安全工程專(zhuān)業(yè)機(jī)械工程材料課程教學(xué)

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摘要：機(jī)械工程材料課程的開(kāi)設(shè)對(duì)安全工程專(zhuān)業(yè)本科生而言很有必要，課程中零件工作條件及失效方式、材料性能特點(diǎn)與改進(jìn)手段等知識(shí)內(nèi)容在該專(zhuān)業(yè)的就業(yè)領(lǐng)域和研究領(lǐng)域中有著重要的應(yīng)用。為提高學(xué)生學(xué)習(xí)本門(mén)課程的興趣和主觀能動(dòng)性，使學(xué)生能夠深入理解掌握課程知識(shí)并能在實(shí)際工程中活學(xué)活用，本文針對(duì)安全工程專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)對(duì)機(jī)械工程材料課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：安全工程專(zhuān)業(yè)；機(jī)械工程材料；教學(xué)改革

安全工程專(zhuān)業(yè)屬于涉及面極廣的綜合交叉專(zhuān)業(yè)，注重培養(yǎng)能夠從事安全技術(shù)及工程、安全科學(xué)與研究、安全監(jiān)察與管理、安全設(shè)計(jì)與生產(chǎn)、工作場(chǎng)所危險(xiǎn)有害因素識(shí)別與檢測(cè)等方面工作的復(fù)合型高級(jí)工程技術(shù)人才[1]。隨著國(guó)家、企業(yè)和個(gè)人對(duì)安全工作的日益重視以及全國(guó)300人以上高危企業(yè)的日益增多，安全工程專(zhuān)業(yè)人才的需求市場(chǎng)巨大，即使近年來(lái)畢業(yè)生數(shù)量已大幅度增加，也仍處于供不應(yīng)求的狀況。開(kāi)辦安全工程專(zhuān)業(yè)的高校類(lèi)型很多，但主要為理工類(lèi)院校，而且各個(gè)院校的安全工程專(zhuān)業(yè)都有其自身的特色，例如：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程專(zhuān)業(yè)在煤礦安全領(lǐng)域擁有多個(gè)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；中國(guó)科技大學(xué)安全工程專(zhuān)業(yè)在火災(zāi)科學(xué)和城市公共安全研究領(lǐng)域居于國(guó)際先進(jìn)水平；河南理工大學(xué)安全工程專(zhuān)業(yè)在瓦斯地質(zhì)與瓦斯突出防治、通風(fēng)理論與技術(shù)等領(lǐng)域有著鮮明的優(yōu)勢(shì)；中南大學(xué)安全工程專(zhuān)業(yè)主要聚焦于安全工程方面的設(shè)計(jì)、研究、檢測(cè)、評(píng)價(jià)、監(jiān)察與管理等方面；西安科技大學(xué)安全工程專(zhuān)業(yè)形成了煤火科學(xué)與防控、礦山設(shè)備安全與救援、智慧消防等特色鮮明的研究方向。作為河南省一級(jí)重點(diǎn)學(xué)科和高等學(xué)校特色專(zhuān)業(yè)建設(shè)點(diǎn)，鄭州大學(xué)安全工程專(zhuān)業(yè)面向機(jī)械、材料、土木、交通等工程領(lǐng)域，培養(yǎng)具有扎實(shí)的力學(xué)基礎(chǔ)理論、安全科學(xué)與工程基礎(chǔ)知識(shí)、工程結(jié)構(gòu)與設(shè)備方面的專(zhuān)業(yè)技術(shù)知識(shí)的創(chuàng)新型工程技術(shù)人才，在提高工程結(jié)構(gòu)和設(shè)備及其零部件的壽命等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)和特色[2]。鄭州大學(xué)安全工程專(zhuān)業(yè)已與宇通集團(tuán)有限公司、衛(wèi)華集團(tuán)有限公司、中信重工機(jī)械股份有限公司、中國(guó)建筑第七工程局有限公司等河南省知名制造建筑企業(yè)聯(lián)合共建了多個(gè)穩(wěn)定的教學(xué)實(shí)習(xí)基地，致力于服務(wù)本省的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)并與之相輔相成、共同發(fā)展。機(jī)械設(shè)備在采礦業(yè)、制造業(yè)、建筑業(yè)、航空航天以及人們?nèi)粘Ｉ钪袘?yīng)用非常普遍，是人類(lèi)探索和利用大自然并使之更好地為人類(lèi)服務(wù)的重要工具[3,4]。然而人類(lèi)的血肉之軀在冰冷的鋼鐵之體面前卻是非常的脆弱，一個(gè)小小的機(jī)械事故常會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和難以挽回的人員傷亡。許多高校的尤其是以設(shè)備安全為特色的安全工程專(zhuān)業(yè)，都開(kāi)設(shè)有機(jī)械類(lèi)基礎(chǔ)課程，如：機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、機(jī)械安全工程、機(jī)械工程材料和設(shè)備結(jié)構(gòu)安全分析等，而這些課程的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)針對(duì)安全工程專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)和專(zhuān)業(yè)特色進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整[5,6]。下面就以機(jī)械工程材料課程為例，探討其面向安全工程專(zhuān)業(yè)的教學(xué)內(nèi)容和方式。

一機(jī)械工程材料課程介紹

（一）機(jī)械工程材料材料的發(fā)展水平和利用程度已成為人類(lèi)文明進(jìn)步的標(biāo)志，人類(lèi)社會(huì)依據(jù)制造生產(chǎn)工具的材料可劃分舊石器時(shí)代、新石器時(shí)代、青銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代、鋼鐵時(shí)代和新材料時(shí)代。機(jī)械工程材料是用于制造各類(lèi)機(jī)械零件、構(gòu)件的材料和在機(jī)械制造過(guò)程中所應(yīng)用的工藝材料，相關(guān)研究跨越機(jī)械和材料兩個(gè)學(xué)科：一方面從機(jī)械工業(yè)的需求出發(fā)，推動(dòng)材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展；另一方面借助材料科學(xué)的新進(jìn)展，推動(dòng)機(jī)械工程技術(shù)的革新。

（二）課程內(nèi)容及特點(diǎn)機(jī)械工程材料課程主要講授零（構(gòu)）件和器件在不同服役條件下的失效方式及其對(duì)性能的要求，以及機(jī)械設(shè)計(jì)者和制造者必須具備的材料基礎(chǔ)知識(shí)和基本理論；介紹各類(lèi)工程材料的成分、組織結(jié)構(gòu)與冷、熱加工（或合成）工藝、性能特點(diǎn)和應(yīng)用范圍，并以實(shí)例說(shuō)明如何根據(jù)零（構(gòu)）件或器件的不同服役條件和性能要求進(jìn)行合理選材。該課程在講授方面概念多且較為抽象，前后內(nèi)容邏輯聯(lián)系少，沒(méi)有數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)；在考試方面記憶點(diǎn)多，文字作答多，數(shù)學(xué)計(jì)算少；在實(shí)驗(yàn)方面由于金相實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備要求高，熱處理實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)合和操作要求特殊，因而不便讓學(xué)生動(dòng)手操作。以上特點(diǎn)使本科生在學(xué)習(xí)機(jī)械工程材料課程時(shí)容易感到枯燥而不夠重視，尤其是非機(jī)械類(lèi)的學(xué)生會(huì)對(duì)這門(mén)課程的學(xué)習(xí)目的感到迷茫，從而喪失興趣和主動(dòng)性。

（三）學(xué)習(xí)本課程的必要性對(duì)于畢業(yè)后直接就業(yè)的安全工程專(zhuān)業(yè)本科生而言，他們的就業(yè)領(lǐng)域大都為建筑和制造行業(yè)，而碳鋼、鑄鐵、合金鋼、鋁合金等材料在這些行業(yè)中使用普遍。從事這類(lèi)行業(yè)的本科生若要評(píng)判建筑結(jié)構(gòu)和設(shè)備是否用材合理和安全，就要熟悉這門(mén)課程。機(jī)械工程材料是聯(lián)系其它理論知識(shí)與工程實(shí)際的必不可少的橋梁，該課程的內(nèi)容是工程人員經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)總結(jié)而成的，具有很強(qiáng)的實(shí)踐指導(dǎo)意義，在安全評(píng)估和提出改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)可作為工具書(shū)進(jìn)行參考。對(duì)于畢業(yè)后繼續(xù)深造的安全工程專(zhuān)業(yè)本科生而言，他們?cè)趯?lái)的研究生階段大都從事力學(xué)、材料、機(jī)械、土木方面的研究。在此類(lèi)研究領(lǐng)域中常要對(duì)材料或結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)以及進(jìn)一步改進(jìn)，因此需要熟悉常用工程材料的使用性能、工藝性能、顯微組織以及性能改進(jìn)方式等，這些正是機(jī)械工程材料課程的教授內(nèi)容。該課程能夠有效指導(dǎo)研究人員在工程結(jié)構(gòu)/材料的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)中如何選用和改進(jìn)材料，使結(jié)構(gòu)和設(shè)備更加安全可靠。

二重點(diǎn)講授內(nèi)容及教學(xué)方法探討

（一）針對(duì)安全工程專(zhuān)業(yè)的教學(xué)內(nèi)容基于從“問(wèn)題”和以“問(wèn)題”為歸的思想，在給安全工程專(zhuān)業(yè)本科生講授機(jī)械工程材料課程時(shí)，要從設(shè)備零件失效著手，重點(diǎn)講解零件過(guò)量變形、斷裂、磨損、腐蝕和蠕變等的具體失效形式、失效原因和相應(yīng)的材料抗力指標(biāo)，使學(xué)生能夠根據(jù)零件工作條件和失效方式合理選材與使用材料。為進(jìn)一步使學(xué)生能夠合理制定冷、熱加工工藝路線以改進(jìn)材料，需重點(diǎn)講授鐵碳合金相圖、壓力加工的影響、奧氏體轉(zhuǎn)變圖和鋼的普通熱處理等內(nèi)容。最后從實(shí)際案例出發(fā)對(duì)機(jī)械設(shè)備關(guān)鍵零部件的工作條件、常見(jiàn)失效形式以及選材及改進(jìn)材料的方式進(jìn)行系統(tǒng)講解，使學(xué)生能夠?qū)⒅匾R(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來(lái)，以加深印象并能活學(xué)活用。除了上述重點(diǎn)講授內(nèi)容，還需使安全工程專(zhuān)業(yè)本科生熟悉了解合金鋼、鑄鐵、有色金屬及其合金等工程中常用金屬材料的基本概念、性能特點(diǎn)和適用場(chǎng)合。通過(guò)講解合金元素的作用、鑄鐵的石墨化、鋁合金的時(shí)效強(qiáng)化等理論知識(shí)，使學(xué)生在以后工作研究中遇到此類(lèi)材料時(shí)能夠有目的地查詢(xún)和學(xué)習(xí)相關(guān)專(zhuān)業(yè)書(shū)籍，以進(jìn)一步深入掌握相應(yīng)的知識(shí)體系。

（二）面向安全工程專(zhuān)業(yè)的教學(xué)方法首先，在結(jié)合安全工程專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上要充分發(fā)揮多媒體教學(xué)的優(yōu)勢(shì)。為了提高該專(zhuān)業(yè)本科生的學(xué)習(xí)興趣，要從機(jī)械零件（或器件）的失效分析開(kāi)始講解，建議采用西安交通大學(xué)沈蓮主編的《機(jī)械工程材料》教材[7]。在首次課上先播放典型設(shè)備零件的失效視頻，并展示一些由零件失效造成的安全事故案例，使學(xué)生直觀認(rèn)識(shí)到起這門(mén)課與安全工程專(zhuān)業(yè)之間的聯(lián)系。在具體講解不同的失效類(lèi)型時(shí)，可通過(guò)播放視頻動(dòng)畫(huà)和講述相應(yīng)案例等手段提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并加深他們對(duì)知識(shí)理論的理解，比如：在講解沖擊韌性和韌脆轉(zhuǎn)變溫度這類(lèi)重要知識(shí)點(diǎn)時(shí)，先播放一段泰坦尼克號(hào)撞擊冰山而快速沉沒(méi)的電影橋段，然后通過(guò)提問(wèn)的方式讓學(xué)生判斷這個(gè)事故歸咎于材料的韌性斷裂還是脆性斷裂并進(jìn)行解釋?zhuān)詈蠼o出答案和詳細(xì)分析，并進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生對(duì)一些難以預(yù)料的安全事故進(jìn)行思考。其次，對(duì)于重點(diǎn)核心內(nèi)容要采用靈活的教學(xué)方法并激發(fā)學(xué)生主動(dòng)獲取知識(shí)的能力。教學(xué)方法的選擇因內(nèi)容而異：對(duì)于馬氏體、奧氏體和鐵素體這類(lèi)相近的概念，要采用異同比較法找出它們的共性和區(qū)別；對(duì)于“熱加工”和“冷加工”這類(lèi)正好相反的概念，要采用相反相成比較法對(duì)它們的定義進(jìn)行界定；對(duì)于鐵碳合金相圖這類(lèi)知識(shí)點(diǎn)多而難以記憶的概念，要采用口訣記憶法并反復(fù)進(jìn)行訓(xùn)練。此外要讓學(xué)生在課下做好溫習(xí)和預(yù)習(xí)工作，并定期進(jìn)行檢查、答疑和總結(jié)，以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主觀能動(dòng)性。最后，引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用本門(mén)課所學(xué)知識(shí)對(duì)真實(shí)案例進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，以提高他們對(duì)知識(shí)理論的掌握程度和運(yùn)用能力。一個(gè)典型的案例就是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的選材，工程師在初始設(shè)計(jì)時(shí)為了減輕自重而選擇了超高強(qiáng)度鋼，但在實(shí)際打壓試驗(yàn)中，殼體在遠(yuǎn)低于工作應(yīng)力的情況下發(fā)生爆裂。于是人們依照經(jīng)典設(shè)計(jì)思想選用了強(qiáng)度更高的鋼，結(jié)果爆裂發(fā)生在更低的應(yīng)力下。這個(gè)案例可作為課堂討論題目組織學(xué)生分組進(jìn)行討論和分析，加深他們對(duì)斷裂韌度等指標(biāo)的認(rèn)識(shí)。類(lèi)似話題還有飛機(jī)機(jī)翼為何采用剛度不高的鋁合金，汽車(chē)板簧為何不采用彈性模量較低的橡膠等。在案例分析討論的基礎(chǔ)上，再系統(tǒng)講解材料強(qiáng)度、塑性和韌性的合理配合，以及如何根據(jù)材料的使用性能、工藝性能和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行選材等知識(shí)點(diǎn)。

三結(jié)語(yǔ)

鋼鐵、有色金屬等機(jī)械工程材料在航空航天、土木建筑、車(chē)輛船舶、機(jī)械化工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。作為與機(jī)械設(shè)備和建筑結(jié)構(gòu)關(guān)系緊密的安全工程專(zhuān)業(yè)，很有必要開(kāi)設(shè)機(jī)械工程材料課程并針對(duì)專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)對(duì)這門(mén)課程進(jìn)行教學(xué)改革。本文從激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和加強(qiáng)應(yīng)用能力等方面對(duì)面向安全工程專(zhuān)業(yè)本科生的機(jī)械工程材料課程進(jìn)行了教學(xué)探討，未來(lái)將結(jié)合教學(xué)實(shí)踐和課堂反饋對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及考核方式進(jìn)行系統(tǒng)深入的思考和改革，以期全面提高教學(xué)和人才培養(yǎng)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

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[7]沈蓮.機(jī)械工程材料(第4版)[M].北京:機(jī)械工程出版社,2018.

作者：蔡守宇 侯玉亮 榮彥 張?zhí)m 單位：鄭州大學(xué)