非材料学专业《工程材料》课程教学的方法论探讨

钱剑安，王 华，鲍 静

(南京工业大学，南京 210009)

非材料学专业《工程材料》课程教学的方法论探讨

钱剑安，王 华，鲍 静

(南京工业大学，南京 210009)

在高校材料学相关专业中，《工程材料》这门课程不仅仅是传授理论知识，更需要提高学生的创造性和综合素质。文章紧紧围绕《工程材料》的一条主线，讨论了“四个”结合：课堂教学与实验教学相结合；现代教学与传统教学相结合；理论教学和实践教学相结合；课程教学与专业相结合；提出了《工程材料》课程教学过程中哲学思维观建立、解决实际问题能力培养、专业知识前瞻性教育的至关重要性。

《工程材料》; 课程教学; 方法论

一、《工程材料》课程的重要性

在高校中，《工程材料》课程是机械类和非材料学等相关专业本科生的一门重要的必修专业基础课，它既是引导学生进入专业领域的入门课程，又是学生掌握基本原理的理论课程，也是培养学生具有自学能力、独立分析能力的综合训练课程[1]。该课程概念抽象、内容繁杂、理论性强、讲授课时少，给老师的“教”与学生的“学”之间带来困难。因此，教师如何利用课堂上的有限的时间，使学生较好地理解并掌握该课程，是一个值得探讨的课题。

二、关于《工程材料》课程的几点思考

(一) 一条主线

《工程材料》课程看似繁琐，然而其自始至终都贯穿着一条主线，即材料、组织和性能三者之间的关系，即在介绍各种《工程材料》时，都围绕材料的化学成分、加工工艺与组织结构、使用性能这根主线展开。同时，突出重点，强调实用，根据不同材料的特点着重培养学生的合理选材、合理选择热处理工艺及合理制订加工工艺路线的能力。

(二) 两张要图

1.铁碳合金相图讲解需层层递进

铁碳合金相图(见图1)可以说是《工程材料》教学中最重要的一个知识点，学生对于其的理解和掌握直接关系到该课程教学的成败，如果仅是就图讲图,学生无法系统的将前后知识点贯穿起来。因此,该图的讲解最佳的方法是通过板书，由简单到复杂、由点到面、由单元到系统层层递进、深入浅出的讲解，而非就图讲图。主要方法如下：

图1 铁碳合金相图和纯铁的同素异构转变

第一，点、线、面结合。在绘制好坐标系的基础上，从点到线再到面深入浅出的展开讲解，首先在坐标系上根据既有知识找到关键点，分别包括①包晶点J、共晶点C、共析点S；②纯铁熔点A、碳的熔点D；③同素异构转折点：J点和G点；④最大溶解度点：碳在δ-Fe中的最大溶解度点H、碳在γ-Fe中的最大溶解度点E、碳在α-Fe中的最大溶解度点P、600℃时碳在α-Fe中的溶解度Q。

其次依据三个关键反应画三条水平线：

最后将关键点和三条水平线依次用线段相连，在各个区内填入相应的相，依据反应温度和同素异构转变从高温到低温依次确定4个单相区，分别为L、δ、γ、α，随后依据单相区和最右侧渗碳体竖线，两两结合确定5个两相区，分别为L+δ、L+γ、α+γ、γ+Fe3C、α+ Fe3C，这样铁碳合金相图即完成，通过点到线、线到面深入浅出的讲解，使学生进一步理解二元合金的基本平衡结晶过程以及纯铁的同素异构转变。

第二，铁碳合金相图与同素异构平衡结晶过程相结合。铁碳合金相图的复杂性归结为纯铁的平衡结晶过程的两次同素异构转变，为了让学生更好地理解和掌握铁碳合金相图，教师必须把纯铁的同素异构平衡结晶曲线与相图结合起来讲解。典型铁碳合金的平衡结晶过程分析,更是必须与平衡结晶过程相结合。

第三，作图法列表分析铁碳合金的平衡结晶过程(见图2)。对于铁碳合金的平衡结晶过程的分析非常关键，通过分析有助于学生更好的理解结晶过程，同时能独立自主的完成各个典型铁碳合金的室温平衡组织。

分析过程如下：①从需要分析的铁碳合金成分点处画竖直线，从上至下依次对与相图的交点编号1，2，3…，每碰到一条相线即编一个号，具体的分析方法是每一个编号代表时间的一个间隔，在分析过程中必须考虑在这个时间间隔中铁碳合金发生了什么反应或是保持不变，具体判断发生什么反应的标准是看两个时间点之间相是否发生变化，如变化了则发生相应匀晶反应。另外,值得注意的是碰到三条直线时会有一个时间延迟，因为包晶反应、共晶反应和共析反应是等温结晶过程，此时用1，，2，，3，…表示；②列出反应过程，包括每个时间的反应过程及反应产物，直至最终得到室温平衡组织和相。如亚共析白口铸铁的平衡结晶过程(见表1)：

图2 典型铁碳合金在Fe-Fe3C相图中的位置

表1 典型铁碳合金的平衡结晶过程分析

2.C曲线的分析

第一，TTT曲线和CCT曲线是分析热处理基本原理最重要的曲线，要想让学生透彻的理解热处理的方法，分析C曲线是关键，具体方法如下：

第二，TTT图与CCT图的对比(见图3)。

图3 TTT图和CCT对比

对于同一种金属材料，虽然从表观上看其曲线存在差异性，然其内在有着不可分割的关联，尤其是二者分析思路是一致的，主要考虑孕育期以及组织转变的起始和终止时间，分析方法均为将冷却曲线与C曲线相结合，最终确定特定热处理条件下的室温平衡组织。将两条曲线统一起来讲解，既有利于C曲线的理解，也能更好的对比不同的热处理工艺可以获得不同的室温平衡组织从而改变金属材料的物理性能。

第三，C曲线与铁碳合金相图对比，铁碳合金相图是C曲线的基础，尤其是A1、A3和Acm三条临界温度线，在分析C曲线前说明Ac1、Ac3和Accm及Ar1、Ar3和Arcm的物理意义；既实现了教学内容的承上启下，也能够让学生理解各类知识存在连贯和相通的地方。

第三，共析钢、亚共析钢、过共析钢C曲线对比。通过共析钢、亚共析钢和过共析钢过冷A的TTT、CCT曲线的对比，借助横向比较和理解，进一步吃透成分、工艺、组织和性能四者之间的关系。

第四，C曲线与淬透性。淬透性是金属材料热处理的一个重要参数指标，而C曲线与淬透性关系极为密切，金属材料的淬透性在很大程度上取决于孕育期的长与短，所以C曲线的位置与淬透性密不可分，凡是影响C曲线孕育期的即导致C曲线右移的参数就是能提高金属材料淬透性的主要影响因素。

(三) 三个要素

《工程材料》课程里点、线、面三个要素意义重大，上节铁碳合金相图中由点到线再到面循序渐进阐述，有助于学生更好地理解铁碳合金的平衡结晶过程，此外，晶体缺陷包括点缺陷、线缺陷和面缺陷；晶体结构是把原子(或离子)的中心，划出空间直线，由这些直线形成空间格架即晶格，分析晶胞时仍然遵循从点、到线再到面的原则，充分发挥空间想象能力来理解晶体的结构。

(四) 四个结合

1.课堂教学与实验教学相结合

很多专业由于受课时限制，从而导致实验课时量不可能很多，然而在开设的有限的实验课时中，有些实验却是必不可少的，对于后序专业课程的学习也是意义重大的，基于此《工程材料》的实验开设原则是少而精；

2.现代教学与传统教学相结合

(1)受教学课时的限制，单纯的传统课堂教学已经无法满足《工程材料》课程教学的需要，辅助于多媒体教学，教师可以形象的展示材料的组织形貌、加工工艺过程、以及一些设备仪器等，使课堂教学内容更直观，同时通过多媒体课件，教师也可以部分的节约板书时间，使45分钟的信息量更为饱满。

(2)然而多媒体教学却又不能完全取代传统的教学，很多教学内容通过多媒体是无法实现既定的教学效果的，尤其是一些推导过程，习题的讲解等，即使是运用精彩的动画演示也无法到达板书推演的效果，笔者通过多年的教学发现，教师的引导及其重要，如果教师没有板书，那么90%的学生是不记笔记的；反之如果教师板书多，那么80%的学生会记笔记。中国有句俗话：好记性不如烂笔头！教学经验告诉我们，板书的量非常关键，过多容易导致学生一味的记笔记而忽略了课堂的交流和思考，教学效果差强人意；板书过少甚至没有，教师滔滔不绝讲多媒体课件，会导致学生一味的跟着课件走，同时由于信息量过大而且信息的权重性也无法在多媒体课件和教学中很好的展示，学生很有可能来不及思考而跟不上课堂教学的节奏而导致教学质量的下降。

因此，对于高等教育而言，应该讲现代教学与传统教学相结合，适当的板书是必要的，尤其是本次教学的提纲，以及主要的公式、重要参数、公式的推导、习题的讲解，关键的图表等，都必须要靠板书来更好地体现其重要性加强理解和掌握，同时也能更好地引导学生有节奏地去理解相关的一些公式、图表。

3.理论教学和实践教学相结合

(1)金工实习，包括冷加工和热加工两个环节，通过车、铣、刨、磨等冷加工工艺和铸、锻、焊、热处理等热加工工艺使学生初步了解金属材料加工工艺对金属材料性能的改善。

(2)生产实习，主要是化工机械的生产过程的认识实习，实习过程包括常见设备图纸的认识、主要工序的讲解、现场参观等，进一步理解和掌握不同成分和不同工艺材料的适用性。

(3)毕业实习，通过对压力容器等特种设备的实地参观，更深刻的理解和重温《工程材料》在生产过程中的重要地位，为即将踏上工作岗位打好坚实的基础。

(4)课程设计和毕业设计，以安全工程专业为例，在课程设计和毕业设计环节通常需要对容器设备进行选材和强度设计，综合考虑安全性和经济性选择适当的材料，根据工艺参数展开所选材料的强度设计和强度校核，同时对于加工过程中材料的一些特殊要求也是设计的范围，比如选择最优的焊接工艺，进行焊缝开孔补强等等。学生经过两次课程设计和一次毕业设计可以充分地将《工程材料》理论知识融入于实践环节，真正意义的掌握《工程材料》与安全生产的相关知识点。

4、课程教学与专业相结合

《工程材料》作为一门专业基础课程，若在教学中能够将理论知识渗透到专业知识当中，能使学生深刻地领会到基础理论知识的重要性及其专业应用，同时，也使教学内容变得更加丰富，提高学生本课程及专业知识学习的热情。

比如安全工程专业讲授的《工程材料》课程，教学中可以在机械零件的失效讲解过程中引入材料的腐蚀与防护、化工设备的气体和液体泄漏防范；机械零件的选材与压力容器安全技术相结合；钢材的韧性与防火设计、耐火等级相应；可以利用材料的力学性能强度指标辅助压力容器安全设计中的强度设计与强度校核等。可见，教学中需要不拘一格，对各类《工程材料》实际问题、实验现象等进行适当引申，让学生对所学知识融会贯通，并且能够看到事物或问题的本质。

三、结束语

《工程材料》这门课程内容看视繁琐，然而抓住一条主线，即材料的成分、工艺、组织和性能之间的关系这条主线，将其贯穿始终；掌握两张要图：铁碳合金相图和过冷A等温(连续)转变曲线图；处理好“点、线、面”三者间的关系；通过四个结合：课堂教学与实验教学相结合、现代教学与传统教学相结合、理论教学和实践教学相结合、课程教学与专业相结合，融入哲学理念，例如， 碳钢的力学性能中，强度、硬度与塑性、韧性是一对矛盾，存在着此消彼长的趋势， 这正是对立统一规律的具体体现， 教师应注意引导学生抓住这一规律， 并加以运用； 另外，对于碳钢来讲， 硫和磷一般被认为是有害元素， 因为磷会引起冷脆， 硫会引起热脆， 但是人们正是利用了硫使钢变脆这一特点,发展了易切钢， 利用磷引起冷脆的特性， 用含磷量较高的钢来制造炮弹壳， 增加起杀伤力。[2]

通过运用四个结合的讲解，引导学生全面的认识事物， 看到事物的两面性， 善于采用逆向思维， 拓宽分析问题的思路，培养学生的学习兴趣、动手能力以及工程思维，保证学生在《工程材料》课程学习中能收获知识、提高能力。

[1] 刘天模.《工程材料》课程教学体系改革的探讨[J]. 高等工程教育研究 ,2001(1).

[2] 顾兰智，庞思红.《工程材料》课程教学中哲学思想的体现与运用[J] . 职业时空,2007(7).

[3] 朱张校.工程材料[M] . 北京:清华大学出版社,2001.

[4] 朱常龙. 流体力学教学思考[J]. 力学与实践, 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

钱剑安(1977-)，女，江苏常州人，博士研究生, 南京工业大学与安全科学与工程学院讲师；主要研究方向:安全科学与管理、安全工程专业人才培养.

江苏高校品牌专业建设工程资助项目(PPZY2015C223).