面向安全工程專業本科生的機械工程材料課程教學探討

蔡守宇，侯玉亮，榮彥，張蘭

（1. 鄭州大學 力學與安全工程學院，河南 鄭州；2. 鄭州大學 機械與動力工程學院，河南 鄭州）

安全工程專業屬于涉及面極廣的綜合交叉專業，注重培養能夠從事安全技術及工程、安全科學與研究、安全監察與管理、安全設計與生產、工作場所危險有害因素識別與檢測等方面工作的復合型高級工程技術人才[1]。隨著國家、企業和個人對安全工作的日益重視以及全國300人以上高危企業的日益增多，安全工程專業人才的需求市場巨大，即使近年來畢業生數量已大幅度增加，也仍處于供不應求的狀況。

開辦安全工程專業的高校類型很多，但主要為理工類院校，而且各個院校的安全工程專業都有其自身的特色，例如：中國礦業大學安全工程專業在煤礦安全領域擁有多個國家級重點實驗室；中國科技大學安全工程專業在火災科學和城市公共安全研究領域居于國際先進水平；河南理工大學安全工程專業在瓦斯地質與瓦斯突出防治、通風理論與技術等領域有著鮮明的優勢；中南大學安全工程專業主要聚焦于安全工程方面的設計、研究、檢測、評價、監察與管理等方面；西安科技大學安全工程專業形成了煤火科學與防控、礦山設備安全與救援、智慧消防等特色鮮明的研究方向。

作為河南省一級重點學科和高等學校特色專業建設點，鄭州大學安全工程專業面向機械、材料、土木、交通等工程領域，培養具有扎實的力學基礎理論、安全科學與工程基礎知識、工程結構與設備方面的專業技術知識的創新型工程技術人才，在提高工程結構和設備及其零部件的壽命等方面具有明顯的優勢和特色[2]。鄭州大學安全工程專業已與宇通集團有限公司、衛華集團有限公司、中信重工機械股份有限公司、中國建筑第七工程局有限公司等河南省知名制造建筑企業聯合共建了多個穩定的教學實習基地，致力于服務本省的優勢產業 并與之相輔相成、共同發展。

機械設備在采礦業、制造業、建筑業、航空航天以及人們日常生活中應用非常普遍，是人類探索和利用大自然并使之更好地為人類服務的重要工具[3,4]。然而人類的血肉之軀在冰冷的鋼鐵之體面前卻是非常的脆弱，一個小小的機械事故常會造成巨大的經濟損失和難以挽回的人員傷亡。許多高校的尤其是以設備安全為特色的安全工程專業，都開設有機械類基礎課程，如：機械設計基礎、機械安全工程、機械工程材料和設備結構安全分析等，而這些課程的教學內容應針對安全工程專業的培養目標和專業特色進行適當的調整[5,6]。下面就以機械工程材料課程為例，探討其面向安全工程專業的教學內容和方式。

一 機械工程材料課程介紹

（一）機械工程材料

材料的發展水平和利用程度已成為人類文明進步的標志，人類社會依據制造生產工具的材料可劃分舊石器時代、新石器時代、青銅器時代、鐵器時代、鋼鐵時代和新材料時代。

機械工程材料是用于制造各類機械零件、構件的材料和在機械制造過程中所應用的工藝材料，相關研究跨越機械和材料兩個學科：一方面從機械工業的需求出發，推動材料科學技術的發展；另一方面借助材料科學的新進展，推動機械工程技術的革新。

（二）課程內容及特點

機械工程材料課程主要講授零（構）件和器件在不同服役條件下的失效方式及其對性能的要求，以及機械 設計者和制造者必須具備的材料基礎知識和基本理論；介紹各類工程材料的成分、組織結構與冷、熱加工（或合成）工藝、性能特點和應用范圍，并以實例說明如何根據零（構）件或器件的不同服役條件和性能要求進行合理選材。

該課程在講授方面概念多且較為抽象，前后內容邏輯聯系少，沒有數學公式推導；在考試方面記憶點多，文字作答多，數學計算少；在實驗方面由于金相實驗對實驗設備要求高，熱處理實驗對實驗場合和操作要求特殊，因而不便讓學生動手操作。以上特點使本科生在學習機械工程材料課程時容易感到枯燥而不夠重視，尤其是非機械類的學生會對這門課程的學習目的感到迷茫，從而喪失興趣和主動性。

（三）學習本課程的必要性

對于畢業后直接就業的安全工程專業本科生而言，他們的就業領域大都為建筑和制造行業，而碳鋼、鑄鐵、合金鋼、鋁合金等材料在這些行業中使用普遍。從事這類行業的本科生若要評判建筑結構和設備是否用材合理和安全，就要熟悉這門課程。機械工程材料是聯系其它理論知識與工程實際的必不可少的橋梁，該課程的內容是工程人員經過大量實驗總結而成的，具有很強的實踐指導意義，在安全評估和提出改進設計時可作為工具書進行參考。

對于畢業后繼續深造的安全工程專業本科生而言，他們在將來的研究生階段大都從事力學、材料、機械、土木方面的研究。在此類研究領域中常要對材料或結構進行力學試驗以及進一步改進，因此需要熟悉常用工程材料的使用性能、工藝性能、顯微組織以及性能改進方式等，這些正是機械工程材料課程的教授內容。該課程能夠有效指導研究人員在工程結構/材料的設計和試驗中如何選用和改進材料，使結構和設備更加安全可靠。

二 重點講授內容及教學方法探討

（一）針對安全工程專業的教學內容

基于從“問題”和以“問題”為歸的思想，在給安全工程專業本科生講授機械工程材料課程時，要從設備零件失效著手，重點講解零件過量變形、斷裂、磨損、腐蝕和蠕變等的具體失效形式、失效原因和相應的材料抗力指標，使學生能夠根據零件工作條件和失效方式合理選材與使用材料。為進一步使學生能夠合理制定冷、熱加工工藝路線以改進材料，需重點講授鐵碳合金相圖、壓力加工的影響、奧氏體轉變圖和鋼的普通熱處理等內容。最后從實際案例出發對機械設備關鍵零部件的工作條件、常見失效形式以及選材及改進材料的方式進行系統講解，使學生能夠將重要知識點串聯起來，以加深印象并能活學活用。

除了上述重點講授內容，還需使安全工程專業本科生熟悉了解合金鋼、鑄鐵、有色金屬及其合金等工程中常用金屬材料的基本概念、性能特點和適用場合。通過講解合金元素的作用、鑄鐵的石墨化、鋁合金的時效強化等理論知識，使學生在以后工作研究中遇到此類材料時能夠有目的地查詢和學習相關專業書籍，以進一步深入掌握相應的知識體系。

（二）面向安全工程專業的教學方法

首先，在結合安全工程專業特點的基礎上要充分發揮多媒體教學的優勢。為了提高該專業本科生的學習興趣，要從機械零件（或器件）的失效分析開始講解，建議采用西安交通大學沈蓮主編的《機械工程材料》教材[7]。在首次課上先播放典型設備零件的失效視頻，并展示一些由零件失效造成的安全事故案例，使學生直觀認識到起這門課與安全工程專業之間的聯系。在具體講解不同的失效類型時，可通過播放視頻動畫和講述相應案例等手段提高學生的學習興趣并加深他們對知識理論的理解，比如：在講解沖擊韌性和韌脆轉變溫度這類重要知識點時，先播放一段泰坦尼克號撞擊冰山而快速沉沒的電影橋段，然后通過提問的方式讓學生判斷這個事故歸咎于材料的韌性斷裂還是脆性斷裂并進行解釋，最后給出答案和詳細分析，并進一步引導學生對一些難以預料的安全事故進行思考。

其次，對于重點核心內容要采用靈活的教學方法并激發學生主動獲取知識的能力。教學方法的選擇因內容而異：對于馬氏體、奧氏體和鐵素體這類相近的概念，要采用異同比較法找出它們的共性和區別；對于“熱加工”和“冷加工”這類正好相反的概念，要采用相反相成比較法對它們的定義進行界定；對于鐵碳合金相圖這類知識點多而難以記憶的概念，要采用口訣記憶法并反復進行訓練。此外要讓學生在課下做好溫習和預習工作，并定期進行檢查、答疑和總結，以調動學生學習的積極性和主觀能動性。

最后，引導學生綜合運用本門課所學知識對真實案例進行設計和分析，以提高他們對知識理論的掌握程度和運用能力。一個典型的案例就是火箭發動機殼體的選材，工程師在初始設計時為了減輕自重而選擇了超高強度鋼，但在實際打壓試驗中，殼體在遠低于工作應力的情況下發生爆裂。于是人們依照經典設計思想選用了強度更高的鋼，結果爆裂發生在更低的應力下。這個案例可作為課堂討論題目組織學生分組進行討論和分析，加深他們對斷裂韌度等指標的認識。類似話題還有飛機機翼為何采用剛度不高的鋁合金，汽車板簧為何不采用彈性模量較低的橡膠等。在案例分析討論的基礎上，再系統講解材料強度、塑性和韌性的合理配合，以及如何 根據材料的使用性能、工藝性能和經濟性進行選材等知識點。

三 結語

鋼鐵、有色金屬等機械工程材料在航空航天、土木建筑、車輛船舶、機械化工等領域應用廣泛。作為與機械設備和建筑結構關系緊密的安全工程專業，很有必要開設機械工程材料課程并針對專業特點對這門課程進行教學改革。本文從激發學習興趣和加強應用能力等方面對面向安全工程專業本科生的機械工程材料課程進行了教學探討，未來將結合教學實踐和課堂反饋對課程教學內容、教學方法以及考核方式進行系統深入的思考和改革，以期全面提高教學和人才培養質量。