金屬學(xué)與熱處理課程教學(xué)思考*

徐　陽，李　晶，胡　偉，胡春霞，龔成功

（蘭州工業(yè)學(xué)院 材料工程學(xué)院，甘肅 蘭州730050）

金屬學(xué)與熱處理課程教學(xué)思考*

徐陽，李晶，胡偉，胡春霞，龔成功

（蘭州工業(yè)學(xué)院 材料工程學(xué)院，甘肅 蘭州730050）

金屬學(xué)與熱處理是材料工程專業(yè)一門重要的必修專業(yè)基礎(chǔ)課，因此結(jié)合專業(yè)的特點(diǎn)，對金屬學(xué)與熱處理課程進(jìn)行改革，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)激情，是當(dāng)前一項重要的教學(xué)任務(wù)。

金屬學(xué)與熱處理；專業(yè)基礎(chǔ)；教學(xué)改革

眾所周知，金屬材料是工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、科技等領(lǐng)域使用最廣泛的材料，在國民經(jīng)濟(jì)中占有非常重要的地位。金屬學(xué)與熱處理課程是研究金屬材料及其強(qiáng)化方法的課程，是冶金、材料、機(jī)械專業(yè)學(xué)生的必修課程，專業(yè)覆蓋面非常廣。涉及金屬學(xué)、熱處理、材料學(xué)3大教學(xué)板塊，是一門理論、實(shí)踐兼重的課程，所以在教、學(xué)兩方面都有一定的難度。

1　課程介紹

蘭州工業(yè)學(xué)院是一所服務(wù)面向甘肅省制造業(yè)、以工科為主的大學(xué)，《金屬學(xué)與熱處理》是蘭州工業(yè)學(xué)院材料成型及控制工程和焊接技術(shù)及工程專業(yè)的必修的專業(yè)基礎(chǔ)課。因課程內(nèi)容基礎(chǔ)性強(qiáng)，它能充分利用學(xué)生已經(jīng)學(xué)過的基礎(chǔ)知識（包括物理化學(xué)課程等），并能連接后續(xù)的材料測試、加工和應(yīng)用等課程，因此它是承接基礎(chǔ)課和后續(xù)專業(yè)課的重要環(huán)節(jié)，而且本課程涉及的相關(guān)知識多，因此非常重要。

本課程以培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力為主要目標(biāo)，理論實(shí)踐相結(jié)合，使學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)，熟悉材料科學(xué)的相關(guān)基礎(chǔ)知識，掌握熱處理的基本原理和工藝，使學(xué)生具有合理選擇材料（金屬材料為主）、選用毛坯及分析毛坯結(jié)構(gòu)工藝性及選用合適熱處理方法的能力，為后續(xù)部分和專業(yè)課程的學(xué)習(xí)以及將來解決材料的生產(chǎn)、加工等問題打下比較系統(tǒng)而堅實(shí)的理論基礎(chǔ)［1-7］。

2　課程教學(xué)現(xiàn)狀

2.1課程學(xué)時有限

本課程共64學(xué)時，其中理論講授54學(xué)時，實(shí)驗10學(xué)時。本課程的內(nèi)容體系結(jié)構(gòu)包括金屬學(xué)原理及熱處理原理兩大部分。其中金屬學(xué)是研究金屬或合金的化學(xué)成分、組織、結(jié)構(gòu)及性能之間的相互關(guān)系及變化規(guī)律的科學(xué)。利用這條主線主要介紹晶體學(xué)基礎(chǔ)、金屬凝固理論、相圖知識、金屬塑性變形與斷裂、金屬的回復(fù)與再結(jié)晶的基本理論。而金屬熱處理以金屬學(xué)為基礎(chǔ)，重點(diǎn)研究固態(tài)相變的規(guī)律性，研究金屬或合金熱處理組織與性能之間的關(guān)系，以及熱處理理論在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用。理論內(nèi)容較多，知識點(diǎn)瑣碎繁雜，56個理論學(xué)時講授13個章節(jié)的所有內(nèi)容，確實(shí)存在一定困難，學(xué)生通常不易抓住重點(diǎn)，普遍反映學(xué)習(xí)有難度，對本課程的學(xué)習(xí)失去信心。

2.2教材內(nèi)容較多

本課程選用的教材為崔忠圻和覃耀春主編的《金屬學(xué)與熱處理》（第2版），與同類教材相比，該教材非常好地在深度和廣度兩個方面涵蓋了本課程的理論與實(shí)踐知識，曾被評為95國優(yōu)教材，現(xiàn)為十一五國家級規(guī)劃教材，但是該教材出版較早，雖然幾年來經(jīng)過多次再版，但是很多材料領(lǐng)域的最新科技進(jìn)步的前沿知識沒有反映出來，教材缺乏活力和生動性，學(xué)生的知識面較窄，缺乏學(xué)習(xí)興趣。

3　教學(xué)改革

為提高這門課的教學(xué)質(zhì)量，在本課程的教學(xué)中采取了以下一些教學(xué)方法與手段：

3.1理清教學(xué)脈絡(luò)

在教材內(nèi)容較多，學(xué)時有限的情況下，只有讓學(xué)生理清全書的結(jié)構(gòu)脈絡(luò)，抓住重點(diǎn)和難點(diǎn)，才是學(xué)生學(xué)好這門課的關(guān)鍵。

在講緒論時，就向?qū)W生介紹這門課是以金屬材料為研究對象，以材料科學(xué)研究的四大要素成分、組織、工藝、性能為主線講解，使學(xué)生在看似抽象、復(fù)雜、枯燥的內(nèi)容中尋找到其內(nèi)在、本質(zhì)的規(guī)律。這門課的主要研究內(nèi)容可概括為一個關(guān)系：成分——組織——結(jié)構(gòu)——性能；兩張圖：Fe-Fe3C相圖（成分、組織）、C曲線（制備、加工）；三種材料：鋼、鑄鐵、有色金屬，四種熱處理：退火、正火、淬火、回火。

在“成分——組織——性能”這條主線中，成分決定組織，組織決定性能，性能體現(xiàn)組織，組織體現(xiàn)成分。我們來分析一下這條主線之間與各個章節(jié)之間的有什么樣的相互關(guān)系：

3.1.1成分

鋼的成分主要是由鋼的冶煉過程決定的，鋼的成分主要是由Fe、C、Si、Mn、P、S、合金等元素組成、其中Fe和C元素是最基本的兩大元素，所以我們要先學(xué)習(xí)Fe-C合金，在學(xué)習(xí)Fe-C合金之前，要先學(xué)習(xí)二元合金，如果有時要特殊考慮其它某些元素對鋼性能的影響，必須學(xué)習(xí)多元合金相圖來分析問題，在多元合金相圖中，三元相圖是最簡單的一種，但與二元相圖比較，三元相圖的類型多而復(fù)雜。

3.1.2組織結(jié)構(gòu)

冶煉好的成分合格的鋼水要經(jīng)過凝固形成固態(tài)的鑄坯，因此必須學(xué)習(xí)金屬的結(jié)晶過程，金屬結(jié)晶后形成的組織結(jié)構(gòu)極大地影響到金屬的加工性能和使用性能。鑄坯或鑄錠一般要加工成型材后才可使用，因此要學(xué)習(xí)塑性變形的知識，型材的深加工由于加工硬化而變得困難，應(yīng)當(dāng)學(xué)習(xí)回復(fù)和再結(jié)晶處理。

金屬與合金的熔煉及結(jié)晶、冷變形金屬的回復(fù)與再結(jié)晶以及后續(xù)的熱處理工藝過程中都存在擴(kuò)散現(xiàn)象，因此要深入了解這些過程，就必須掌握有關(guān)擴(kuò)散的知識。

3.1.3性能

為了合理使用金屬材料，就必須掌握其性能，并了解影響其性能的因素。影響金屬材料性能的因素有內(nèi)因和外因兩個方面：內(nèi)因是材料的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)；外因是材料的加工工藝，主要是指熱處理和塑性變形，如圖1所示。尤其是熱處理是改善金屬材料性能的重要手段，它是通過改變金屬材料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)來達(dá)到改善其性能的目的。而某些金屬或合金不能用熱處理強(qiáng)化，只能采用塑性變形加工來強(qiáng)化性能。

圖1　材料成分、組織結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系

老師在第一堂課講緒論時就把課程的結(jié)構(gòu)脈絡(luò)講清楚，使學(xué)生對這門課的各個章節(jié)之間的關(guān)系搞清楚，這樣就激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，大大調(diào)動了學(xué)習(xí)的主動性和積極性。

3.2及時更新教學(xué)內(nèi)容

教師上課前精心設(shè)計，剔除陳舊的教學(xué)內(nèi)容，引入和補(bǔ)充前沿知識。為了使學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)能夠跟上科技的發(fā)展，在教學(xué)過程中，要隨時關(guān)注金屬學(xué)與熱處理方面的最新進(jìn)展，將其更新到教學(xué)內(nèi)容中，也可以讓學(xué)生在課下上網(wǎng)去查閱相關(guān)的新工藝和新技術(shù)，在課上將查閱的新資料講給老師和同學(xué)，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣。

在教學(xué)過程中，也可將教師的科研成果和工程實(shí)踐補(bǔ)充進(jìn)課堂中。例如“硅鋼軋制過程中氣氛控制的化學(xué)熱力學(xué)實(shí)驗及理論研究”這個項目中，就把“金屬學(xué)與熱處理”和之前學(xué)的“物理化學(xué)”課程的相關(guān)知識融合到一起，可以先給學(xué)生介紹什么叫硅鋼，硅鋼有什么用途，硅鋼的生產(chǎn)工藝，硅鋼生產(chǎn)的熱處理氣氛的控制，以及用熱力學(xué)原理來解釋。通過這種講授方式使學(xué)生清楚地認(rèn)識到理論課程的重要性，將理論與實(shí)踐相結(jié)合在工程實(shí)踐中具有重大的意義，大大增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，一定程度上拓展了學(xué)生的專業(yè)知識。

3.3針對不同專業(yè)合理組織教學(xué)

教學(xué)中，針對不同專業(yè)的具體情況，講授時有所側(cè)重，有所刪減，比如說材料成型及控制工程專業(yè)、焊接技術(shù)及工程專業(yè)和冶金工程專業(yè)根據(jù)專業(yè)的具體情況，可以設(shè)置不同的講課學(xué)時來講授。無論多課時課程還是少課時課程，重要的基礎(chǔ)知識、基本理論統(tǒng)一要求，保持了課程系統(tǒng)性。而有些知識可以有所側(cè)重，如對冶金工程和焊接工程專業(yè)，以相圖和結(jié)晶為重點(diǎn)，擴(kuò)散知識必須講；對材料成型與控制工程專業(yè)，分為鑄造和模具兩個方向，鑄造方向以相圖和結(jié)晶為重點(diǎn)，模具方向以形變再結(jié)晶為重點(diǎn)，擴(kuò)散知識可略講。這樣就保證了課程共性與個性的統(tǒng)一，更重要的是滿足了各專業(yè)的實(shí)際需要。

3.4科學(xué)應(yīng)用多媒體等現(xiàn)代化教學(xué)手段

《金屬學(xué)與熱處理》內(nèi)容龐雜抽象，學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容、知識點(diǎn)難掌控。一方面全程采取多媒體教學(xué)，在課件中加入大量圖片、視頻，圖聲并茂，盡可能豐富教學(xué)內(nèi)容。同時為避免學(xué)生記筆記難、無暇聽課等多媒體教學(xué)的短處，在尚未實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源上網(wǎng)的階段，及時將電子版多媒體課件發(fā)給學(xué)生，學(xué)生提前獲得課件后，課堂上更專心于聽課、思考和理解。這樣既提高了課堂教學(xué)效率及課后復(fù)習(xí)效果，又便于鼓勵其自學(xué)。曾經(jīng)擔(dān)心學(xué)生獲得課件后會不聽課，實(shí)踐證明這種方法和措施不僅可以提高課堂教學(xué)效率，更重要的是大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

3.5采取啟發(fā)式、討論式等教學(xué)方法，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與積極性

為提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，一方面教學(xué)思路上盡可能從現(xiàn)象出發(fā)，繁雜的理論分析之后，回到實(shí)際應(yīng)用，使學(xué)生意識到學(xué)有所用；另一方面加強(qiáng)課堂提問，鼓勵同學(xué)積極、踴躍提出問題；同時，針對不同的課程內(nèi)容，采取多種形式的課堂討論，加強(qiáng)習(xí)題課，并輔以自學(xué)相結(jié)合的方式，課后與同學(xué)及時交流，強(qiáng)化了課堂教學(xué)的互動性，使同學(xué)及時消化與鞏固所學(xué)知識，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性與積極性。

3.6重視實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)

材料工程專業(yè)是一個實(shí)踐性很強(qiáng)的工科專業(yè)，金屬學(xué)與熱處理課程更是與實(shí)際緊密結(jié)合的專業(yè)基礎(chǔ)課，因此實(shí)驗教學(xué)是教學(xué)過程中的重要環(huán)節(jié)。在實(shí)驗教學(xué)中基礎(chǔ)實(shí)驗與大綜合性實(shí)驗也都圍繞這“成分——組織——性能”這條主線進(jìn)行開設(shè)，從而深化學(xué)生對基礎(chǔ)理論、基本知識的真正理解與掌握，達(dá)到全面、綜合的專業(yè)技能訓(xùn)練目的，提高學(xué)生動手解決問題的能力。

該課程可以按照這條主線設(shè)置以下幾個實(shí)驗項目，如圖2所示：

圖2　實(shí)踐教學(xué)體系框圖

1）金屬化學(xué)成分分析實(shí)驗：利用金屬直讀光譜儀和氫氧氮分析儀測定金屬材料的成分。

2）金相組織分析實(shí)驗：包括對各種典型金屬材料進(jìn)行試樣的制備與組織觀察。

3）金屬力學(xué)性能測試實(shí)驗：利用萬能試驗機(jī)、扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)、沖擊試驗機(jī)、硬度計測定各種力學(xué)性能指標(biāo)。

在課下開放實(shí)驗室，鼓勵學(xué)生到實(shí)驗室，在實(shí)驗老師的指導(dǎo)下對自己感興趣的實(shí)驗進(jìn)行動手操作。還可以舉辦金相大賽，通過金相技能競賽，為同學(xué)們提供一個實(shí)踐平臺，加深同學(xué)們對本專業(yè)金相知識的了解及熱愛，將理論應(yīng)用于實(shí)踐，使同學(xué)們的綜合素質(zhì)得到更全面的提升，也使大家對專業(yè)的熱愛轉(zhuǎn)化為實(shí)際。

4　結(jié)論

總之，金屬學(xué)與熱處理是一門基礎(chǔ)理論和工程實(shí)踐緊密結(jié)合的課程，通過以上改革方式將書本上的理論知識與工程實(shí)際相接軌，將枯燥難懂的理論內(nèi)容變得鮮活起來，讓學(xué)生對這門課感興趣，這是我們每個專業(yè)教師必須重視的問題，因此我們在每堂課之前都要精心設(shè)計教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，力爭上好每一節(jié)課。

［1］于景媛．《金屬學(xué)與熱處理》課程教學(xué)改革初探［J］．實(shí)驗科學(xué)與技術(shù)．2014，12（4）：183-185．

［2］姚永紅．《金屬學(xué)與熱處理》學(xué)習(xí)方法淺析［J］．安徽電子信息技術(shù)學(xué)院學(xué)報．2004，3（5）：222．

［3］王海燕．關(guān)于“金屬學(xué)與熱處理”課程課堂教學(xué)的思考［J］．中國冶金教育．2007（5）：31-33．

［4］何代華．金屬學(xué)與熱處理課程教學(xué)改革［J］．中國冶金教育，2014，（3）：5-6．

［5］程光輝．金屬學(xué)與熱處理課程教學(xué)改革與初步實(shí)踐［J］.濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報．2011，10（4）：86-88．

［6］王豫．金屬學(xué)與熱處理課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革實(shí)踐［J］．安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報．2001，18（4）：106-107．

［7］王明光．《金屬學(xué)與熱處理》課程教學(xué)方法研究與實(shí)踐［J］．黑龍江冶金．2013，33（5）：60-62．

G642

2016年度蘭州工業(yè)學(xué)院青年科技創(chuàng)新項目，項目編號：16K-008。