能源与动力工程类专业工程材料教学研究与实践

　　[摘要]在新工程教育的背景下，创新工程教育的内容以及方式与手段都将是培养具有竞争力的新型复合型工程科技人才的重要内容。该论文基于面向能源与动力工程类专业的工程材料教学研究与实践，提出了构建能源与动力机械、材料和系统科学的跨学科“学科串”的学习方式、以“可持续材料与能源体系”为中心的教学思想、强化学生解决能源与动力系统未知与复杂问题的思维，将提高该课程的教学效果。

　　[关键词]能源与动力类专业;工程材料;工程教育;教学评价

　　科技革命不断在推进，全球的竞争日趋表现为科技的竞争。2017年8月，麻省理工学院启动了“新工程教育转型”(NewEngineeringEducationTransformation，简称NEET)计划[1]，旨在重构麻省理工学院的工程教育学，从根本上对工程教育进行一次系统性反思和变革。其中，学生的学习方式及学习内容成为该次变革的重点。该次新工程教育转型将为培养引领未来产业界和社会发展的领导型工程人才。

　　能源方向评职知识：新能源电力系统开放课题

　　我国在“中国制造2025”等重大项目的实施下，自2017年2月以来，教育部积极推进新工科建设[2]，引导高校从产业需求的角度进行学科建设以此创新工科专业新结构、融合创新工程教育方式与手段、探索新工科自主发展新模式，旨在为我国未来产业界培养具备国际竞争力的创新型卓越工程科技人才。创新工程教育的内容以及方式与手段都将是培养具有竞争力的新型复合型工程科技人才的重要内容。

　　众所周知，能源与动力工程类专业主要致力于传统能源的利用、新能源的开发与如何更高效地利用能源，也包括内燃机、锅炉、航空发动机、制冷及相关测试技术。传统的培养模式主要通过动力工程及工程热物理相关基础理论训练，培养能够开展动力机械与热工设备设计、运行、实验研究的动力工程师。然而，随着未来新机器的不断涌现以及新工程体系的建立，未来的工业体系将由物联网、自动化体系、机器人体系、智慧城市、可持续材料与能源体系、生化诊疗、大数据将组成[3]。

　　在“新工科”背景下，相应的工程教育应面向工业体系的未来实际需求。因此，相关课程教学设计也应针对未来新工业体系做出相应调整。“工程材料”是高等学校机械类专业及近机械类专业必修课之一。学习内容主要包括机械工程材料性能、金属学、热处理、常用机械工程材料四方面。该课程要求学生不仅要在有关课程学习的基础上注意系统的理论学习，还要结合专业要求，理论联系生产实际，重视实验环节，遵循实践—理论—再实践的认识规律来学习，以培养分析、解决问题的能力。在新工程体系的背景下，该课程的开展要在学习内容与方式上与时俱进，为新机器时代的工科教育打好基础。

　　一、传统机械工程材料的教学

　　在学习内容方面，“工程材料”课程以金属材料“成分—性能—组织”为主线促进学生理解材料化学成分、组织与性能之间的关联，掌握结晶、塑性变形、热处理与合金化的基本原理，能够合理选择材料、正确设计热处理方案等基本技能。金属材料的介绍、钢的热处理以及如何正确选用材料构成该课程基础的重点内容。着重以材料“成分-结构-工艺-性能-应用”为主线强调金属材料工程应用的重要性。该课程将理论教学与实验相结合，促进学生理解基本理论知识与实际材料性能之间的内在联系，培养学生实践的能力与独立解决问题的能力，为后续相关的学习与工作做好准备。然而，该课程的教学现状却存在一些问题诸如教学内容之间的逻辑关系不明显、知识点之间的系统性差，导致教学效率不高[4]。教材主要集中于基本概念、基本理论、基本方法，对一些前沿的新突破、新工艺的更新相对不及时。另外，由于该课程是一门专业基础技术课，对于能源与动力工程类专业的针对性不强。

　　因此，需要提出该课程与能源与动力工程类专业有关联的教学科研问题以提高学生的兴趣和教学效率。一般地，“工程材料”课程实验教学内容主要包括金属硬度试验、平衡状态下碳钢显微结构的观察分析以及碳钢的热处理。这三个试验的目的是加深理解该课程理论主要内容，并提高学生的实践能力。首先，硬度是材料的重要机械性能之一，与其他机械性能有相互对应关系。相对于工程材料的其他性能，硬度测试可操性强。因此，硬度试验成了判断金属材料或零件质量的重要手段。学生需要根据布氏或者洛氏硬度测试原理，掌握布氏或者洛氏硬度机的原理以及操作规程。在我校的教学实践中，洛氏硬度测试采用HR-150A型机械式硬度机，而布氏测量采用HB-3000型电子布氏硬度机。

　　布氏或者洛氏硬度测量根据《金属布氏硬度试验方法》-GB/T231.1-2009以及《金属洛氏硬度试验方法》-GB-T230.1-2018规定。实验要求每名学生都要进行布氏或者洛氏硬度测定。其次，观察分析平衡状态下碳钢显微结构是重要的实验内容。通过认识碳钢在平衡状态下的显微组织，验证铁碳合金微组织与Fe-Fe3C相图的关系。学生除了要了解金属材料显微组织试验的制备方法之外，还要熟练掌握显微镜操作，以独立进行显微组织观察。要求学生会用铁碳合金的组织面积估算亚共析钢的含碳量。能够绘制Fe-Fe3C状态图，将含碳量为0.2%、0.4%、0.77%和1.2%的碳钢在状态图上标出，并能够对应其在平衡状态下的显微组织。

　　最后，该课程通过碳钢的热处理这一实验使学生熟悉碳钢淬火、正火、回火的常规操作，加深理解Fe-Fe3C相图和冷却“C”曲线在热处理的应用。该实验采用45#钢和T12钢，使之进行完全处理或不完全处理，冷却方式为水冷、油冷、气冷。分析不同热处理工艺以及碳钢的化学成分对硬度的影响。在该课程的实验教学组织上，这三个试验内容相互关联、相辅相成，贯穿了该课程的重要内容。在教学方法上，启发式[5]、案例式[6，7]等教学方法已经用于“工程材料”的教学过程并收到了良好的效果。近年来，雨课堂[8]、蓝墨云[9]、慕课[10]等丰富了教学手段，调动了学生学习和探索积极性，促进了学生对重点知识的掌握程度。在2020年春新冠病毒疫情期间，雨课堂、腾讯课堂等网络教学工具成为春季学期主要的教学载体，我校该课程的理论教学工作得以正常实施。

　　二、面向未来新机器与新工程体系的机械工程材料教学

　　未来的工业体系将融合信息、生物、材料等不同领域的优势，将展现出高度的整合性、复杂性、连通性、自主化以及可持续发展等特色[3]。为了衔接面向未来的新机器与新工程体系，应亟须改进“工程材料”课程现有的学习方式和学习内容。基于此，该论文提出以下三点设想：

　　(一)构建能源与动力机械、材料和系统科学的跨学科“学科串”的学习方式针对能源动力类专业的学生，在学习机械工程材料过程中，教师引导学生提出以项目为中心，以解决能源领域科研或者工程问题，以“学科串”的形式，要求学生组成一个围绕共同项目的团队。学生通过团队合作以及分工，查阅资料调研，对比分析确定研究/实施方案。实践不断完善，力求解决问题。不同学科交叉的科研/工程问题，将促使学生从不同角度调研、思考产生问题的根本原因，从而找出问题的解决方案。除此之外，学生需根据不同角度分析得到的方案，并进一步整合不同信息。这样“学科串”的学习方式将促进学生提高能源与动力机械、材料和系统科学跨学科的理解深度和解决问题的能力。

　　(二)构建以“可持续材料与能源体系”为中心的教学思想

　　未来的工业体系将融合机械、信息、分子、生物、能源，对传统能源体系提出了更高的要求。基于此，可持续发展的能源体系将关注节约能源、清洁生产、提高能源利用效率及开发新能源与再生能源、改善生态环境和持续农业与林业生产等方面[11]。

　　建立未来的新机器及新工程体系，都直接或间接地与材料相关。因此，相关工程材料教学工作也需有效地建立可持续材料与能源与课堂教学的衔接，向学生强调先进材料与先进生产工艺流程是节约资源与减少环境污染的重要途径。“工程材料”课程以铁碳合金以及热处理为重点，介绍了常用的碳钢、铸铁、合金钢、有色金属及其合金的成分、组织、性能和用途;工程塑料、橡胶、陶瓷、复合材料等常用非金属材料的分类、性能和用途。通过对工程材料及其热处理过程的理解，合理选择材料以节省资源，提高能源利用率。在该课程的授课过程中，教师不但强调以上基础知识的重要性，还应以“可持续材料与能源体系”为中心的教学思想，构建教材的主要知识点与可持续能源体系的关联，搭建课堂教学与工业界、产业界的桥梁。

　　(三)强化学生解决能源与动力系统未知与复杂问题的思维

　　新工程教育的培养目标是使学生能够运用恰当的思维思考解决工程实践中面临的各种未知与复杂问题。在完成工程材料课程的主要章节过程，需要加强学生解决实际工程问题的能力。可通过工程实例来锻炼学生的工程思维。

　　拖拉机变速箱的设计，时常用来锻炼学生的实际工程问题。例如某工程实际要求受力较大，同时受一定冲击的拖拉机变速箱，齿轮硬度55～60HRC。要求通过选择合适的材料、确定工艺路线及热处理工艺，加强学生解决问题的能力。拖拉机变速箱的设计涉及材料力学、工程材料以及机械设计等基本原理。为了更好地提高学生解决工程问题的能力，学生需要从实际情况出发，基于前人的基础和成果，善于掌握和使用各种设计资料，具体分析和创造性地进行设计，逐渐提高学生解决复杂工程问题的能力。学生首先通过对拖拉机的工作条件，分析齿轮变速箱的主要受力及失效形式，进而选择合适的材料和热处理工艺。

　　三、结语

　　面向能源与动力工程类专业的“工程材料”教学研究与实践，该论文结合未来新机器与新工程体系，提出了“工程材料”课程的创新型教学模式，以能源与动力机械、材料和系统科学的跨学科“学科串”为中心，构建可持续材料与能源体系，强化学生解决能源与动力系统未知与复杂问题的思维，将有效地提高该课程的教学效果。

　　参考文献

　　[1]MITSchoolofEngineering.NEETNewEngineeringEducationTransformation[EB/OL].[2019-04-25].http://neet.mit.edu/.

　　[2]中华人民共和国教育部.关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见[EB/OL].http://www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201810/t20181017_351887.html.2020-6-9.

　　[3]数学中国[N]智能制造2019-05-16

　　作者：王美玲