[摘要]在新工程教育的背景下，創(chuàng)新工程教育的內(nèi)容以及方式與手段都將是培養(yǎng)具有競爭力的新型復(fù)合型工程科技人才的重要內(nèi)容。該論文基于面向能源與動(dòng)力工程類專業(yè)的工程材料教學(xué)研究與實(shí)踐，提出了構(gòu)建能源與動(dòng)力機(jī)械、材料和系統(tǒng)科學(xué)的跨學(xué)科“學(xué)科串”的學(xué)習(xí)方式、以“可持續(xù)材料與能源體系”為中心的教學(xué)思想、強(qiáng)化學(xué)生解決能源與動(dòng)力系統(tǒng)未知與復(fù)雜問題的思維，將提高該課程的教學(xué)效果。
[關(guān)鍵詞]能源與動(dòng)力類專業(yè);工程材料;工程教育;教學(xué)評(píng)價(jià)
科技革命不斷在推進(jìn)，全球的競爭日趨表現(xiàn)為科技的競爭。2017年8月，麻省理工學(xué)院啟動(dòng)了“新工程教育轉(zhuǎn)型”(NewEngineeringEducationTransformation，簡稱NEET)計(jì)劃[1]，旨在重構(gòu)麻省理工學(xué)院的工程教育學(xué)，從根本上對工程教育進(jìn)行一次系統(tǒng)性反思和變革。其中，學(xué)生的學(xué)習(xí)方式及學(xué)習(xí)內(nèi)容成為該次變革的重點(diǎn)。該次新工程教育轉(zhuǎn)型將為培養(yǎng)引領(lǐng)未來產(chǎn)業(yè)界和社會(huì)發(fā)展的領(lǐng)導(dǎo)型工程人才。
能源方向評(píng)職知識(shí)：新能源電力系統(tǒng)開放課題
我國在“中國制造2025”等重大項(xiàng)目的實(shí)施下，自2017年2月以來，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)[2]，引導(dǎo)高校從產(chǎn)業(yè)需求的角度進(jìn)行學(xué)科建設(shè)以此創(chuàng)新工科專業(yè)新結(jié)構(gòu)、融合創(chuàng)新工程教育方式與手段、探索新工科自主發(fā)展新模式，旨在為我國未來產(chǎn)業(yè)界培養(yǎng)具備國際競爭力的創(chuàng)新型卓越工程科技人才。創(chuàng)新工程教育的內(nèi)容以及方式與手段都將是培養(yǎng)具有競爭力的新型復(fù)合型工程科技人才的重要內(nèi)容。
眾所周知，能源與動(dòng)力工程類專業(yè)主要致力于傳統(tǒng)能源的利用、新能源的開發(fā)與如何更高效地利用能源，也包括內(nèi)燃機(jī)、鍋爐、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、制冷及相關(guān)測試技術(shù)。傳統(tǒng)的培養(yǎng)模式主要通過動(dòng)力工程及工程熱物理相關(guān)基礎(chǔ)理論訓(xùn)練，培養(yǎng)能夠開展動(dòng)力機(jī)械與熱工設(shè)備設(shè)計(jì)、運(yùn)行、實(shí)驗(yàn)研究的動(dòng)力工程師。然而，隨著未來新機(jī)器的不斷涌現(xiàn)以及新工程體系的建立，未來的工業(yè)體系將由物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)化體系、機(jī)器人體系、智慧城市、可持續(xù)材料與能源體系、生化診療、大數(shù)據(jù)將組成[3]。
在“新工科”背景下，相應(yīng)的工程教育應(yīng)面向工業(yè)體系的未來實(shí)際需求。因此，相關(guān)課程教學(xué)設(shè)計(jì)也應(yīng)針對未來新工業(yè)體系做出相應(yīng)調(diào)整。“工程材料”是高等學(xué)校機(jī)械類專業(yè)及近機(jī)械類專業(yè)必修課之一。學(xué)習(xí)內(nèi)容主要包括機(jī)械工程材料性能、金屬學(xué)、熱處理、常用機(jī)械工程材料四方面。該課程要求學(xué)生不僅要在有關(guān)課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上注意系統(tǒng)的理論學(xué)習(xí)，還要結(jié)合專業(yè)要求，理論聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)際，重視實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，遵循實(shí)踐—理論—再實(shí)踐的認(rèn)識(shí)規(guī)律來學(xué)習(xí)，以培養(yǎng)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(xué)習(xí)內(nèi)容與方式上與時(shí)俱進(jìn)，為新機(jī)器時(shí)代的工科教育打好基礎(chǔ)。
一、傳統(tǒng)機(jī)械工程材料的教學(xué)
在學(xué)習(xí)內(nèi)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(jìn)學(xué)生理解材料化學(xué)成分、組織與性能之間的關(guān)聯(lián)，掌握結(jié)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(shè)計(jì)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(gòu)成該課程基礎(chǔ)的重點(diǎn)內(nèi)容。著重以材料“成分-結(jié)構(gòu)-工藝-性能-應(yīng)用”為主線強(qiáng)調(diào)金屬材料工程應(yīng)用的重要性。該課程將理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，促進(jìn)學(xué)生理解基本理論知識(shí)與實(shí)際材料性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐的能力與獨(dú)立解決問題的能力，為后續(xù)相關(guān)的學(xué)習(xí)與工作做好準(zhǔn)備。然而，該課程的教學(xué)現(xiàn)狀卻存在一些問題諸如教學(xué)內(nèi)容之間的邏輯關(guān)系不明顯、知識(shí)點(diǎn)之間的系統(tǒng)性差，導(dǎo)致教學(xué)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(shí)。另外，由于該課程是一門專業(yè)基礎(chǔ)技術(shù)課，對于能源與動(dòng)力工程類專業(yè)的針對性不強(qiáng)。
因此，需要提出該課程與能源與動(dòng)力工程類專業(yè)有關(guān)聯(lián)的教學(xué)科研問題以提高學(xué)生的興趣和教學(xué)效率。一般地，“工程材料”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容主要包括金屬硬度試驗(yàn)、平衡狀態(tài)下碳鋼顯微結(jié)構(gòu)的觀察分析以及碳鋼的熱處理。這三個(gè)試驗(yàn)的目的是加深理解該課程理論主要內(nèi)容，并提高學(xué)生的實(shí)踐能力。首先，硬度是材料的重要機(jī)械性能之一，與其他機(jī)械性能有相互對應(yīng)關(guān)系。相對于工程材料的其他性能，硬度測試可操性強(qiáng)。因此，硬度試驗(yàn)成了判斷金屬材料或零件質(zhì)量的重要手段。學(xué)生需要根據(jù)布氏或者洛氏硬度測試原理，掌握布氏或者洛氏硬度機(jī)的原理以及操作規(guī)程。在我校的教學(xué)實(shí)踐中，洛氏硬度測試采用HR-150A型機(jī)械式硬度機(jī)，而布氏測量采用HB-3000型電子布氏硬度機(jī)。
布氏或者洛氏硬度測量根據(jù)《金屬布氏硬度試驗(yàn)方法》-GB/T231.1-2009以及《金屬洛氏硬度試驗(yàn)方法》-GB-T230.1-2018規(guī)定。實(shí)驗(yàn)要求每名學(xué)生都要進(jìn)行布氏或者洛氏硬度測定。其次，觀察分析平衡狀態(tài)下碳鋼顯微結(jié)構(gòu)是重要的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。通過認(rèn)識(shí)碳鋼在平衡狀態(tài)下的顯微組織，驗(yàn)證鐵碳合金微組織與Fe-Fe3C相圖的關(guān)系。學(xué)生除了要了解金屬材料顯微組織試驗(yàn)的制備方法之外，還要熟練掌握顯微鏡操作，以獨(dú)立進(jìn)行顯微組織觀察。要求學(xué)生會(huì)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(tài)圖，將含碳量為0.2%、0.4%、0.77%和1.2%的碳鋼在狀態(tài)圖上標(biāo)出，并能夠?qū)?yīng)其在平衡狀態(tài)下的顯微組織。
最后，該課程通過碳鋼的熱處理這一實(shí)驗(yàn)使學(xué)生熟悉碳鋼淬火、正火、回火的常規(guī)操作，加深理解Fe-Fe3C相圖和冷卻“C”曲線在熱處理的應(yīng)用。該實(shí)驗(yàn)采用45#鋼和T12鋼，使之進(jìn)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(xué)成分對硬度的影響。在該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)組織上，這三個(gè)試驗(yàn)內(nèi)容相互關(guān)聯(lián)、相輔相成，貫穿了該課程的重要內(nèi)容。在教學(xué)方法上，啟發(fā)式[5]、案例式[6，7]等教學(xué)方法已經(jīng)用于“工程材料”的教學(xué)過程并收到了良好的效果。近年來，雨課堂[8]、藍(lán)墨云[9]、慕課[10]等豐富了教學(xué)手段，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)和探索積極性，促進(jìn)了學(xué)生對重點(diǎn)知識(shí)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(wǎng)絡(luò)教學(xué)工具成為春季學(xué)期主要的教學(xué)載體，我校該課程的理論教學(xué)工作得以正常實(shí)施。
二、面向未來新機(jī)器與新工程體系的機(jī)械工程材料教學(xué)
未來的工業(yè)體系將融合信息、生物、材料等不同領(lǐng)域的優(yōu)勢，將展現(xiàn)出高度的整合性、復(fù)雜性、連通性、自主化以及可持續(xù)發(fā)展等特色[3]。為了銜接面向未來的新機(jī)器與新工程體系，應(yīng)亟須改進(jìn)“工程材料”課程現(xiàn)有的學(xué)習(xí)方式和學(xué)習(xí)內(nèi)容。基于此，該論文提出以下三點(diǎn)設(shè)想：
(一)構(gòu)建能源與動(dòng)力機(jī)械、材料和系統(tǒng)科學(xué)的跨學(xué)科“學(xué)科串”的學(xué)習(xí)方式針對能源動(dòng)力類專業(yè)的學(xué)生，在學(xué)習(xí)機(jī)械工程材料過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生提出以項(xiàng)目為中心，以解決能源領(lǐng)域科研或者工程問題，以“學(xué)科串”的形式，要求學(xué)生組成一個(gè)圍繞共同項(xiàng)目的團(tuán)隊(duì)。學(xué)生通過團(tuán)隊(duì)合作以及分工，查閱資料調(diào)研，對比分析確定研究/實(shí)施方案。實(shí)踐不斷完善，力求解決問題。不同學(xué)科交叉的科研/工程問題，將促使學(xué)生從不同角度調(diào)研、思考產(chǎn)生問題的根本原因，從而找出問題的解決方案。除此之外，學(xué)生需根據(jù)不同角度分析得到的方案，并進(jìn)一步整合不同信息。這樣“學(xué)科串”的學(xué)習(xí)方式將促進(jìn)學(xué)生提高能源與動(dòng)力機(jī)械、材料和系統(tǒng)科學(xué)跨學(xué)科的理解深度和解決問題的能力。
(二)構(gòu)建以“可持續(xù)材料與能源體系”為中心的教學(xué)思想
未來的工業(yè)體系將融合機(jī)械、信息、分子、生物、能源，對傳統(tǒng)能源體系提出了更高的要求。基于此，可持續(xù)發(fā)展的能源體系將關(guān)注節(jié)約能源、清潔生產(chǎn)、提高能源利用效率及開發(fā)新能源與再生能源、改善生態(tài)環(huán)境和持續(xù)農(nóng)業(yè)與林業(yè)生產(chǎn)等方面[11]。
建立未來的新機(jī)器及新工程體系，都直接或間接地與材料相關(guān)。因此，相關(guān)工程材料教學(xué)工作也需有效地建立可持續(xù)材料與能源與課堂教學(xué)的銜接，向?qū)W生強(qiáng)調(diào)先進(jìn)材料與先進(jìn)生產(chǎn)工藝流程是節(jié)約資源與減少環(huán)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(diǎn)，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(fù)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(jié)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(qiáng)調(diào)以上基礎(chǔ)知識(shí)的重要性，還應(yīng)以“可持續(xù)材料與能源體系”為中心的教學(xué)思想，構(gòu)建教材的主要知識(shí)點(diǎn)與可持續(xù)能源體系的關(guān)聯(lián)，搭建課堂教學(xué)與工業(yè)界、產(chǎn)業(yè)界的橋梁。
(三)強(qiáng)化學(xué)生解決能源與動(dòng)力系統(tǒng)未知與復(fù)雜問題的思維
新工程教育的培養(yǎng)目標(biāo)是使學(xué)生能夠運(yùn)用恰當(dāng)?shù)乃季S思考解決工程實(shí)踐中面臨的各種未知與復(fù)雜問題。在完成工程材料課程的主要章節(jié)過程，需要加強(qiáng)學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力。可通過工程實(shí)例來鍛煉學(xué)生的工程思維。
拖拉機(jī)變速箱的設(shè)計(jì)，時(shí)常用來鍛煉學(xué)生的實(shí)際工程問題。例如某工程實(shí)際要求受力較大，同時(shí)受一定沖擊的拖拉機(jī)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(qiáng)學(xué)生解決問題的能力。拖拉機(jī)變速箱的設(shè)計(jì)涉及材料力學(xué)、工程材料以及機(jī)械設(shè)計(jì)等基本原理。為了更好地提高學(xué)生解決工程問題的能力，學(xué)生需要從實(shí)際情況出發(fā)，基于前人的基礎(chǔ)和成果，善于掌握和使用各種設(shè)計(jì)資料，具體分析和創(chuàng)造性地進(jìn)行設(shè)計(jì)，逐漸提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。學(xué)生首先通過對拖拉機(jī)的工作條件，分析齒輪變速箱的主要受力及失效形式，進(jìn)而選擇合適的材料和熱處理工藝。
三、結(jié)語
面向能源與動(dòng)力工程類專業(yè)的“工程材料”教學(xué)研究與實(shí)踐，該論文結(jié)合未來新機(jī)器與新工程體系，提出了“工程材料”課程的創(chuàng)新型教學(xué)模式，以能源與動(dòng)力機(jī)械、材料和系統(tǒng)科學(xué)的跨學(xué)科“學(xué)科串”為中心，構(gòu)建可持續(xù)材料與能源體系，強(qiáng)化學(xué)生解決能源與動(dòng)力系統(tǒng)未知與復(fù)雜問題的思維，將有效地提高該課程的教學(xué)效果。
參考文獻(xiàn)
[1]MITSchoolofEngineering.NEETNewEngineeringEducationTransformation[EB/OL].[2019-04-25].http://neet.mit.edu/.
[2]中華人民共和國教育部.關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見[EB/OL].http://www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201810/t20181017_351887.html.2020-6-9.
[3]數(shù)學(xué)中國[N]智能制造2019-05-16
作者：王美玲
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