輪機(jī)工程材料教學(xué)分析

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一引言

材料無處不在，任何工業(yè)產(chǎn)品都是由材料制成的;材料是人類物質(zhì)文明的基礎(chǔ)［1］，材料的更新?lián)Q代能不斷推進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，它是現(xiàn)代高科技與新興產(chǎn)業(yè)形成的根本保證。而輪機(jī)工程材料是輪機(jī)管理專業(yè)和船舶工程(船機(jī)修造)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，它除了工程材料涵蓋的內(nèi)容外，還包括了船機(jī)主要零件的選材與熱處理等。該課程涉及的知識面廣、概念多且抽象［2］;學(xué)科交叉性和綜合性強(qiáng)、理論性強(qiáng)［3－5］;信息量大;有些章節(jié)甚至比較枯燥乏味;教學(xué)內(nèi)容中雖然也涉及到一些可以讓學(xué)生們動手操作的實(shí)驗(yàn)，但因?yàn)槟壳皩W(xué)校的實(shí)驗(yàn)條件不夠完善、能讓學(xué)生們親自動手的實(shí)驗(yàn)寥寥無幾;且學(xué)時較少(僅36學(xué)時);學(xué)生普遍認(rèn)為:這門課枯燥乏味、要掌握的內(nèi)容較多。因此在教學(xué)過程中，本人認(rèn)為首先必須讓學(xué)生們深刻地體會到這門課的重要性，尤其是這門課的內(nèi)容貫穿了生產(chǎn)實(shí)踐和生活的每一個環(huán)節(jié);其次要通過形象和恰當(dāng)?shù)睦觼砑ぐl(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣、倡導(dǎo)自主學(xué)習(xí)和終身教育的理念;通過典型案例的分析，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識解決實(shí)際問題的能力。

二實(shí)施方法

1.列舉周邊的所見所聞，讓學(xué)生們真實(shí)地體會到:材料無處不在。“材料無處不在”第一節(jié)課我就這樣開場白。首先我讓同學(xué)們抬頭看看天花板，天花板上懸掛著電風(fēng)扇。我問他們:“風(fēng)扇頭的外殼是什么材料制成的?風(fēng)扇的葉片又是什么材料制成的?為什么它銹跡斑斑?”同學(xué)們回答:“風(fēng)扇頭的外殼是塑料，葉片的材料是鐵，生銹是因?yàn)楸谎趸！蔽医又治?“風(fēng)扇頭的外殼確實(shí)是塑料，它屬于高分子材料，是工程材料中的四大類之一，葉片的材料確切地說是鋼，屬于金屬材料;它之所以生銹一部分原因是因?yàn)楸谎趸?，更重要的原因是由于電化學(xué)腐蝕?！边@時很多同學(xué)就表示了詫異，“沒有電解質(zhì)，沒有陰陽極，哪來的電化學(xué)腐蝕?”我繼續(xù)剖析:“因?yàn)槲覀兯幍倪@個城市臨近海邊，我們的教室也正好面對大海，空氣中是不是彌漫著淡淡的海水味?這種潮濕的大氣不就是電解質(zhì)嗎?而鋼則是含有硅、錳、硫、磷的鐵碳合金［6］，這不就組成了陰極和陽極了嗎?”接著我繼續(xù)引申，作為輪機(jī)工程專業(yè)的學(xué)生，我們的大部分同學(xué)將來應(yīng)該就是在貨輪或者游輪上工作的，那這些船都是在海上行駛的，因而船機(jī)零件的防腐問題是我們專業(yè)永恒的主題;其次我讓同學(xué)們環(huán)顧四周，看看窗戶的框是什么材料?大多數(shù)同學(xué)都回答“塑料!”我告訴他們:“看過去像塑料，實(shí)際上是塑鋼。因?yàn)樗芰鲜欠莿傂圆牧?，受到光、氧作用后易老化，如果作為門窗，它的剛度和耐久性都不符合要求，而塑鋼則是一種復(fù)合材料，它是二十一世紀(jì)的新型材料?！弊詈笪易屗麄兊皖^看看書桌和地板各是什么材料?同學(xué)們回答“書桌是木板做的，地板是磁磚鋪的?！蔽易屗麄冇弥讣兹澮幌伦烂?，看看是否有劃痕?當(dāng)然他們什么也沒劃出來。我接著說:“這書桌是強(qiáng)化的復(fù)合板，也是一種復(fù)合材料，其硬度巳遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過傳統(tǒng)的木板了!地板的材料是磁磚，屬于陶瓷材料。工程材料分為四大類:金屬材料、高分子材料、陶瓷材料和復(fù)合材料，在我們這個教室就算齊全了!”之后，我打開多媒體課件，讓同學(xué)們來感受一下“清華山”號。(這是一艘長約224米，寬32米，載重7萬噸的貨輪，是筆者在船上見習(xí)時所拍攝的照片。)在波瀾壯闊的大海上，一艘頗為壯觀的貨輪，無論是船體或者是甲板上的絞纜機(jī)、駕駛室的導(dǎo)航儀、機(jī)艙里的主機(jī)、輔機(jī)、鍋爐甚至到錯綜復(fù)雜的管線，處處都是我們的工程材料，從而在感性上讓同學(xué)們真切地體會到材料的遍布性和重要性。

2.通過典型案例的分析，緊扣學(xué)生的興趣點(diǎn)，拓寬他們的視野。興趣是學(xué)習(xí)的源動力，它永遠(yuǎn)是最好的老師。處于花季年齡的大學(xué)生，他們當(dāng)然對“泰坦尼克”號映像深刻。因此，在講金屬材料的沖擊韌性和冷脆之前，我先放一張“泰坦尼克”號的圖片。就從“泰坦尼克”號說起，20世紀(jì)初最大最豪華的遠(yuǎn)洋客輪“泰坦尼克”號，載重4.6萬噸，長269米，寬28米，有16個水密(水進(jìn)不去的)隔艙防止她沉沒，即使其中任意兩個隔艙灌滿了水，她仍然能夠行駛，甚至四個隔艙灌滿了水，也可以保持漂浮狀態(tài)，因而號稱“永不沉沒之輪”。然而，1912年4月15日，它載有2208名乘客和船員，首航沉沒于冰海，除了登上救生艇的705人幸存外，其余的1503人葬身冰海。為什么?這時候，我又放了一張“泰坦尼克”號鋼板沖擊實(shí)驗(yàn)斷口與近代船用鋼板斷口的對比照片，讓同學(xué)們自己找找看，它們有什么區(qū)別?然后我再分析，由于“泰坦尼克”號采用了含硫量、含磷量較高的鋼板，在低溫時韌性很差，特別是在冰海時是呈脆性的，尤其在船體撞擊冰山的剎那，產(chǎn)生了很長的裂紋，裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致鋼板發(fā)生脆性斷裂，所以“泰坦尼克”號沉沒了!是材料的缺陷造成的!此外年輕的學(xué)子們一般都有奧運(yùn)情結(jié)，因此在講Fe－Fe3C相圖應(yīng)用的章節(jié)時，為了說明制造工程構(gòu)件(如船體、橋梁等)必須采用塑性高、冷變形性和焊接性能好的低碳鋼時，我特地列舉了北京奧運(yùn)鳥巢的例子?！傍B巢”為全焊接鋼結(jié)構(gòu)，焊縫總長30多萬米，基本上為厚板全熔透焊縫，既有高強(qiáng)度鋼的焊接，又有鑄鋼件的焊接，厚板焊接熔敷量大。而如果選用低強(qiáng)度的鋼材，將使鋼材的斷面增大，則鋼材厚度增加。而鋼板越厚，焊接也就越困難，焊接部位更容易產(chǎn)生缺陷，從而導(dǎo)致構(gòu)件失效。此外，低強(qiáng)度鋼材體積大、負(fù)重大，加工制作的工作量都比較大;況且，北京冬季氣溫比較低，鋼材在低溫情況下會有冷脆現(xiàn)象，溫度越低，鋼材越脆，越容易斷裂;綜合以上情況，工程師們在“鳥巢”受力最為集中的24根柱子和柱角上使用了我國自主創(chuàng)新生產(chǎn)的厚度達(dá)到110毫米的Q460特型低合金高強(qiáng)度鋼，保證了鳥巢的抗震性、耐低溫性和良好的焊接性，鑄就了“鳥巢”的鐵骨鋼筋［7］。通過對“鳥巢”的案例分析，學(xué)生們不僅對工程構(gòu)件的選材有了深刻的印象，同時對造船的焊接工藝也有所了解，甚至對低合金高強(qiáng)度鋼的牌號都留下了記憶。

3.應(yīng)用表格進(jìn)行歸納總結(jié)，聯(lián)系生活實(shí)例，以加深學(xué)生們的記憶。輪機(jī)工程材料這門課理論性較強(qiáng)，有許多瑣碎的文字內(nèi)容需要學(xué)生們?nèi)ビ洃?。為了讓學(xué)生能記得住，記得牢，必須對有些內(nèi)容進(jìn)行歸納、總結(jié)、表格化。比如在講到鋼的熱處理這一章節(jié)時，我們完全可以將鋼的幾種退火列成一個表格、鋼淬火后的三種回火列成一個表格(如下表)。這就可以讓學(xué)生們在對比中記憶，更容易找到規(guī)律，思路將更加清晰，對所學(xué)的知識更融會貫通，這樣就可以達(dá)到事半功倍的效果。此外，為了增強(qiáng)記憶效果，我們也可以講講發(fā)生在我們生活中的一些事情。比如在講到碳鋼和鑄鐵的區(qū)別時，我就故意調(diào)侃學(xué)生:“大家知道家長們?yōu)槭裁春掼F不成鋼嗎?”同學(xué)們多半都會心一笑，在這輕松的氣氛里也明白了:原來碳鋼和鑄鐵的區(qū)別在于含碳量不同，含碳量小于2.11%的是鋼，含碳量大于2.11%小于6.69%的是鑄鐵。例如在講到鋼的切削性能時，我就先發(fā)問，你們想象一下是硬的東西好切還是軟的東西好切?“當(dāng)然是軟的好切!”同學(xué)們不容置疑地回答。我再問他們:“熱年糕非常軟，好切嗎?”通過生活中的這個事例，同學(xué)們自然就記牢了:太軟、太硬都不好切，必須是一個合適的硬度范圍，那就是HB160～HB230之間。

4.側(cè)重理論聯(lián)系實(shí)際，強(qiáng)調(diào)學(xué)以致用。作為輪機(jī)管理專業(yè)和船舶工程(船機(jī)修造)專業(yè)的學(xué)生，他們大多數(shù)人將來所面臨的工作應(yīng)該側(cè)重于材料的應(yīng)用，而不是材料的研究和開發(fā)，也就是說將來他們所要面對的是:如何在生產(chǎn)實(shí)踐中合理地選擇和使用材料;正確選擇加工方法以及制訂恰當(dāng)?shù)墓に嚶肪€。就合理選材而言，它除了要考慮材料的先進(jìn)性、技術(shù)性外，更要考量材料的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。因?yàn)楝F(xiàn)代工程是由“研究→開發(fā)→設(shè)計→制造→運(yùn)行→管理”等環(huán)節(jié)組成的工程鏈，每個環(huán)節(jié)都存在大量的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會等問題。因此在教學(xué)過程中，我們要遵循“基礎(chǔ)適度、口徑寬廣、應(yīng)用為先”的教育理念，強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐相結(jié)合。注重培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)，即分析問題和綜合解決實(shí)際問題的能力。具體地說，對于材料課程中純理論的知識，如金屬學(xué)原理中的晶體理論、合金的構(gòu)造等只作簡單的介紹;而對于課程中的鐵碳合金相圖和船機(jī)零件的選材，則可以花較多的時間進(jìn)行分析?？梢詮牧慵墓ぷ鳁l件、失效方式，對材料性能的要求，常用的幾種材料各自的優(yōu)缺點(diǎn)，常用的熱處理方法等進(jìn)行專題的討論;注重材料選用的演變過程，樹立材料更新?lián)Q代的觀念，重視材料發(fā)展動態(tài)，樹立自主學(xué)習(xí)和終身教育的理念;強(qiáng)調(diào)課程中的實(shí)踐環(huán)節(jié)，它包括課程實(shí)驗(yàn)和上船見習(xí)兩大環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)技能和創(chuàng)新思維的能力;重視專業(yè)課程之間的滲透，強(qiáng)化環(huán)境保護(hù)和節(jié)約資源的意識，培養(yǎng)綜合型、高素質(zhì)的工程應(yīng)用型人才。

5.培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用工程師的語言，樹立工程意識、責(zé)任意識和安全意識。高等院校向來是工程師的搖籃，如何讓這些未來的工程師們熟練地應(yīng)用自己的語言是我們教學(xué)過程中所面臨的又一重大任務(wù)，畢竟它體現(xiàn)了一個工程技術(shù)人員的專業(yè)素養(yǎng)。而所謂工程師的語言實(shí)質(zhì)上是專業(yè)術(shù)語在生產(chǎn)實(shí)踐中的實(shí)際應(yīng)用。專業(yè)術(shù)語是專業(yè)知識的核心，只有掌握和積累足夠多的專業(yè)知識，才能熟練應(yīng)用專業(yè)術(shù)語。因而在教學(xué)過程中，教師應(yīng)通過言傳身教、潛移默化地去影響學(xué)生，提高他們使用專業(yè)術(shù)語的頻率，養(yǎng)成一種規(guī)范表達(dá)的習(xí)慣?，F(xiàn)代化的工程活動是一個融科學(xué)、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、人文、社會等因素于一體的綜合性立體工程。這就要求我們未來的工程師們具備綜合的素質(zhì)，除了專業(yè)知識，它必須具備工程意識、責(zé)任意識和安全意識。通過工程上的正義感、責(zé)任心和敬業(yè)精神來真正實(shí)現(xiàn)科學(xué)和技術(shù)價值的職業(yè)道德意識。這也是我們素質(zhì)教育的根本，作為工程技術(shù)人員，在考慮材料適用性的同時，必須兼顧經(jīng)濟(jì)效益和社會問題，社會問題包括:能源消耗問題、資源利用問題、環(huán)境保護(hù)問題等等，它關(guān)系到人類自身和子孫后代的生存問題，這是每個工程技術(shù)人員所必須具備的責(zé)任感和使命感。此外，要著重培養(yǎng)學(xué)生的安全意識，安全是企業(yè)的生命線，這絕不是一句空話。比如發(fā)生在2006年7月21日一起因材料原因造成的重大安全事故，當(dāng)天上午8時許，西北鐵合金公司第四冶煉廠發(fā)生的一起鐵水包墜落事故，造成11人燒傷，其中7人傷勢嚴(yán)重。事故原因是由于鐵水包內(nèi)的耐火磚滲漏導(dǎo)致鐵水包外壁的鐵環(huán)被熔化而脫落。事故的悲慘性常常是觸目驚心的!也是在這一刻，他們才能意識到:一個工程技術(shù)人員所必須承擔(dān)的責(zé)任。因而在教學(xué)過程中我們一定要強(qiáng)化學(xué)生們的使命感和責(zé)任感，培養(yǎng)他們“認(rèn)認(rèn)真真”做事的基本態(tài)度和“實(shí)實(shí)在在”解決問題的能力。

三結(jié)束語

總之，隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化，科學(xué)技術(shù)綜合化的發(fā)展，需要我們培養(yǎng)出一批批具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的高素質(zhì)應(yīng)用型人才;同時也對我們教師提出了更高的要求，教師本身必須具備豐富的工程實(shí)踐的知識和能力，必須具備開拓進(jìn)取的意識，才能做到寓素質(zhì)教育于課程教學(xué)之中。