金属学与热处理课程教学思考*

2016-11-03胡春霞龚成功

甘肃科技 2016年12期

关键词：金属材料热处理金属

徐　阳，李　晶，胡　伟，胡春霞，龚成功

（兰州工业学院材料工程学院，甘肃兰州730050）

金属学与热处理课程教学思考*

徐阳，李晶，胡伟，胡春霞，龚成功

（兰州工业学院材料工程学院，甘肃兰州730050）

金属学与热处理是材料工程专业一门重要的必修专业基础课，因此结合专业的特点，对金属学与热处理课程进行改革，提高学生的学习激情，是当前一项重要的教学任务。

金属学与热处理；专业基础；教学改革

众所周知，金属材料是工业、农业、国防、科技等领域使用最广泛的材料，在国民经济中占有非常重要的地位。金属学与热处理课程是研究金属材料及其强化方法的课程，是冶金、材料、机械专业学生的必修课程，专业覆盖面非常广。涉及金属学、热处理、材料学3大教学板块，是一门理论、实践兼重的课程，所以在教、学两方面都有一定的难度。

1　课程介绍

兰州工业学院是一所服务面向甘肃省制造业、以工科为主的大学，《金属学与热处理》是兰州工业学院材料成型及控制工程和焊接技术及工程专业的必修的专业基础课。因课程内容基础性强，它能充分利用学生已经学过的基础知识（包括物理化学课程等），并能连接后续的材料测试、加工和应用等课程，因此它是承接基础课和后续专业课的重要环节，而且本课程涉及的相关知识多，因此非常重要。

本课程以培养学生的应用能力为主要目标，理论实践相结合，使学生通过本课程的学习，熟悉材料科学的相关基础知识，掌握热处理的基本原理和工艺，使学生具有合理选择材料（金属材料为主）、选用毛坯及分析毛坯结构工艺性及选用合适热处理方法的能力，为后续部分和专业课程的学习以及将来解决材料的生产、加工等问题打下比较系统而坚实的理论基础［1-7］。

2　课程教学现状

2.1课程学时有限

本课程共64学时，其中理论讲授54学时，实验10学时。本课程的内容体系结构包括金属学原理及热处理原理两大部分。其中金属学是研究金属或合金的化学成分、组织、结构及性能之间的相互关系及变化规律的科学。利用这条主线主要介绍晶体学基础、金属凝固理论、相图知识、金属塑性变形与断裂、金属的回复与再结晶的基本理论。而金属热处理以金属学为基础，重点研究固态相变的规律性，研究金属或合金热处理组织与性能之间的关系，以及热处理理论在生产实践中的应用。理论内容较多，知识点琐碎繁杂，56个理论学时讲授13个章节的所有内容，确实存在一定困难，学生通常不易抓住重点，普遍反映学习有难度，对本课程的学习失去信心。

2.2教材内容较多

本课程选用的教材为崔忠圻和覃耀春主编的《金属学与热处理》（第2版），与同类教材相比，该教材非常好地在深度和广度两个方面涵盖了本课程的理论与实践知识，曾被评为95国优教材，现为十一五国家级规划教材，但是该教材出版较早，虽然几年来经过多次再版，但是很多材料领域的最新科技进步的前沿知识没有反映出来，教材缺乏活力和生动性，学生的知识面较窄，缺乏学习兴趣。

3　教学改革

为提高这门课的教学质量，在本课程的教学中采取了以下一些教学方法与手段：

3.1理清教学脉络

在教材内容较多，学时有限的情况下，只有让学生理清全书的结构脉络，抓住重点和难点，才是学生学好这门课的关键。

在讲绪论时，就向学生介绍这门课是以金属材料为研究对象，以材料科学研究的四大要素成分、组织、工艺、性能为主线讲解，使学生在看似抽象、复杂、枯燥的内容中寻找到其内在、本质的规律。这门课的主要研究内容可概括为一个关系：成分——组织——结构——性能；两张图：Fe-Fe3C相图（成分、组织）、C曲线（制备、加工）；三种材料：钢、铸铁、有色金属，四种热处理：退火、正火、淬火、回火。

在“成分——组织——性能”这条主线中，成分决定组织，组织决定性能，性能体现组织，组织体现成分。我们来分析一下这条主线之间与各个章节之间的有什么样的相互关系：

3.1.1成分

钢的成分主要是由钢的冶炼过程决定的，钢的成分主要是由Fe、C、Si、Mn、P、S、合金等元素组成、其中Fe和C元素是最基本的两大元素，所以我们要先学习Fe-C合金，在学习Fe-C合金之前，要先学习二元合金，如果有时要特殊考虑其它某些元素对钢性能的影响，必须学习多元合金相图来分析问题，在多元合金相图中，三元相图是最简单的一种，但与二元相图比较，三元相图的类型多而复杂。

3.1.2组织结构

冶炼好的成分合格的钢水要经过凝固形成固态的铸坯，因此必须学习金属的结晶过程，金属结晶后形成的组织结构极大地影响到金属的加工性能和使用性能。铸坯或铸锭一般要加工成型材后才可使用，因此要学习塑性变形的知识，型材的深加工由于加工硬化而变得困难，应当学习回复和再结晶处理。

金属与合金的熔炼及结晶、冷变形金属的回复与再结晶以及后续的热处理工艺过程中都存在扩散现象，因此要深入了解这些过程，就必须掌握有关扩散的知识。

3.1.3性能

为了合理使用金属材料，就必须掌握其性能，并了解影响其性能的因素。影响金属材料性能的因素有内因和外因两个方面：内因是材料的化学成分和组织结构；外因是材料的加工工艺，主要是指热处理和塑性变形，如图1所示。尤其是热处理是改善金属材料性能的重要手段，它是通过改变金属材料的内部组织结构来达到改善其性能的目的。而某些金属或合金不能用热处理强化，只能采用塑性变形加工来强化性能。

图1　材料成分、组织结构和性能之间的关系

老师在第一堂课讲绪论时就把课程的结构脉络讲清楚，使学生对这门课的各个章节之间的关系搞清楚，这样就激发了学生的学习热情，大大调动了学习的主动性和积极性。

3.2及时更新教学内容

教师上课前精心设计，剔除陈旧的教学内容，引入和补充前沿知识。为了使学生的知识结构能够跟上科技的发展，在教学过程中，要随时关注金属学与热处理方面的最新进展，将其更新到教学内容中，也可以让学生在课下上网去查阅相关的新工艺和新技术，在课上将查阅的新资料讲给老师和同学，充分调动学生学习的主动性，增强学习兴趣。

在教学过程中，也可将教师的科研成果和工程实践补充进课堂中。例如“硅钢轧制过程中气氛控制的化学热力学实验及理论研究”这个项目中，就把“金属学与热处理”和之前学的“物理化学”课程的相关知识融合到一起，可以先给学生介绍什么叫硅钢，硅钢有什么用途，硅钢的生产工艺，硅钢生产的热处理气氛的控制，以及用热力学原理来解释。通过这种讲授方式使学生清楚地认识到理论课程的重要性，将理论与实践相结合在工程实践中具有重大的意义，大大增加了学生的学习兴趣，一定程度上拓展了学生的专业知识。

3.3针对不同专业合理组织教学

教学中，针对不同专业的具体情况，讲授时有所侧重，有所删减，比如说材料成型及控制工程专业、焊接技术及工程专业和冶金工程专业根据专业的具体情况，可以设置不同的讲课学时来讲授。无论多课时课程还是少课时课程，重要的基础知识、基本理论统一要求，保持了课程系统性。而有些知识可以有所侧重，如对冶金工程和焊接工程专业，以相图和结晶为重点，扩散知识必须讲；对材料成型与控制工程专业，分为铸造和模具两个方向，铸造方向以相图和结晶为重点，模具方向以形变再结晶为重点，扩散知识可略讲。这样就保证了课程共性与个性的统一，更重要的是满足了各专业的实际需要。

3.4科学应用多媒体等现代化教学手段

《金属学与热处理》内容庞杂抽象，学生对教学内容、知识点难掌控。一方面全程采取多媒体教学，在课件中加入大量图片、视频，图声并茂，尽可能丰富教学内容。同时为避免学生记笔记难、无暇听课等多媒体教学的短处，在尚未实现教学资源上网的阶段，及时将电子版多媒体课件发给学生，学生提前获得课件后，课堂上更专心于听课、思考和理解。这样既提高了课堂教学效率及课后复习效果，又便于鼓励其自学。曾经担心学生获得课件后会不听课，实践证明这种方法和措施不仅可以提高课堂教学效率，更重要的是大大提高了学生的学习积极性。

3.5采取启发式、讨论式等教学方法，提高学生的学习兴趣与积极性

为提高学生的学习兴趣，一方面教学思路上尽可能从现象出发，繁杂的理论分析之后，回到实际应用，使学生意识到学有所用；另一方面加强课堂提问，鼓励同学积极、踊跃提出问题；同时，针对不同的课程内容，采取多种形式的课堂讨论，加强习题课，并辅以自学相结合的方式，课后与同学及时交流，强化了课堂教学的互动性，使同学及时消化与巩固所学知识，充分调动学生学习的主动性与积极性。

3.6重视实践教学环节

材料工程专业是一个实践性很强的工科专业，金属学与热处理课程更是与实际紧密结合的专业基础课，因此实验教学是教学过程中的重要环节。在实验教学中基础实验与大综合性实验也都围绕这“成分——组织——性能”这条主线进行开设，从而深化学生对基础理论、基本知识的真正理解与掌握，达到全面、综合的专业技能训练目的，提高学生动手解决问题的能力。

该课程可以按照这条主线设置以下几个实验项目，如图2所示：