能源与动力工程类专业工程材料教学研究与实践

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摘要：[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

　　[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

　　作者： 王美玲

　　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”(New Engineering Education Transformation，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。

　　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]，引导高校從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/T 231.1-2009以及《金属洛氏硬度试验方法》-GB-T 230.1-2018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。

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