能源與動力工程類專業工程材料教學研究與實踐

[摘 要] 在新工程教育的背景下，創新工程教育的內容以及方式與手段都將是培養具有競爭力的新型復合型工程科技人才的重要內容。該論文基于面向能源與動力工程類專業的工程材料教學研究與實踐，提出了構建能源與動力機械、材料和系統科學的跨學科“學科串”的學習方式、以“可持續材料與能源體系”為中心的教學思想、強化學生解決能源與動力系統未知與復雜問題的思維，將提高該課程的教學效果。

[關鍵詞] 能源與動力類專業;工程材料;工程教育;教學評價

[作者簡介] 王美玲（1986—），女，內蒙古赤峰人，哲學博士，南京師范大學能源與機械工程學院副教授，主要從事機械與生物材料摩擦與磨損研究。

[中圖分類號] G642? ?[文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）06-0081-04? ?[收稿日期] 2020-08-06

科技革命不斷在推進，全球的競爭日趨表現為科技的競爭。2017年8月，麻省理工學院啟動了“新工程教育轉型”（New Engineering Education Transformation，簡稱NEET）計劃[1]，旨在重構麻省理工學院的工程教育學，從根本上對工程教育進行一次系統性反思和變革。其中，學生的學習方式及學習內容成為該次變革的重點。該次新工程教育轉型將為培養引領未來產業界和社會發展的領導型工程人才。

我國在“中國制造2025”等重大項目的實施下，自2017年2月以來，教育部積極推進新工科建設[2]，引導高校從產業需求的角度進行學科建設以此創新工科專業新結構、融合創新工程教育方式與手段、探索新工科自主發展新模式，旨在為我國未來產業界培養具備國際競爭力的創新型卓越工程科技人才。創新工程教育的內容以及方式與手段都將是培養具有競爭力的新型復合型工程科技人才的重要內容。

眾所周知，能源與動力工程類專業主要致力于傳統能源的利用、新能源的開發與如何更高效地利用能源，也包括內燃機、鍋爐、航空發動機、制冷及相關測試技術。傳統的培養模式主要通過動力工程及工程熱物理相關基礎理論訓練，培養能夠開展動力機械與熱工設備設計、運行、實驗研究的動力工程師。然而，隨著未來新機器的不斷涌現以及新工程體系的建立，未來的工業體系將由物聯網、自動化體系、機器人體系、智慧城市、可持續材料與能源體系、生化診療、大數據將組成[3]。在“新工科”背景下，相應的工程教育應面向工業體系的未來實際需求。因此，相關課程教學設計也應針對未來新工業體系做出相應調整。

“工程材料”是高等學校機械類專業及近機械類專業必修課之一。學習內容主要包括機械工程材料性能、金屬學、熱處理、常用機械工程材料四方面。該課程要求學生不僅要在有關課程學習的基礎上注意系統的理論學習，還要結合專業要求，理論聯系生產實際，重視實驗環節，遵循實踐—理論—再實踐的認識規律來學習，以培養分析、解決問題的能力。在新工程體系的背景下，該課程的開展要在學習內容與方式上與時俱進，為新機器時代的工科教育打好基礎。

一、傳統機械工程材料的教學

在學習內容方面，“工程材料”課程以金屬材料“成分—性能—組織”為主線促進學生理解材料化學成分、組織與性能之間的關聯，掌握結晶、塑性變形、熱處理與合金化的基本原理，能夠合理選擇材料、正確設計熱處理方案等基本技能。金屬材料的介紹、鋼的熱處理以及如何正確選用材料構成該課程基礎的重點內容。著重以材料“成分-結構-工藝-性能-應用”為主線強調金屬材料工程應用的重要性。該課程將理論教學與實驗相結合，促進學生理解基本理論知識與實際材料性能之間的內在聯系，培養學生實踐的能力與獨立解決問題的能力，為后續相關的學習與工作做好準備。

然而，該課程的教學現狀卻存在一些問題諸如教學內容之間的邏輯關系不明顯、知識點之間的系統性差，導致教學效率不高[4]。教材主要集中于基本概念、基本理論、基本方法，對一些前沿的新突破、新工藝的更新相對不及時。另外，由于該課程是一門專業基礎技術課，對于能源與動力工程類專業的針對性不強。因此，需要提出該課程與能源與動力工程類專業有關聯的教學科研問題以提高學生的興趣和教學效率。

一般地，“工程材料”課程實驗教學內容主要包括金屬硬度試驗、平衡狀態下碳鋼顯微結構的觀察分析以及碳鋼的熱處理。這三個試驗的目的是加深理解該課程理論主要內容，并提高學生的實踐能力。首先，硬度是材料的重要機械性能之一，與其他機械性能有相互對應關系。相對于工程材料的其他性能，硬度測試可操性強。因此，硬度試驗成了判斷金屬材料或零件質量的重要手段。學生需要根據布氏或者洛氏硬度測試原理，掌握布氏或者洛氏硬度機的原理以及操作規程。在我校的教學實踐中，洛氏硬度測試采用HR-150A型機械式硬度機，而布氏測量采用HB-3000型電子布氏硬度機。布氏或者洛氏硬度測量根據《金屬布氏硬度試驗方法》-GB/T 231.1-2009以及《金屬洛氏硬度試驗方法》-GB-T 230.1-2018規定。實驗要求每名學生都要進行布氏或者洛氏硬度測定。其次，觀察分析平衡狀態下碳鋼顯微結構是重要的實驗內容。通過認識碳鋼在平衡狀態下的顯微組織，驗證鐵碳合金微組織與Fe-Fe3C相圖的關系。學生除了要了解金屬材料顯微組織試驗的制備方法之外，還要熟練掌握顯微鏡操作，以獨立進行顯微組織觀察。要求學生會用鐵碳合金的組織面積估算亞共析鋼的含碳量。能夠繪制Fe-Fe3C狀態圖，將含碳量為0.2%、0.4%、0.77%和1.2%的碳鋼在狀態圖上標出，并能夠對應其在平衡狀態下的顯微組織。最后，該課程通過碳鋼的熱處理這一實驗使學生熟悉碳鋼淬火、正火、回火的常規操作，加深理解Fe-Fe3C相圖和冷卻“C”曲線在熱處理的應用。該實驗采用45#鋼和T12鋼，使之進行完全處理或不完全處理，冷卻方式為水冷、油冷、氣冷。分析不同熱處理工藝以及碳鋼的化學成分對硬度的影響。在該課程的實驗教學組織上，這三個試驗內容相互關聯、相輔相成，貫穿了該課程的重要內容。

在教學方法上，啟發式[5]、案例式[6，7]等教學方法已經用于“工程材料”的教學過程并收到了良好的效果。近年來，雨課堂[8]、藍墨云[9]、慕課[ 10 ]等豐富了教學手段，調動了學生學習和探索積極性，促進了學生對重點知識的掌握程度。在2020年春新冠病毒疫情期間，雨課堂、騰訊課堂等網絡教學工具成為春季學期主要的教學載體，我校該課程的理論教學工作得以正常實施。

二、面向未來新機器與新工程體系的機械工程材料教學

未來的工業體系將融合信息、生物、材料等不同領域的優勢，將展現出高度的整合性、復雜性、連通性、自主化以及可持續發展等特色[3]。為了銜接面向未來的新機器與新工程體系，應亟須改進“工程材料”課程現有的學習方式和學習內容。基于此，該論文提出以下三點設想：

（一）構建能源與動力機械、材料和系統科學的跨學科“學科串”的學習方式

針對能源動力類專業的學生，在學習機械工程材料過程中，教師引導學生提出以項目為中心，以解決能源領域科研或者工程問題，以“學科串”的形式，要求學生組成一個圍繞共同項目的團隊。學生通過團隊合作以及分工，查閱資料調研，對比分析確定研究/實施方案。實踐不斷完善，力求解決問題。不同學科交叉的科研/工程問題，將促使學生從不同角度調研、思考產生問題的根本原因，從而找出問題的解決方案。除此之外，學生需根據不同角度分析得到的方案，并進一步整合不同信息。這樣“學科串”的學習方式將促進學生提高能源與動力機械、材料和系統科學跨學科的理解深度和解決問題的能力。

選取該課程中比較常見的工程問題為起點，教師可引導學生以“學科串”的方式逐步分析解決問題。以確定內燃機的主要零件-曲軸的選材與工藝路線為例。氣缸中的氣體壓力作用在活塞上，將連桿的往復運動轉變為旋轉運動。由于曲軸主要承受沖擊和扭轉，曲軸的主要是失效形式是軸頸磨損和疲勞斷裂。因此曲軸的選材與熱處理工藝要針對以上兩種主要的失效形式。教師可根據曲軸的具體應用場合將學生分組。因為常見的工程問題，教師需要引導學生處理好參考設計資料與創新的關系。學生根據曲軸的應用場合選擇，分析其受力特點和主要的失效形式，查閱資料，選擇合適的材料以滿足具體的應用要求。例如，球墨鑄鐵，經正火后因為具有較高的強度和屈強比、扭轉疲勞強度和較好的減振性，是常用的制造曲軸的材料。通過鑄造的方法獲得球墨鑄鐵，依次進行正火和高溫回火，最后進行機械加工的工藝。學生通過某個具體的工程問題，在團隊中分工合作，提高利用已有資料解決實際問題的能力，逐步建立自信。

（二）構建以“可持續材料與能源體系”為中心的教學思想

未來的工業體系將融合機械、信息、分子、生物、能源，對傳統能源體系提出了更高的要求。基于此，可持續發展的能源體系將關注節約能源、清潔生產、提高能源利用效率及開發新能源與再生能源、改善生態環境和持續農業與林業生產等方面[ 11 ]。建立未來的新機器及新工程體系，都直接或間接地與材料相關。因此，相關工程材料教學工作也需有效地建立可持續材料與能源與課堂教學的銜接，向學生強調先進材料與先進生產工藝流程是節約資源與減少環境污染的重要途徑。

“工程材料”課程以鐵碳合金以及熱處理為重點，介紹了常用的碳鋼、鑄鐵、合金鋼、有色金屬及其合金的成分、組織、性能和用途;工程塑料、橡膠、陶瓷、復合材料等常用非金屬材料的分類、性能和用途。通過對工程材料及其熱處理過程的理解，合理選擇材料以節省資源，提高能源利用率。在該課程的授課過程中，教師不但強調以上基礎知識的重要性，還應以“可持續材料與能源體系”為中心的教學思想，構建教材的主要知識點與可持續能源體系的關聯，搭建課堂教學與工業界、產業界的橋梁。

在課堂教學中，教師需以“可持續材料與能源體系”為中心思想引導學生學習常用工程材料的知識，也可引導學生接觸一些科研熱點以擴展學生的眼界、培養學生的創造力。以研發具有某種特殊功能生物材料為例。杜仲是我國特有的經濟樹種，可提取杜仲橡膠作為國家戰略資源。基于生物質精煉的杜仲全組分高效提取分離及其解離機制是目前的科研熱點問題[ 12 ]。在該例中，教師可引導學生從學術調研入手，搜索關于針對杜仲不同器官的次級代謝產物積累規律，關注最新杜仲資源高效清潔提取利用的方法以及解離機制的探討。要求學生以口頭報告或者科研調研報告的形式，匯報調研結果，鍛煉學生的表達能力。通過關注最新科研資訊，可使學生了解最新的可持續材料與能源體系，還可激發學生的想象力和創造力，同時有助于培養學生解決問題的思維。

（三）強化學生解決能源與動力系統未知與復雜問題的思維

新工程教育的培養目標是使學生能夠運用恰當的思維思考解決工程實踐中面臨的各種未知與復雜問題。在完成工程材料課程的主要章節過程，需要加強學生解決實際工程問題的能力。可通過工程實例來鍛煉學生的工程思維。拖拉機變速箱的設計，時常用來鍛煉學生的實際工程問題。例如某工程實際要求受力較大，同時受一定沖擊的拖拉機變速箱，齒輪硬度55～60HRC。要求通過選擇合適的材料、確定工藝路線及熱處理工藝，加強學生解決問題的能力。拖拉機變速箱的設計涉及材料力學、工程材料以及機械設計等基本原理。為了更好地提高學生解決工程問題的能力，學生需要從實際情況出發，基于前人的基礎和成果，善于掌握和使用各種設計資料，具體分析和創造性地進行設計，逐漸提高學生解決復雜工程問題的能力。學生首先通過對拖拉機的工作條件，分析齒輪變速箱的主要受力及失效形式，進而選擇合適的材料和熱處理工藝。

在未來的工業體系要求學生不但能夠解決實際工程問題，也要求學生具有良好的人本思維。良好的人本思維需以學生為中心。教師在教學實踐中，樹立學生是自身學習過程的主人翁的理念，逐步加強學生對自身教育的責任感，激發學生學習的主動性。教師通過預設工程情景，激發學生創造性、充分發揮學生對該課程的興趣及學習潛能、引導學生在工程教育中獲得自我價值實現，在工程問題的解決中逐步積累自信，成為具有競爭力的新型復合型工程科技人才。

三、結語

面向能源與動力工程類專業的“工程材料”教學研究與實踐，該論文結合未來新機器與新工程體系，提出了“工程材料”課程的創新型教學模式，以能源與動力機械、材料和系統科學的跨學科“學科串”為中心，構建可持續材料與能源體系，強化學生解決能源與動力系統未知與復雜問題的思維，將有效地提高該課程的教學效果。

參考文獻

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[12]朱銘強.基于生物質精煉的杜仲全組分結構解析及其解離機制研究[D].西北農林科技大學，2016.

Abstract： Under the background of "emerging engineering education"， the teaching content， methods and means of innovation engineering education will be the important content in cultivating competitive and compound engineering science and technology talents. Based on the teaching research and practice of Engineering Materials course in energy and power engineering majors， this paper puts forward some proposals， such as constructing interdisciplinary learning method of "threading together different disciplines"， which combines energy and power machinery， materials and systems science， centering on "sustainable materials and energy system"， focusing on strengthening students' thinking ability in solving unknown and complex problems of energy and power systems， so as to improve the teaching effect of the course.

Key words： energy and power engineering majors; Engineering Materials; engineering education; teaching evaluation