yè)為例，在課程設計和畢業(yè)設計環(huán)節(jié)通常需要對容器設備進行選材和強度設計，綜合考慮安全性和經濟性選擇適當的材料，根據工藝參數展開所選材料的強度設計和強度校核，同時對于加工過程中材料的一些特殊要求也是設計的范圍，比如選擇最優(yōu)的焊接工藝，進行焊縫開孔補強等等。學生經過兩次課程設計和一次畢業(yè)設計可以充分地將《工程材料》理論知識融入于實踐環(huán)節(jié)，真正意義的掌握《工程材料》與安全生產的相關知識點。

4、課程教學與專業(yè)相結合

《工程材料》作為一門專業(yè)基礎課程，若在教學中能夠將理論知識滲透到專業(yè)知識當中，能使學生深刻地領會到基礎理論知識的重要性及其專業(yè)應用，同時，也使教學內容變得更加豐富，提高學生本課程及專業(yè)知識學習的熱情。

比如安全工程專業(yè)講授的《工程材料》課程，教學中可以在機械零件的失效講解過程中引入材料的腐蝕與防護、化工設備的氣體和液體泄漏防范；機械零件的選材與壓力容器安全技術相結合；鋼材的韌性與防火設計、耐火等級相應；可以利用材料的力學性能強度指標輔助壓力容器安全設計中的強度設計與強度校核等?？梢?，教學中需要不拘一格，對各類《工程材料》實際問題、實驗現(xiàn)象等進行適當引申，讓學生對所學知識融會貫通，并且能夠看到事物或問題的本質。

三、結束語

《工程材料》這門課程內容看視繁瑣，然而抓住一條主線，即材料的成分、工藝、組織和性能之間的關系這條主線，將其貫穿始終；掌握兩張要圖：鐵碳合金相圖和過冷A等溫(連續(xù))轉變曲線圖；處理好“點、線、面”三者間的關系；通過四個結合：課堂教學與實驗教學相結合、現(xiàn)代教學與傳統(tǒng)教學相結合、理論教學和實踐教學相結合、課程教學與專業(yè)相結合，融入哲學理念，例如， 碳鋼的力學性能中，強度、硬度與塑性、韌性是一對矛盾，存在著此消彼長的趨勢， 這正是對立統(tǒng)一規(guī)律的具體體現(xiàn)， 教師應注意引導學生抓住這一規(guī)律， 并加以運用； 另外，對于碳鋼來講， 硫和磷一般被認為是有害元素， 因為磷會引起冷脆， 硫會引起熱脆， 但是人們正是利用了硫使鋼變脆這一特點,發(fā)展了易切鋼， 利用磷引起冷脆的特性， 用含磷量較高的鋼來制造炮彈殼， 增加起殺傷力。[2]

通過運用四個結合的講解，引導學生全面的認識事物， 看到事物的兩面性， 善于采用逆向思維， 拓寬分析問題的思路，培養(yǎng)學生的學習興趣、動手能力以及工程思維，保證學生在《工程材料》課程學習中能收獲知識、提高能力。

[1] 劉天模.《工程材料》課程教學體系改革的探討[J]. 高等工程教育研究 ,2001(1).

[2] 顧蘭智，龐思紅.《工程材料》課程教學中哲學思想的體現(xiàn)與運用[J] . 職業(yè)時空,2007(7).

[3] 朱張校.工程材料[M] . 北京:清華大學出版社,2001.

[4] 朱常龍. 流體力學教學思考[J]. 力學與實踐, 2011(1).

Probe into the Teaching Method on Engineering Materials Course in Non-specialty Materials Science

Qian Jianan，Wang Hua，Bao Jing

(NanjingTechUniversity,Nanjing210009,China)

It is clear that Engineering Materials course is important to impart knowledge to students. Also, it is essential to improve students′creativity and comprehensive quality. Based on one main line in Engineering Materials course, it is imperative to emphasize four aspects such as combining class teaching with experiments, combining modern education with traditional teaching. On the other hand, it is necessary to combine theoretical teaching with practical teaching. Finally, it is absolutely required that course teaching should integrate with specialty education. Therefore, the paper points out that it is very important to create philosophy thinking in teaching the course of Engineering Materials. The purpose is to cultivate student ability in solving practical issues and emphasize strategic education of specialty knowledge.

engineering materials; course teaching; methodology

G642

A

1673-3878(2017)02-0044-05

2016-12-12

錢劍安(1977-)，女，江蘇常州人，博士研究生, 南京工業(yè)大學與安全科學與工程學院講師；主要研究方向:安全科學與管理、安全工程專業(yè)人才培養(yǎng).

江蘇高校品牌專業(yè)建設工程資助項目(PPZY2015C223).