輪機工程材料教學分析論文
一引言
材料無處不在，任何工業產品都是由材料制成的;材料是人類物質文明的基礎［1］，材料的更新換代能不斷推進制造技術的發展，它是現代高科技與新興產業形成的根本保證。而輪機工程材料是輪機管理專業和船舶工程(船機修造)專業的專業基礎課，它除了工程材料涵蓋的內容外，還包括了船機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］;學科交叉性和綜合性強、理論性強［3－5］;信息量大;有些章節甚至比較枯燥乏味;教學內容中雖然也涉及到一些可以讓學生們動手操作的實驗，但因為目前學校的實驗條件不夠完善、能讓學生們親自動手的實驗寥寥無幾;且學時較少(僅36學時);學生普遍認為:這門課枯燥乏味、要掌握的內容較多。因此在教學過程中，本人認為首先必須讓學生們深刻地體會到這門課的重要性，尤其是這門課的內容貫穿了生產實踐和生活的每一個環節;其次要通過形象和恰當的例子來激發他們的學習興趣、倡導自主學習和終身教育的理念;通過典型案例的分析，培養學生綜合運用知識解決實際問題的能力。
二實施方法
1.列舉周邊的所見所聞，讓學生們真實地體會到:材料無處不在。“材料無處不在”第一節課我就這樣開場白。首先我讓同學們抬頭看看天花板，天花板上懸掛著電風扇。我問他們:“風扇頭的外殼是什么材料制成的?風扇的葉片又是什么材料制成的?為什么它銹跡斑斑?”同學們回答:“風扇頭的外殼是塑料，葉片的材料是鐵，生銹是因為被氧化。”我接著分析:“風扇頭的外殼確實是塑料，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為被氧化，更重要的原因是由于電化學腐蝕。”這時很多同學就表示了詫異，“沒有電解質，沒有陰陽極，哪來的電化學腐蝕?”我繼續剖析:“因為我們所處的這個城市臨近海邊，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?”接著我繼續引申，作為輪機工程專業的學生，我們的大部分同學將來應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，因而船機零件的防腐問題是我們專業永恒的主題;其次我讓同學們環顧四周，看看窗戶的框是什么材料?大多數同學都回答“塑料!”我告訴他們:“看過去像塑料，實際上是塑鋼。因為塑料是非剛性材料，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，而塑鋼則是一種復合材料，它是二十一世紀的新型材料。”最后我讓他們低頭看看書桌和地板各是什么材料?同學們回答“書桌是木板做的，地板是磁磚鋪的。”我讓他們用指甲去劃一下桌面，看看是否有劃痕?當然他們什么也沒劃出來。我接著說:“這書桌是強化的復合板，也是一種復合材料，其硬度巳遠遠地超過傳統的木板了!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、駕駛室的導航儀、機艙里的主機、輔機、鍋爐甚至到錯綜復雜的管線，處處都是我們的工程材料，從而在感性上讓同學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，緊扣學生的興趣點，拓寬他們的視野。興趣是學習的源動力，它永遠是最好的老師。處于花季年齡的大學生，他們當然對“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世紀初最大最豪華的遠洋客輪“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，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”號鋼板沖擊實驗斷口與近代船用鋼板斷口的對比照片，讓同學們自己找找看，它們有什么區別?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，產生了很長的裂紋，裂紋擴展，導致鋼板發生脆性斷裂，所以“泰坦尼克”號沉沒了!是材料的缺陷造成的!此外年輕的學子們一般都有奧運情結，因此在講Fe－Fe3C相圖應用的章節時，為了說明制造工程構件(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鳥巢的例子。“鳥巢”為全焊接鋼結構，焊縫總長30多萬米，基本上為厚板全熔透焊縫，既有高強度鋼的焊接，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，焊接部位更容易產生缺陷，從而導致構件失效。此外，低強度鋼材體積大、負重大，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新生產的厚度達到110毫米的Q460特型低合金高強度鋼，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，學生們不僅對工程構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，甚至對低合金高強度鋼的牌號都留下了記憶。
3.應用表格進行歸納總結，聯系生活實例，以加深學生們的記憶。輪機工程材料這門課理論性較強，有許多瑣碎的文字內容需要學生們去記憶。為了讓學生能記得住，記得牢，必須對有些內容進行歸納、總結、表格化。比如在講到鋼的熱處理這一章節時，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)。這就可以讓學生們在對比中記憶，更容易找到規律，思路將更加清晰，對所學的知識更融會貫通，這樣就可以達到事半功倍的效果。此外，為了增強記憶效果，我們也可以講講發生在我們生活中的一些事情。比如在講到碳鋼和鑄鐵的區別時，我就故意調侃學生:“大家知道家長們為什么恨鐵不成鋼嗎?”同學們多半都會心一笑，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，我就先發問，你們想象一下是硬的東西好切還是軟的東西好切?“當然是軟的好切!”同學們不容置疑地回答。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.側重理論聯系實際，強調學以致用。作為輪機管理專業和船舶工程(船機修造)專業的學生，他們大多數人將來所面臨的工作應該側重于材料的應用，而不是材料的研究和開發，也就是說將來他們所要面對的是:如何在生產實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的工藝路線。就合理選材而言，它除了要考慮材料的先進性、技術性外，更要考量材料的經濟性和環保性。因為現代工程是由“研究→開發→設計→制造→運行→管理”等環節組成的工程鏈，每個環節都存在大量的技術、經濟和社會等問題。因此在教學過程中，我們要遵循“基礎適度、口徑寬廣、應用為先”的教育理念，強調理論與實踐相結合。注重培養學生的綜合素質，即分析問題和綜合解決實際問題的能力。具體地說，對于材料課程中純理論的知識，如金屬學原理中的晶體理論、合金的構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零件的選材，則可以花較多的時間進行分析。可以從零件的工作條件、失效方式，對材料性能的要求，常用的幾種材料各自的優缺點，常用的熱處理方法等進行專題的討論;注重材料選用的演變過程，樹立材料更新換代的觀念，重視材料發展動態，樹立自主學習和終身教育的理念;強調課程中的實踐環節，它包括課程實驗和上船見習兩大環節，培養學生獨立的實驗技能和創新思維的能力;重視專業課程之間的滲透，強化環境保護和節約資源的意識，培養綜合型、高素質的工程應用型人才。
5.培養學生應用工程師的語言，樹立工程意識、責任意識和安全意識。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用自己的語言是我們教學過程中所面臨的又一重大任務，畢竟它體現了一個工程技術人員的專業素養。而所謂工程師的語言實質上是專業術語在生產實踐中的實際應用。專業術語是專業知識的核心，只有掌握和積累足夠多的專業知識，才能熟練應用專業術語。因而在教學過程中，教師應通過言傳身教、潛移默化地去影響學生，提高他們使用專業術語的頻率，養成一種規范表達的習慣。現代化的工程活動是一個融科學、技術、經濟、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，除了專業知識，它必須具備工程意識、責任意識和安全意識。通過工程上的正義感、責任心和敬業精神來真正實現科學和技術價值的職業道德意識。這也是我們素質教育的根本，作為工程技術人員，在考慮材料適用性的同時，必須兼顧經濟效益和社會問題，社會問題包括:能源消耗問題、資源利用問題、環境保護問題等等，它關系到人類自身和子孫后代的生存問題，這是每個工程技術人員所必須具備的責任感和使命感。此外，要著重培養學生的安全意識，安全是企業的生命線，這絕不是一句空話。比如發生在2006年7月21日一起因材料原因造成的重大安全事故，當天上午8時許，西北鐵合金公司第四冶煉廠發生的一起鐵水包墜落事故，造成11人燒傷，其中7人傷勢嚴重。事故原因是由于鐵水包內的耐火磚滲漏導致鐵水包外壁的鐵環被熔化而脫落。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:一個工程技術人員所必須承擔的責任。因而在教學過程中我們一定要強化學生們的使命感和責任感，培養他們“認認真真”做事的基本態度和“實實在在”解決問題的能力。
三結束語
總之，隨著全球經濟一體化，科學技術綜合化的發展，需要我們培養出一批批具有創新精神和實踐能力的高素質應用型人才;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踐的知識和能力，必須具備開拓進取的意識，才能做到寓素質教育于課程教學之中。
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