《金屬材料學》創新性教學探討

安士忠 馬景靈 文九巴

摘 ?要：《金屬材料學》是材料類及機械類專業的基礎主干課程，教學效果對學生專業能力的培養意義重大。然而，現代科學的快速發展要求在課程教學中提高學生的創新能力。本文結合河南科技大學《金屬材料學》教學的實踐，提出將最新的科學研究成果引入到課堂教學和實踐教學中的思路，在學生熟練掌握金屬材料科學基本原理的基礎上，重點培養學生創新性地思考、分析和解決問題的能力。

關鍵詞：金屬材料學 ?課堂教學 ?實踐教學 ?創新能力培養

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2021）04（b）-0215-03

Discussion on Innovative Teaching of "Metal Materials Science"

AN Shizhong 1，2，3 ?MA Jingling 1，2 ?WEN Jiuba 1，2

（1.School of Materials Science and Engineering， Henan University of Science and Technology， Luoyang， Henan Province， 471023 ?China; 2. Collaborative Innovation Center of Nonferrous Metals， Henan Province， Luoyang， Henan Province， 471023 ?China; 3.Henan Key Laboratory of Nonferrous Materials

Science and Processing Technology， Luoyang， Henan Province， 471023 ?China）

Abstract： "Metal Materials Science" is the fundamental course for majors of materials and machinery， and the teaching effect is of great significance to the cultivation of students' professional ability. However， the rapid development of modern science requires the improvement of students' innovative ability through course teaching. Based on the teaching practice of "Metal Materials Science" in Henan University of Science and Technology， we propose the idea of introducing the latest scientific research results into classroom teaching and practical teaching. On the basis of students proficiently mastering the basic principles of metallic materials science， it focuses on cultivating students' ability to think， analyze， and solve problems creatively.

Key Words： Meta Materials Science; Classroom teaching; Practice teaching; Cultivation of innovation ability

金屬材料是純金屬（鐵、鋁、銅、錫、鎳、金、銀、鉛、鋅等）及其合金，具有優異的力學性能及功能特性，在現代工業、農業以及服務業中均扮演重要的角色，在國民經濟發展中的地位舉足輕重[1]。金屬材料學是金屬材料領域的基礎科學，是材料類及機械類專業的基礎主干課程，其教學效果對于學生專業能力和素質的培養意義重大。然而，現代科學的快速發展對《金屬材料學》的課堂教學提出了新的要求，學生除了要掌握基本原理之外，還需要具有進行創新性研究和應用的能力。為適應新時期對《金屬材料學》教學的要求，本文提出了將最新的科學研究成果引入到課堂教學的思路，從最新的科學研究進展同教學內容、課堂教學、實踐教學和課程考核4個方面有機結合的角度進行探討。

1 ?教學內容：選擇與教學大綱匹配的素材

首先，要選擇與教學大綱匹配的素材。科學研究成果更新速度快，如何選擇適合進行《金屬材料學》教學的素材，建立選擇的標準和體系是第一步。具體結合金屬材料領域在《Nature》和《Science》等世界著名期刊上發表的最新成果，和金屬材料學中的基本原理及知識點相對應。在講述課程大綱要求的相應內容時，將這些最新的科研成果穿插進去，形成無縫銜接。例如，在講述特種鋼這一知識點時，可以結合2017年在《Nature》雜志上發表的論文《Ultrastrong steel via minimal lattice misfit and high-density nanoprecipitation》（《小的晶格錯配和高密度納米沉淀強化的超強鋼》）[2]。該論文報道了一類由Ni（Al，Fe）沉淀相強化的鋼，該鋼的強度高達2.2GPa，延伸率為8.2%。該項研究和金屬材料強化的基本原理之一沉淀強化密切相關，同時兩相的晶體結構存在很小的晶格錯配度。這篇論文可以作為一個鋼強化的重要素材。另外，2020年在《Nature》雜志上發表的論文《High-strength Damascus steel by additive manufacturing》（《采用增材制造的方法制備高強度大馬士革鋼》）[3]。該論文采用了增材制造方法制備高強度鋼，可以作為新型鋼鐵材料的一個素材。同時，還利用了循環加熱的方法來控制納米沉淀相和馬氏體相變，可以作為金屬材料的相變及其控制的典型素材來選入。所選素材可以隨著新的科學研究進展而更新，有利于更好地培養學生的創新能力。

2 ?課堂教學：開展基本原理專題應用模塊

課堂教學是培養學生創新能力的主陣地?！督饘俨牧蠈W》所講授的重點是合金化原理等基礎理論，學生在學習的時候會感覺比較抽象，存在不好理解以及不清楚如何應用的情況。鑒于基礎理論在解決具體科學和技術問題上起指導作用，我們提出了在《金屬材料學》課堂教學中開展基本原理專題應用模塊的培養思路。

在選定好素材以后，由于最新的科學研究成果的綜合性強，要起到培養和提升學生創新能力的作用，開展創新專題講座十分重要，同時要和金屬材料學基本原理進行有效的銜接和結合。具體而言，就是在剛剛講過某基本原理之后，開設相應的專題應用模塊。例如，在講完金屬材料強化的基本原理之后，以《Nature》雜志上發表的論文《Ultrastrong steel via minimal lattice misfit and high-density nanoprecipitation》進行專題應用模塊舉例[2]。從合金成分的設計，到具體工藝和結構調控，再到材料的性能，重點講材料強化的基本原理及其實現方法。具體而言，合金成分設計方面，選擇Fe-18Ni3Al4Mo0.8Nb0.08C0.01B （wt.%），該成分中的Ni和Al為鋼材中形成Ni（Al，Fe）沉淀相提供了成分方面的基礎。而要形成具有良好強化效果的沉淀相，還需要選擇合適的制備工藝，這里首先經過固溶處理（950℃，10min），然后進行時效處理（500℃，3h），最后在鋼材中形成高密度（1024/m3）小尺寸（2.7±0.2nm）的納米沉淀相。由于比較小的晶格錯配度和高密度小尺寸的納米沉淀相，該鋼材獲得了高強度和延展性的組合（2.2GPa， 8.2%）。這里所用到的最主要的強化機理就是沉淀強化，強化相為高密度小尺寸的納米沉淀相。在進行專題應用講座的時候，需要對最新科學研究中的內容進行精簡，根據學生的現有知識水平來進行選擇，避免造成學生過于吃力、聽不懂的情況出現，從而起到培養學生應用基本原理或知識來解決實際問題的能力。

3 ?實踐教學：與前沿科學研究進展相結合

要培養學生的創新能力，課堂教學是一部分，實踐教學也十分重要。要做到將前沿科學研究進展與實踐教學相結合，可以將實踐教學與教師的科研結合起來。讓學生參與到科研實踐中來，在實踐中深入體會金屬材料學的基本知識和原理，提升創新能力。

以筆者本人研究的SmCo永磁材料[4]為例，電弧熔煉鑄錠由晶粒尺寸為微米級的SmCo晶態相組成，經過高能球磨以后變為SmCo非晶相，進一步熱處理，SmCo非晶相晶化為晶粒尺寸在納米級別的SmCo相，通過調整熱處理溫度可以進一步調整其晶粒尺寸和相組成，而且隨著材料相組成的變化，其磁性能也發生變化。通過設計這個實驗，可以全面培養學生對材料的制備工藝、微觀組織結構以及性能之間關系的認識，提高創新性設計和開展科學實驗的能力[5]。

近年來，河南科技大學材料科學與工程學院在有色金屬的研究方面取得了重要進展，可將該部分的研究進展同《金屬材料學》的實踐教學結合起來。以銅合金的研究為例，合金化的方法可以提高銅合金的強度，但是會降低它的導電性。在盡量少地降低導電性的前提下，如何提高銅合金的強度是高強高導銅合金研究的重點。在設計實驗的時候，可選擇Cu-Cr-Zr合金為研究對象，從相圖和成分設計出發，探討Cr、Zr合金元素添加對銅的強度和導電性的作用，分析熱處理、變形和擠壓工藝等對其微觀結構的影響。通過本實驗，可以將學院教師在該方面最新的研究思路、研究方法和研究成果系統地教給學生，培養學生利用《金屬材料學》中合金化基本原理、銅合金相圖等基礎知識進行創新性科學研究的能力。

如今，交叉學科成為進行科學研究創新的重要領域。要在交叉學科領域進行創新性研究工作的關鍵是要有將不同學科和領域的知識進行融合的意識。為了培養學生這方面的創新意識，可以設計相關的實驗。例如，可將電化學和金屬材料學進行結合設計實驗，包括采用電化學測試手段表征金屬材料的腐蝕，采用電化學合成制備金屬納米顆粒，采用電化學原理將金屬材料做成燃料電池—— 金屬空氣電池等。通過設計幾個“電化學學科與金屬材料學科”交叉的實驗，培養學生將不同學科領域進行結合的意識，在學生心中埋下一顆交叉學科創新的種子。

4 ?課程考核：增加創新性應用開放性試題

為了考察創新性教學的效果，增加這方面的課程考核十分必要。在設計試題時，可以增加部分考察學生創新能力的開放性試題。這些試題的內容可以從最新科學研究成果中選擇。例如，從2020年發表在《Nature Materials》上的名為《Mechanism of collective interstitial ordering in Fe–C alloys》（《Fe–C合金中集體間隙有序化機制》）的論文[5]中選取無序的bcc相轉變為有序的bct相的例子，考察相變過程對材料體積以及內應力的影響。雖然論文中許多內容超出了本科生的知識與能力范圍，但是可以從中選取與《金屬材料學》基本原理相關的內容來考察學生運用知識的能力。再例如，選取2020年發表在《Science》上的名為《Ultrahigh-strength and ductile superlattice alloys with nanoscale disordered interfaces》（《具有納米無序界面的超高強高韌超晶格合金》）中納米無序界面的存在，可以獲得高達1.6GPa的超高強度和25%的拉伸延展性[6]。借此，可以考察學生影響合金的強度和塑性的因素。通過這些開放性試題，在給學生留下深刻印象的同時，培養和考察學生的創新能力。

5 ?結語

在《金屬材料學》教學的過程中，為培養學生的創新能力，本文提出了將最新的科學研究成果引入到課堂教學和實踐教學中的思路。在選擇與教學大綱相匹配的素材的基礎上，在課堂教學中開展專題應用模塊，在實踐教學中與前沿科學研究進展相結合，并在課程考核過程中增加創新性應用的開放性試題。以學生能夠熟練掌握《金屬材料學》的基本原理并靈活運用為目的，在教學的各個環節嵌入提高學生創新能力的內容，提升《金屬材料學》創新性教學的質量。

參考文獻

[1]呂哲，周艷文.職業院?！督饘俨牧蠈W》課程教學改革創新與實踐[J].中國培訓，2020（8）：69-70.

[2]Jiang S，Wang H，Wu Y，et al.Ultrastrong steel via minimal lattice misfit and high-density nanoprecipitation[J].Nature，2017，544（7651）：460-464.

[3]Kürnsteiner P， Wilms M B， Weisheit A， et al. High-strength Damascus steel by additive manufacturing[J].Nature，2020，582 （7813）： 515-519.

[4]An S， Li W， Song K，et al.Phase transformation in anisotropic nanocrystalline SmCo5 magnets[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials， 2019， 469： 113-118.

[5]Zhang X， Wang H， Hickel T， et al. Mechanism of collective interstitial ordering in Fe–C alloys[J]. Nature Materials， 2020，

[6]Yang T， Zhao Y L， Li W P， et al. Ultrahigh-strength and ductile superlattice alloys with nanoscale disordered interfaces[J]. Science， 2020，369（6502）：427-432.