丁金福 王琳琳 章建輝

（[1]浙江師范大學工學院 浙江·金華 321004；[2]浙江萬里揚股份有限公司 浙江·金華 321000）

工程材料及成型技術基礎課程是高等院校機械類專業(yè)必修的基礎課程，涵蓋了金屬學、熱處理工藝、金屬材料、非金屬材料及材料成型技術等多方面專業(yè)知識。課程涉及面廣，概念多，理論抽象，學習枯燥乏味，難以激發(fā)學生的學習興趣。但該課程對學生以后專業(yè)知識的學習和運用起到十分重要作用，通常開設在大學的第三學期，由于沒有接觸過任何機械方面的專業(yè)知識，學生在學習過程中對知識的掌握有一定難度。[1]因此，教學回歸實踐，實踐為理論提供感性認識，如何改進該課程的教學質量，培養(yǎng)學生的學習興趣，一直是講授工程材料課程的教師們普遍關心的問題。[1-3]

工程材料及成型技術基礎課程教學學時少，內(nèi)容多，為完成教學任務采用“填鴨式教學”較為普遍，教學過程中與工程實際應用聯(lián)系少，課程體系缺乏系統(tǒng)性、連貫性及延續(xù)性等方面的引導，教學效果不理想。[4]具體表現(xiàn)為許多學生到大三、大四時課程設計或畢業(yè)設計中不會選用材料，不能確定零件強度、硬度及熱處理等方面的技術要求，都需要后續(xù)的老師再指導?！敖逃貧w工程，教學回歸實踐”成為當代高等工程教育改革的主流趨勢，任何教育改革的實施都離不開課程，課程是基礎，是教育目標的主要載體。[5-6]工程教育實施過程從課程改革入手，工程材料及成型技術基礎的課程教學需構建課程的知識體系，并注重學生的工程意識、工程思維和工程應用等方面的培養(yǎng)，以提高學生的綜合素質和應用能力。

1 構建“鐵碳合金”相圖為核心的知識框架體系

工程材料及成型技術基礎課程章節(jié)多，按章節(jié)介紹材料的性能、成分、組織、熱處理工藝及材料成型方法（鑄、鍛和焊）等方面的內(nèi)容。這些內(nèi)容相對獨立，如能使這些知識點串聯(lián)起來有助于提高學生對該課程的興趣及學習的效果。而鐵碳合金相圖則是課程體系相系的紐帶。

鐵碳合金相圖是金屬學與熱處理的分解圖，基本覆蓋了金屬學與熱處理知識的全部內(nèi)容，[7]描述了鐵碳合金成分、溫度和內(nèi)部組織結構三者之間的關系，為材料的選擇、熱處理工藝、材料成型等提供了必要的理論基礎。[8]也體現(xiàn)出鐵碳相圖在工程材料及成型技術基礎課程中的極其重要地位和作用，見圖1 所示。首先，通過建立鐵碳相圖能夠把金屬學與熱處理兩大部分有機地銜接起來，具有承上啟下的作用；其次，鐵碳相圖也是碳鋼、鑄鐵的分區(qū)圖，碳鋼、合金鋼、鑄鐵、有色金屬及合金構成了金屬材料應用體系；再次，由金屬材料的特性引出了材料成型的方法，鐵碳相圖也是鑄造、鍛壓與焊接等毛坯成型方法的重要理論依據(jù)。

圖1 鐵碳相圖與工程材料及成型技術的構建圖

從鐵碳相圖的結晶過程相變組織的變化，再在碳鋼中添加所需的合金元素，鋼在不同介質冷卻環(huán)境下，賦予了工業(yè)用鋼（碳鋼、合金鋼）的優(yōu)良物理與化學性能，滿足了工業(yè)生產(chǎn)的需要，且鋼鐵均有各自的特點：鋼為塑性材料，鐵為脆性材料。鐵適合于鑄造，而工業(yè)用鋼較適合于鍛壓加工及焊接等方法，“趁熱打鐵”“恨鐵不成鋼”等成語，從課程內(nèi)容的角度也就不難理解了。

鐵碳相圖與工程材料及成型技術的分解圖主要作用還在于可使學生的思維能從每章節(jié)具體的細節(jié)之中解脫出來，建立起材料的組織、成分、加工方法與性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，有利于對所學內(nèi)容進行歸納總結并反向細化，對課程有全局觀念與認識。

2 運用引導法教學，激發(fā)學生的學習熱情

工程材料及成型技術基礎課程學習涉及工程概念較多，看似枯燥乏味，如老師進行針對性的引導學習效果將會大為改善。第一堂課的緒論也是十分關鍵，重在學生的工程意識與思維的引導與培養(yǎng)，通過介紹工程材料方面歷史的奇異發(fā)現(xiàn)，以激發(fā)學生的學生熱情。如：秦始皇兵馬俑二號坑出土的青銅劍，這柄古劍在地下埋藏了兩千多年還沒有生銹，意外地發(fā)現(xiàn)竟然運用了現(xiàn)代的“鉻鹽氧化處理工藝”，更令人難以致信的青銅劍被陶俑壓彎超過45°，當陶俑移去后依然能夠反彈平直、自然還原；再譬如，不銹鋼材料也是在不經(jīng)意中發(fā)現(xiàn)的，英國科學原本為研制耐磨的合金鋼，結果意外地發(fā)現(xiàn)了不銹鋼，這種含鉻為13%的合金鋼，具有不生銹的特性。通過這些奇趣故事，使課程學習生動化，引導學生對課程產(chǎn)生濃厚的興趣，從而激發(fā)學生的學習熱情與態(tài)度。

課程的理論也應盡可能聯(lián)系實際，與日常生活事例相系。如：鋁合金、不銹鋼及工程塑料等制品，早已應用于我們的日常生活，它們的最大特點：環(huán)保，衛(wèi)生，不易生銹，性價比高。這些都是屬于工程材料的范疇，只是我們平時缺少工程的思維與意識。如果有了這樣的工程理念，再從材料的成分、組織結構與性能，對課程學習起來就會顯得不難理解了?？傊瑢⒐こ滩牧霞俺尚图夹g基礎課程的抽象概念與理論形象化、簡單化、生動化，使學生容易理解和接受的新知識。

3 串聯(lián)金工實踐知識，培養(yǎng)學生的工程意識

通常在開設工程材料及成型技術基礎課程之前已進行了金工實習，學生對機械加工及材料成型方法有了一定的感性認識，但由于金工實習中只注重技能訓練，主要在于金工實習以工程感性認識為基礎，以動手能力培養(yǎng)為先導，主要訓練學生的基本機械加工操作技能，缺乏理論與實踐的結合。[9-10]因此，在教學中發(fā)現(xiàn)對該課程學習幫助不明顯。事實上學生在金工實習過程中涉及許多工程材料的問題，如工件、刀具、量具以及模具等的材料，在實習過程中實踐指導老師很少介紹材料方面的知識，而這些內(nèi)容卻是課程中需掌握的知識，見圖2 所示。列舉了金工實習過程中加工零件、刀具、量具及模具等材料。

金工實習與工程材料及成型技術課程教學體系的脫節(jié)，造成了金工實習的感性認識未能轉化為工程意識與思維方法，如果在金工實習過程中對工件、刀具、量具、模具等材料有過相應的了解，這無疑對工程材料及成型技術基礎課程有很大的幫助，也有利于課程間知識的銜接與串接，當然在理論教學過程中對金工實習的相應知識進行歸納及總結，也將有利于理論課的知識體系與機械制造實習知識體系的有效融合，有利于抽象的概念直觀化，也加深對工程知識的應用和理解。

表1 商用車變速器零部件的材料、組織、成型方法及熱處理方法

圖2 金工實習涉及主要材料

4 運用工程案例教學串聯(lián)課程的知識要點

工程材料及成型技術課程的理論教學通常增設基本的實驗課（硬度試驗、金相試樣準備、金相平衡組織觀察等），對培養(yǎng)學生工程意識、動手能力和實踐能力有一定的幫助，但真正將各章節(jié)的知識串聯(lián)起來，尚須工程案例教學。以商用變速器總成為例，對各種零件的材料、技術要求及成型方法進行剖析，表1 列舉了商用汽車變速器各零件材料、成型方法、組織及性能的要求。對于汽車變速器各零件材料的選擇與性能要求的依據(jù)，需依托汽車工程背景，如貨運汽車經(jīng)常滿負荷甚至超負荷運轉，必須承受沖擊載荷，且具有抗疲勞強度的性能。因此，貨運的商用變速器需要適應各種路況，載貨量時有變化，變速器除了滿足靜強度要求外，還必須滿足疲勞強度的要求，變速器的齒輪需具備 “表硬里韌” 性能要求，選擇20CrMnTi 材料，經(jīng)過滲碳+淬火+低溫回火的熱處理方法才能達到這樣的強度及硬度要求。在毛坯成型方面，箱體類外露零件多數(shù)采用鑄件，內(nèi)部結構零件，如齒輪及軸類零件以鍛件為主。

運用案例教學法開展工程背景的典型事例分析，將選擇的工程材料的成分、組織、加工方法及性能四者關系有效聯(lián)系起來，有助于培養(yǎng)和發(fā)展學生主動參與課堂討論，學會舉一反三，也有助于培養(yǎng)學生的工程應用及分析問題的能力，這種整體結構的案例分析有利于提高學的工程分析與應用能力。

5 結論

總之，工程材料及成型技術基礎課程，以鐵碳合金相圖為核心的知識框架體系，能有效將該課程的知識進行串聯(lián)與融洽，有益于學生對課程內(nèi)容理解、消化與吸收，通過引導法教學以激發(fā)學生的學習熱情，與金工學習知識與融合，有助于材料概念的直觀化，也有利于培養(yǎng)學生的工程思維與意識，運用案例法教學，能使學生將課程中講授的材料的成分、組織、加工方法及性能幾方面的面知識有效的結合起來，有助于提高學生的綜合工程素質、綜合分析和解決實際問題的能力，從而實現(xiàn)提高學生創(chuàng)新能力和工程實踐能力的培養(yǎng)目標。