材料加工工程课程

机械制造基础系列课程实践教学方法研究——“工程材料”课程

潘晓弘　徐志农　周继烈　唐任仲　傅建中
　机械工程学系

一、课程简介

1.课程类别

专业课程

2.学科类别

工学—机械工程

3.课程目标和教学内容

（1）课程目标:使学生了解工程材料种类、成分、组织、性能及改性方法，熟悉机械工程材料牌号、性能、结构、工艺及应用基本规律，理解“三图一总表”，在掌握机械工程材料基本技术理论和基本工艺知识的基础上培养学生初步具备机器零件选材、改性和工艺设计的能力。

（2）教学内容:工程材料的基本概念，包括材料成分、组织、结构和性能之间的关系及影响因素等材料科学基础理论；机械工程领域常用金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料的牌号、组织、性能及其应用等基本知识；机械零件的失效分析，典型材料在机床、汽车、动力机械、仪器仪表、化机和航空航天等领域的工程应用示例，零件选材、改性、加工工艺路线拟定和制造工艺分析。

4.教学对象

二年级本科学生。一般每年开设约4～5个教学班，每班人数约80人。

5.课程学时与教学场景

（1）课程学时:课堂教学32学时，实验教学16学时。

（2）教学场景:课堂教学在多媒体教室，实验教学在实验室和机房。

二、课程教学重点解决的问题

“工程材料”是机械工程学科知识体系中的核心组成部分之一，是机械类和近机类学生的专业技术基础必修课，具有承上启下的作用。专业课程受限于实践环节课时数和专业技术基础课总体课时数，讲授的内容、范围、深度和交叉度既要在课程建设中合理编排，更要在教学方法改革中予以针对性实施。课程教学中碰到的问题主要有:

（1）工程问题的合理对策是由技术基础理论和工程方法概括与综合分析所得。本课程要使学生学会零件的选材和改性，不但需要材料学基础知识，也需要制造工程方法和工艺知识。从教学过程看，这种对策能力的培养不会一蹴而就。

（2）由于工程背景的欠缺和技术知识不完整，在课程学习中学生经常陷入枯燥的金属学等材料专业术语死记硬背之中，无暇顾及工艺因素及其综合效应，片面理解材料组织和性能之间的内在规律。

（3）零件的工况条件、成型方法、加工工艺、技术要求等制造知识的综合运用对机器零件选材和改性有直接的影响。大二学生的工程实际知识有限，难以主动从材料、零件、工艺制造等多重角度来思考问题，缺乏切入点和变通手段，所以选材和改性无法灵活运用，无法举一反三。

三、教学方法改革

1.教学实施策略与方法

课程教学方法改革要使学生在对机器装备有所认知的基础上，学会零件的选材和改性，服务于机器的设计、制造和使用。由于现代工程技术知识日益交叉复合，教学方法实施的关键是使学生能将抽象的材料学属性与具体零件和实际工况联系起来，由理论研究和实验结果分析来综合强化学生认识问题和解决问题的能力。

（1）从材料基本理论出发服务于机械工程实际需求的教学策略。

课程教学必须恰当体现材料的工程应用实际工况，各章节的课堂和实验教学方法应该既从材料学基本理论出发，又结合工程制造过程，服务于学习过程和工作需求。除了使学生理解工程材料的理想特征，更侧重于解释零件选材受到制造和使用实际工况差异性的极大影响，使学生能正确判断材料的基本属性、强化途径和变化趋势，培养学生选材及改性强化等方面的工程应用能力。

（2）课堂教学和实验法交互递进的研究性学习。

在教学内容传授过程中，充分发挥实践教学对理论学习的启迪和推动作用，建立工程材料课堂教学内容与实验法的交叉递进学习过程，综合讲授法、PBL（基于问题的学习）法和过程考核。如教师在重点章节授课前后均结合实验内容准备若干问题、设计相关场景，提问、设问或由学生讨论分析，提交技术报告，进行总结；学生相关表现记入考核成绩。

（3）教学要点浓缩与工程必须够用的启发式教学。

材料学的一些教学难点如微观组织的相与相变、相与组织的关系对零件设计选材和改性至关重要。从学生初次接触繁杂拗口、易于混淆的金属学术语起，就采用启发式教学方法，在材料学和工艺学的结合上下工夫，对成分、组织及转变、强化方法等的实验过程和结果作出有效的教学内容提炼。

（4）材料学理论和工艺方法相结合的多媒体教学法。

成分、时间、温度等材料和工艺多重因素影响下的相与组织形态各不相同。如相和组织的动态渐变等非线性特征使材料性能可能有较大的差异，学生初次分析应用较难。此类工程材料知识由多媒体教学对虚拟和实际的实验过程及结果作形象化的教学解析更易于学生掌握。

（5）基于教学重点难点的情景教学法。

现代机器用钢大量进行了改性，因此不平衡组织既是本课程教学重点，也是教学难点。由于工艺条件等因素的影响更为复杂，微观组织判别更加困难，学生对材料性能的评价和强化方法的选择往往无从下手。其原因是:材料学基本概念和工艺条件的割裂处理；课堂授课与实验教学不同步，没有及时综合归纳分析；学生经常沉浸在平衡组织状态的情境氛围中。此类问题必须通过合理的教学情境，结合典型案例分析来解决。

（6）强化工程选材能力的自主设计案例教学法。

学生对材料学知识的真正理解有赖于在教学环节设置课内向课外延伸的实践教学方法，自主进行零件设计、选材、制造和试验分析，强化工程应用能力。

2.具体实施方法举例

（1）课堂教学和实验法交互递进的研究性学习举例。

课程讲授与实验教学的合理配置使教学过程内容丰富，相互补充，富有层次性。如在课程教学中，首先，演示典型工况下零件的使用和试验情况，讲解材料在使用和制造过程中的工况，以提问等方式诱导学生思考材料性能的影响因素，引出成分和组织对材料性能的影响；其次，适度解析材料微观结构与宏观性能之间的关系，通过金属和非金属材料的显微组织和物性观察实验跟进和巩固理论知识；第三，以实验为前置教学方法，因势利导地传授Fe-Fe₃C合金状态图和热处理等知识，解析内在关系；第四，基于实践教学的感性认识和理论归纳的成分及组织影响，讲解不同成分的材料有各种不同的性能，相应的工程应用则以材料的牌号及性能来对应使用；第五，根据实验教学涉及的各类典型强化处理方法，对机械工程常用钢种、铸铁、有色合金、复合材料、陶瓷和高分子材料等实际应用予以分别讲授。这种递进交叉的互动式教学，使学生的各类疑难问题分段而解。

（2）教学要点浓缩与工程必须够用的启发式教学举例。

受限于课时数，本课程对诸如金属结晶、形变强化、合金化等基本理论的讲授，不得不采用金属学、改性处理、工艺方法和路线等理论和工艺技术相结合的方法来解释，使得讲授过程中过多地直接引用各专业术语和结论。以专业技术名词解释理论现象，其结果是只见树干不见枝叶。因此，我们在教学中根据专业工程需求，分类讲授。

如包晶反应在本专业后续选材中基本不用，在研究Fe-Fe₃C平衡状态图的材料微观组织及性能的关系时，将该反应区合理简化为一个点，使该区域的理论教学简化，学生可更关注其他区域的相变等实际工程技术理论，有利于选材和强化处理的理解。又如，单纯从相结构进行材料性能描述，无法完全使学生理解材料性能的变化规律。为此在进行了基本相学习后就可以介绍成分对组织转变的影响，再来建立和归纳组织与相的关系，是更为高效的启发式教学实例。

（3）材料学理论和工艺方法相结合的多媒体教学法举例。

孤立的理解冷却曲线、合金状态图和金相图谱对于本课程学习不但乏味而且低效。图形是学生最容易理解接受的学习方式。在教学中，充分利用教材建设中自建的多媒体教学实验软件讲授铁碳合金状态图，将合金成分、微观组织和外部工艺条件用形象的动画和图形予以演示。如图1（a）和（b）所示的金相图谱和相变过程相结合的分析过程蕴含了教学核心信息。由多媒体素材演示相和组织的变化过程，形象生动、形态渐变、表达直观，学生可以取任一点、线段、区域的文字、颜色、线条、形状、面积等图形信息来理解相变过程，提高了教学效能。

图1　金相图谱和相变过程相结合的分析过程

（4）基于教学重点难点的情景教学法举例。

组织分析中单纯进行图2（a）的下贝氏体金相图谱特征识别不易，马氏体组织也类似。由于强化处理中一般只进行正确处理的金相组织分析比对，更使这些微观结构在初学者看来差别不大。组织的难以识别使得性能无从判断。此类教学难点问题必须结合实际工况，综合考虑工艺条件（如冷却速度、加热温度和保温时间等）与材料学基本知识（如组织微观形态、尺度和饱和度）等参数，构建多因素的实际工况情境教学模式。如图2（b）所示说明随着温度变化后微观组织的推理解析，使学生易于得出下贝氏体韧性强、性能好，而上贝氏体脆性大不适宜工程应用的结论。

图2　下贝氏体组织特征的情景组合

（5）强化工程选材能力的自主设计案例教学法举例。

在课内向课外延伸的实验教学中进行如图3所示的压印件和模具制造实践活动。学生在案例式的教学活动中进行自主创意构思、结构设计、选材、性能比对、效果评价、试验分析、改进方案等，完整的实践活动有效提高了专业技术水平。

图3　压印件和模具制造实践活动

3.教学方法特点分析

在较短学时数内对众多抽象的教学内容进行传授，学生的理论分析和能力掌握须有足够的实验教学及相关仪器，工具的观察、使用和评价，贴合工程实际的理论和实践互动环境、媒体教学方法及形象生动的情境教学法帮助，使主动的研究性学习和启发式教学成为可能。其主要特点如下:

（1）教学互动提高效能。以适应学生理解的方式传授并引导学生将实验结果归纳总结用于理论学习；在教学重点和难点上，通过对课程内容的形象解构、“三图一总表”归纳、综合案例分析，使学生得以有效复习巩固。以实验教学促进理论学习，在减少了总课时数的同时提高实验时数，课堂讲授和实验教学时间从48∶4调整为32∶16；按照人的认知能力发展规律，虚实相间的实践和理论教学环境激发了学生的学习兴趣以及将感性认知转化为理性分析的能力。

（2）能力发展持续增强。材料应用能力的培养需要通过工程设计制造过程中的反复实践，对机械类和近机类学生构建从验证和基础型向综合拓展型延伸的选材和分析自主设计教学案例，形成了课内与课外、理论与实验、教与学的兴趣式、自主式和课内向课外延伸式的发展。学生的工程材料专业应用能力与课程整体教学效果都有了实际的提高。

四、课程考核方法和支撑手段

1.课程考核方法

课程采取理论和实验分开考核，均必须通过，强调实验方法的重要性。

理论考核成绩构成:平时成绩40%＋期末考试成绩60%。平时成绩包括课堂表现、作业、讨论分析、技术报告等。平时成绩构成:课堂表现10%，讨论分析10%，作业和技术报告20%；课堂表现包括出勤，迟到1次扣1分，旷课1次扣3分，扣完为止，累计旷课按学校学籍管理规定执行。

实验考核成绩构成:平时成绩20%＋实验报告60%＋自主设计项目20%。

以多个分项综合来评定总成绩，各分项组合强调平时的实践过程，强调实践能力，强调学习的主动性、互动性、合作性和启发性。平时成绩包括实验预习和准备、实验出勤、遵守实验规程、结束后的清理等情况进行累计；单项实验报告分值平均，自主设计项目按照设计新颖性、分析合理性、团队合作性等给予更大的权重评分，不但注重平时学习绩效的积累，更激发学生对综合拓展能力的学习兴趣和积极性。

2.支撑手段

本课程教学方法的基本支撑有:

课程教学配套多媒体教学软件和素材建设。采用大量示例图、三维动画、视频影像的多媒体教学软件和演示文稿，能深入浅出、通俗易懂，形象生动地展示给学生，使教学生动活泼；信息量大、实用性强、学时少，既便于教师授课，更便于学生自学巩固。

灵活配置的教学组织方式和较为完备的实践平台。课堂授课采用大班教学，实验教学采用小组方式组织，并进行基于小组的讨论分析和方案交流报告。当实践教学人数过多时，任课教师需要更大的时间精力投入，特别在学生的自主设计实践活动时。同时，实验设备的台套数也需要增置，以适应同时实验的小组数，才能保证好的教学效果。

五、教学效果和推广性分析

1.教学效果

工程材料课程的教学方法改革自2004年开始起步，2007年随着机械实验教学示范中心的建设逐步推进，课程教学内容不断微调，进行了《工程材料及热加工》和《工程材料实验教程》的教材建设，同时课程教学需要的多媒体教学软件和素材不断建设完善，相关的实验平台建设也随之配套完成，教学方法的改革具备了软硬件的基础。2007年起每年在200余名学生中推行改革实践活动，教改效果良好。

学生们纷纷表示:通过工程材料教学和实践，体会到了“动手实践的快乐扬长避短的思想勇于创新的理念主动学习的热情谦虚学习的态度”，“真的学到了课堂上学不到的知识，这些知识是一个工程师必备的基础……”

这些都充分表明了学生对课程教学方法改革的高度肯定和普遍好评。

2.推广性分析

自2000年以来各高校的小专业（如铸、锻、焊等）取消或合并之后，机械工程学科的专业技术基础课课时数减少，修读本课程学生的工程实践背景相对薄弱，技术理论知识相对欠缺。因此，我们进行的课程教学方法改革在高等工科院校机械工程学科具有普遍适用性，对其他相关工科门类的专业课程教学方法改革也有一定的借鉴作用。

课程在教学方法改革中还依托国家级实践教学团队建设，建设了普通高校“十一五”国家级规划教材及光盘，为教学方法改革的推广应用提供了坚实的基础。

六、课程教材及实验参考书

［1］陈培里，周继烈等.工程材料及热加工.北京:高等教育出版社，2007

［2］徐志农.工程材料实验教程.武汉:华中科技大学出版社，2009