材料工程與安全教學(xué)實(shí)踐反思

郭 帥 趙性川* 王長征

（聊城大學(xué) 山東·聊城 252000）

0 引言

能源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基石，是我國實(shí)現(xiàn)偉大復(fù)興的重要動力，也是未來科學(xué)發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域和面臨的重大挑戰(zhàn)之一。最近，“碳達(dá)峰-碳中和”已經(jīng)被列為國家戰(zhàn)略，如何能夠在2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年實(shí)現(xiàn)碳中和是我國目前工作的重中之重[1，2]。材料是人類生存與發(fā)展的基本物質(zhì)，其中又以金屬材料的應(yīng)用范圍最廣。雖然我國近幾十年在金屬材料領(lǐng)域已經(jīng)有了長足的發(fā)展，但是在生產(chǎn)或制備金屬材料及金屬零部件時，仍然存在能源利用率不高，產(chǎn)生大量的污染物等問題[3]。因此，引導(dǎo)學(xué)生熟悉理解傳統(tǒng)工藝在環(huán)境保護(hù)方面的缺點(diǎn)以及治理方式，并向?qū)W生介紹當(dāng)前最先進(jìn)的綠色生產(chǎn)工藝是非常必要的。在這種背景下，聊城大學(xué)金屬材料工程系開設(shè)了材料工程與安全這門課。

1 材料工程與安全授課方式探索

1.1 課程導(dǎo)入

不同于專業(yè)性很強(qiáng)的課程，比如材料測試研究方法，僅通過材料工程與安全的課程名稱很難了解這門課的授課內(nèi)容。因此有效的課程介紹，不僅可以幫助學(xué)生盡快了解課程內(nèi)容，還有助于提高授課效率。因?yàn)檫@門課主要面向金屬材料工程專業(yè)的學(xué)生授課，所以材料工程更多的是指金屬材料工程，而安全則是指環(huán)境安全以及環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。因此材料工程與安全這門課講授的是金屬材料工程領(lǐng)域在快速發(fā)展的同時，如何能夠保證環(huán)境的安全以及可持續(xù)發(fā)展。

1.2 課程內(nèi)容安排

作為一門專業(yè)選修課，該課程并沒有安排固定課本。那么，在授課過程中，對內(nèi)容的合理安排是十分有必要的。金屬類制品在廢棄甚至投放市場之前，需要經(jīng)過非常多的工序，包括采礦、選礦、冶煉、加工及制備等[4，5]。因此可以按照上述工序，依次介紹各生產(chǎn)工序可能產(chǎn)生污染物的種類以及特征，并給出合理的治理方案。另外，在課程的最后一部分，可以向?qū)W生介紹目前國內(nèi)外前沿的合金成分設(shè)計(jì)方法，先進(jìn)的采選礦技術(shù)以及成形方法等綠色生產(chǎn)工藝，這在一定程度上可以幫助學(xué)生選擇未來的研究方向或者就業(yè)方向。

除了授課部分外，為了加深學(xué)生對課程內(nèi)容的理解以及鍛煉學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，可以將學(xué)生進(jìn)行分組，并以先進(jìn)材料及技術(shù)為主題，討論目前國內(nèi)外的新型合金以及先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)，并讓學(xué)生制作出相應(yīng)的PPT在課堂上進(jìn)行講解。

1.3 案例式教學(xué)

材料工程與安全這門課的教學(xué)目標(biāo)是指導(dǎo)學(xué)生了解在采礦、選礦、冶煉、加工制備及材料廢棄過程中對環(huán)境及資源可能產(chǎn)生的負(fù)面影響，掌握對高污染、高消耗等傳統(tǒng)技術(shù)的改進(jìn)方案以及對廢氣、廢水、廢渣等污染物的治理方案，理解實(shí)現(xiàn)金屬材料清潔生產(chǎn)的基本原則和方法。由于該課程涉及到的理論內(nèi)容較少，實(shí)際操作內(nèi)容較多，因此更適合采用案例式教學(xué)。

我國力求在2030年達(dá)到碳達(dá)峰，2060年實(shí)現(xiàn)碳中和。那么，在這種背景下，金屬材料領(lǐng)域可以為碳達(dá)峰和碳中和的實(shí)現(xiàn)做出哪些工作呢？零部件從開始使用到廢棄的時間長短是影響資源利用率和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的一個重要因素。如果零部件的有效使用壽命可以明顯延長，那么意味著能源和原料的利用率也將大大提高[6]。例如，對于轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)件來說，如果比剛度、比強(qiáng)度、耐疲勞度、耐高溫、抗腐蝕等性能可以明顯提高，那么轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)件的使用壽命也會大大提高，進(jìn)而可以提高發(fā)電裝置的效率。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，未來可以大力開發(fā)綜合性能更加優(yōu)異的新型材料，例如高溫合金、耐熱鋼、高熵合金等。

另外，傳統(tǒng)的合金成分設(shè)計(jì)方法往往以實(shí)驗(yàn)和理論相結(jié)合為主，采用試錯的方式進(jìn)行成分篩選，這種方法效率低，且容易造成材料浪費(fèi)。二十世紀(jì)中葉，世界上第一臺計(jì)算機(jī)在美國賓夕法尼亞大學(xué)誕生。隨后，以計(jì)算機(jī)作為工具的各類材料科學(xué)模擬方法也開始快速發(fā)展。因此，未來在新材料研發(fā)方面，可以借助高性能計(jì)算機(jī)，利用宏微觀模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)對新型材料的設(shè)計(jì)以及性能預(yù)測，這些技術(shù)的綜合應(yīng)用既可以節(jié)約資源，又高效可控[7]。

1.4 課程思政在課堂上的應(yīng)用

課堂思政是指在授課過程中，將思想政治知識，正確的價(jià)值理念及精神追求融入到課堂中去，潛移默化的引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的人生觀、價(jià)值觀和世界觀。當(dāng)前的中國正處于百年未有之大變局，也正處于實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的關(guān)鍵時期。在這個關(guān)鍵時刻，確保我們國家的學(xué)生不被境外敵對勢力灌輸錯誤的理念和信息是我們作為教師的重要責(zé)任。

當(dāng)前我國正處于實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的關(guān)鍵時刻，雖然我們已經(jīng)在中低端產(chǎn)業(yè)牢牢站住了腳，但這并不足以支撐我們重新站上世界民族之巔，這部分產(chǎn)業(yè)的利潤并也不足以讓中國人民過上發(fā)達(dá)國家的生活。因此，未來我國勢必會大力發(fā)展高端產(chǎn)業(yè)，而新型金屬材料的設(shè)計(jì)、研發(fā)與制造正是高端制造業(yè)的重要組成部分[8，9]。目前我國使用的許多性能優(yōu)異的合金都是由國外設(shè)計(jì)研發(fā)的，例如，Ti-6Al-4V等[10]。未來，隨著我國國力的逐漸強(qiáng)盛，研發(fā)投入也會逐漸加大，我們國家也將會設(shè)計(jì)出越來越多性能優(yōu)異，并被世界其它國家廣泛應(yīng)用的新型合金。因此，有效的課堂思政不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的愛國情懷，還可以幫助學(xué)生在自己的專業(yè)領(lǐng)域?yàn)樽约涸O(shè)置奮斗目標(biāo)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)動力。

1.5 教學(xué)過程反思

第一，在進(jìn)行案例講解時，與學(xué)生的互動度不夠，后續(xù)有待加強(qiáng)，例如，在講到冶煉過程會產(chǎn)生三廢時，可以讓同學(xué)們分享自己家鄉(xiāng)周邊可能存在的工業(yè)污染現(xiàn)象，并讓他們以工程師的角度設(shè)計(jì)工藝改進(jìn)方案或者三廢治理方案；第二，在科普目前最前沿的制備工藝或者新型材料時，應(yīng)該與學(xué)生的專業(yè)課相結(jié)合，將工藝原理以及新型材料設(shè)計(jì)方法講清楚，這樣可以幫助學(xué)生加深對自己專業(yè)課內(nèi)容的理解；第三，雖然授課過程中給出了大量的數(shù)據(jù)和原理圖幫助學(xué)生理解污染的具體狀況以及工藝技術(shù)，但仍然不夠直觀，因此后續(xù)可以加入視頻幫助學(xué)生理解。第四，授課過程中沒有注重與學(xué)生之間的溝通交流，在課堂上不應(yīng)該采取滿堂灌的方式進(jìn)行授課，每節(jié)課應(yīng)該留出少部分時間與同學(xué)們交流，讓同學(xué)們分享本節(jié)課的學(xué)習(xí)心得和體會。

2 結(jié)語

通過簡單的課程導(dǎo)入和邏輯性的課程內(nèi)容安排，可以幫助學(xué)生快速了解課程的基本內(nèi)容，加強(qiáng)對課程內(nèi)容的理解；案例式教學(xué)是提高材料工程與安全授課效率的有效方式，在課堂上給出相關(guān)案例，通過分組的方式讓同學(xué)們討論并給出小組的綜合看法，有助于活躍課堂氣氛，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性；將授課內(nèi)容與思政教育有機(jī)結(jié)合，可以在幫助學(xué)生開闊視野的同時，培養(yǎng)學(xué)生的愛國情懷，引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的價(jià)值觀、人生觀和世界觀。