工程材料课程总结图解法

王建江 赵 芳 许宝才

军械工程学院 河北石家庄 050003

材料是发展现代武器装备的基石，是现代高新兵器技术发展的基础和先导。我院工程材料课程的基本教学理念就是使学生贯彻材料科学理论与兵器工程实践相结合的方针，增强工程素质、打牢创新基础，为成为新型军事人才储备必要的材料相关基础知识、基本理论和基础方法。

1　课程简介

工程材料课程是我院兵器工程与车辆运用工程专业的一门专业基础必修课，是研究材料的化学成分、热处理工艺、组织结构与使用性能之间相互关系和变化规律的一门应用科学课程。该课程通过对晶体结构理论、固态相变理论、热处理原理与工艺以及金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料的教学，力求使学员掌握兵器与车辆常用材料的性能特点、主要用途以及强化改性的工艺方法，为后续机械设计基础、机械制造基础课程和专业课程的学习打牢基础，努力在培养学员的机械工程素质和专业创新能力方面发挥重要作用[1]。

本课程以增强学员工程素质、打牢创新基础为指导思想，贯彻材料科学理论与兵器工程实践相结合的方针，从兵器工程和车辆运用工程专业培养目标的实际需求出发，在教学内容安排上坚持以结构材料为主功能材料为辅、金属材料为主非金属材料为辅、钢铁材料为主有色金属为辅的原则，注重培养学员掌握传统结构材料知识的自主学习能力、获取新材料、新工艺、新技术的独立探索能力，分析和解决有关材料问题的知识应用能力。

本课程以材料的化学成分、热处理工艺、组织结构和使用性能之间的相互关系及变化规律为主线，把课程的内容划分为4个模块：由材料的晶体结构、金属与合金的结晶、钢的热处理原理以及钢的合金化构成了本课程的理论模块；由工业用钢、有色金属和非金属材料构成本课程的材料模块；由热处理工艺和机械零件的失效与选材构成本课程的应用模块；两个课程实验构成本课程的实践模块。理论模块为课程的主线，材料模块始终贯穿这条主线，应用模块为课程总体目标的实现提供案例，实践模块为工程素质的培养提供操作训练平台。

本课程的教学目标是通过课程的学习，让学员掌握工程材料的基础知识、基本理论、基本方法，能够运用晶体学和金相知识、固态相变理论和热处理原理分析金属材料特别是钢铁材料的化学成分、组织结构、热处理工艺与力学性能之间的相互关系及变化规律；能够针对武器装备常用零件进行合理选材和热处理工艺设计，制订正确的零件加工路线，为提高和改善装备零部件的使用性能，延长其使用寿命提供相应的技术保障；熟悉常用钢材的性能特点及主要用途，了解常用有色金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料的性能特点及应用领域。通过本课程的理论学习和实践训练，要求学员学会全方位、多角度、深层次观察现象，历史、辨证、全面分析问题的科学思维方法，培养大胆探索、勇于创新的科学精神，为成为高素质新型军事人才奠定基础[1]。

本课程共30学时，其中课堂理论教学26学时，实验教学4学时，通常安排在大学第四学期开设，周教学时数为4～6学时。所用教材为王运炎主编的机械工业出版社2009版的《机械工程材料》和自编《工程材料及机械制造系列课程实验指导书》。

本课程为考试课，考试成绩采用百分制计算，其中平时成绩(含回答问题、作业和专题报告等)占20%，实验成绩占20%，考试成绩占60%。考试采取闭卷的方式进行考核。

2　课程教学存在的主要问题与对策

从上述工程材料课程的教学指导思想、教学目标与内容、教学要求和教学安排可以看出，该课程涉及教学内容多，要求高，但学时少，教学强度大。多期教学后，学员对该课程的普遍反映如下。

一是教学内容繁杂，名词概念和技术术语多，容易混淆，各知识点间的内在逻辑关系薄弱。其实，这并不奇怪，工程材料课程是材料科学与工程专业多门专业基础课和专业课的一个浓缩，它包含材料机械性能、金属学原理、热处理原理、热处理工艺、金属材料、陶瓷材料、高分子材料及复合材料等数门课程的基本内容。课程的每一个章节可能就是一个完全独立的知识点或学科分支，因而整个课程的内容衔接不够严密，逻辑性不强。

二是内容宽泛但不深入。每一章节的内容难以从最基本的物理、化学基础开始构建，大多情况是在介绍一些结论性的基本规律，显得课程深度不够，学生学习时总感到知其然而不知其所以然，不便记忆巩固。教学中若把握不准深浅度和宽广度，易导致学生将其归为科普课[2]。

三是大二学生实践经验和机械加工工艺的感性知识缺乏，学生工程实际经验少，对这门许多来自于实践、应用性极强、在课程中出现的众多图表、图形和曲线的物理意义难以理解，不会应用，造成学习吃力，死记硬背。

为了解决上述问题，教员在授课程过程中特别是课程结束时，要针对课程教学基本要求，善于把课程内容的内在联系按学生的认识规律有机地加以串联和组合，要加强对课程内容进行系统整体的思考，要注重对课程知识作高层次的归纳、概括和总结，使学生理解该课程的知识结构，掌握该课程的本质。这样就可以使学员在学习过程中清楚地知道每一个知识点在知识结构中的作用和地位，使学员能按照科学的方法获得知识、巩固知识，从而掌握学习的主动权，便于有意义学习的保持与再现，便于对获得知识的运用。

3　一种课程总结方法介绍

这里介绍一种工程材料课程总结的图解法以揭示其知识结构。所谓课程总结图解法就是把课程中重要的图表和曲线进行有机整合并以图的形式表达出它们之间的相互联系和逻辑关系，也就是说，图解中每一个板块都对应着课程中或教材中的一张图表或一条曲线，对应着一个重要的内容和知识点。例如，含碳量对碳钢机械性能的影响就是用性能与含碳量之间的一个二维平面曲线、过冷奥氏体等温转变产物的组织特征就是用一组金相照片，而这些图表或曲线在相应的教材中都得到了充分的体现。

工程材料课程主要研究的是金属材料的化学成分、加工工艺、组织结构、力学性能之间的相互关系和变化规律。材料科学与工程领域的工作者从系统分析的观点出发，积累了许多有效的方法，其中之一就是相关法：即从大量的实验结果出发，建立性能P与组织结构参量S之间的相互关系：

F(P，S1，S2，……)= 0

应用这种关系，便可通过工艺T改变组织结构，从而控制性能。因此，搞清工艺T、组织结构S和性能P之间的相互关系和变化规律，就成为掌握本课程实质的关键。而T，S，P之间的相互关系是众多而复杂的，表达它们之间相互关系的方法又是多样的。这就需要抓住最主要的矛盾，做到提纲挈领，寻找最简明的、一目了然的表达，而本课程中二个最重要的图表：Fe-Fe3C相图和钢的C曲线恰恰是这一问题的核心。为此，从这两张图出发，向外辐射，依次找出与之相关的其他内容，分清层次、搞清结构、理顺关系，就可以图解这一最简明的方式，表达出它们的相互关系和变化规律，从而给出本课程的知识结构和总结，具体如图1所示。

图1　工程材料课程总结图

此图解的核心是Fe-Fe3C相图和钢的C曲线，但同时又分为上下两区，上区主要反映了组织、性能、工艺间的关系，下区反映了Fe-Fe3C相图和钢的C曲线的应用及含碳量、合金元素对它们的影响。

此图解的上区又分为4个层次，并按照组织→工艺→性能的顺序向外辐射。除核心Fe-Fe3C相图和钢的C曲线外；第二层次(第二圈)反映了依据该两张图推断出的碳钢在室温下可获得的常见组织；第三层次(第三圈)反映的是各组织与性能间的对应关系；第四层次(第四圈)反映的是为了获得该组织所采取的相应热处理工艺。此图解沿半径方向的各内容有着紧密的联系，由里向外，反映出内容间的一种逻辑关系：组织结构决定性能，性能受加工工艺控制。

此图解共有30张图组成，这30张图均可在相应教材中找到，如果明白了这30张图(曲线)的来龙去脉，记住了它们的形态，理解了其物理与工程意义，清楚了它们之间的相互联系和逻辑关系，并能够灵活应用，那就可以说熟悉了本课程的基本理论，掌握了课程本质，能够做到举一反三，触类旁通。

4　结语

工程材料课程是工科学生的基石，其内容繁杂、知识点多但不够深入的特点决定了必须调整教学方法，提倡自主学习。这种图解课程总结法清晰展现了课程重要内容和知识点之间的内在逻辑关系，不仅帮助教师理顺授课思路，在授课过程中将课程内容和知识条理化、系统化、形象化，而且帮助学生理解课程中众多图表、图形和曲线相互之间的内在联系，有利于对知识的记忆、巩固和运用，引导学生真正从材料成分、工艺、结构和性能之间的关系出发，全面认识工程材料、学会选择和使用材料，同时也使学员的智力、能力、兴趣、方法、意志等方面得到了应有的发展。

[1]李俊寿,赵芳.《工程材料》课程标准[A].军械工程学院2014年版人才培养方案及课程标准[C].2014:222-225.

[2]巩前明,姚可夫,邵洋.浅议工程材料课程教学与大学生自主学习[J].中国现代教育装备,2016(1):59-63.