轮机工程材料教学分析

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一引言

材料无处不在，任何工业产品都是由材料制成的;材料是人类物质文明的基础［1］，材料的更新换代能不断推进制造技术的发展，它是现代高科技与新兴产业形成的根本保证。而轮机工程材料是轮机管理专业和船舶工程(船机修造)专业的专业基础课，它除了工程材料涵盖的内容外，还包括了船机主要零件的选材与热处理等。该课程涉及的知识面广、概念多且抽象［2］;学科交叉性和综合性强、理论性强［3－5］;信息量大;有些章节甚至比较枯燥乏味;教学内容中虽然也涉及到一些可以让学生们动手操作的实验，但因为目前学校的实验条件不够完善、能让学生们亲自动手的实验寥寥无几;且学时较少(仅36学时);学生普遍认为:这门课枯燥乏味、要掌握的内容较多。因此在教学过程中，本人认为首先必须让学生们深刻地体会到这门课的重要性，尤其是这门课的内容贯穿了生产实践和生活的每一个环节;其次要通过形象和恰当的例子来激发他们的学习兴趣、倡导自主学习和终身教育的理念;通过典型案例的分析，培养学生综合运用知识解决实际问题的能力。

二实施方法

1.列举周边的所见所闻，让学生们真实地体会到:材料无处不在。“材料无处不在”第一节课我就这样开场白。首先我让同学们抬头看看天花板，天花板上悬挂着电风扇。我问他们:“风扇头的外壳是什么材料制成的?风扇的叶片又是什么材料制成的?为什么它锈迹斑斑?”同学们回答:“风扇头的外壳是塑料，叶片的材料是铁，生锈是因为被氧化。”我接着分析:“风扇头的外壳确实是塑料，它属于高分子材料，是工程材料中的四大类之一，叶片的材料确切地说是钢，属于金属材料;它之所以生锈一部分原因是因为被氧化，更重要的原因是由于电化学腐蚀。”这时很多同学就表示了诧异，“没有电解质，没有阴阳极，哪来的电化学腐蚀?”我继续剖析:“因为我们所处的这个城市临近海边，我们的教室也正好面对大海，空气中是不是弥漫着淡淡的海水味?这种潮湿的大气不就是电解质吗?而钢则是含有硅、锰、硫、磷的铁碳合金［6］，这不就组成了阴极和阳极了吗?”接着我继续引申，作为轮机工程专业的学生，我们的大部分同学将来应该就是在货轮或者游轮上工作的，那这些船都是在海上行驶的，因而船机零件的防腐问题是我们专业永恒的主题;其次我让同学们环顾四周，看看窗户的框是什么材料?大多数同学都回答“塑料!”我告诉他们:“看过去像塑料，实际上是塑钢。因为塑料是非刚性材料，受到光、氧作用后易老化，如果作为门窗，它的刚度和耐久性都不符合要求，而塑钢则是一种复合材料，它是二十一世纪的新型材料。”最后我让他们低头看看书桌和地板各是什么材料?同学们回答“书桌是木板做的，地板是磁砖铺的。”我让他们用指甲去划一下桌面，看看是否有划痕?当然他们什么也没划出来。我接着说:“这书桌是强化的复合板，也是一种复合材料，其硬度巳远远地超过传统的木板了!地板的材料是磁砖，属于陶瓷材料。工程材料分为四大类:金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料，在我们这个教室就算齐全了!”之后，我打开多媒体课件，让同学们来感受一下“清华山”号。(这是一艘长约224米，宽32米，载重7万吨的货轮，是笔者在船上见习时所拍摄的照片。)在波澜壮阔的大海上，一艘颇为壮观的货轮，无论是船体或者是甲板上的绞缆机、驾驶室的导航仪、机舱里的主机、辅机、锅炉甚至到错综复杂的管线，处处都是我们的工程材料，从而在感性上让同学们真切地体会到材料的遍布性和重要性。

2.通过典型案例的分析，紧扣学生的兴趣点，拓宽他们的视野。兴趣是学习的源动力，它永远是最好的老师。处于花季年龄的大学生，他们当然对“泰坦尼克”号映像深刻。因此，在讲金属材料的冲击韧性和冷脆之前，我先放一张“泰坦尼克”号的图片。就从“泰坦尼克”号说起，20世纪初最大最豪华的远洋客轮“泰坦尼克”号，载重4.6万吨，长269米，宽28米，有16个水密(水进不去的)隔舱防止她沉没，即使其中任意两个隔舱灌满了水，她仍然能够行驶，甚至四个隔舱灌满了水，也可以保持漂浮状态，因而号称“永不沉没之轮”。然而，1912年4月15日，它载有2208名乘客和船员，首航沉没于冰海，除了登上救生艇的705人幸存外，其余的1503人葬身冰海。为什么?这时候，我又放了一张“泰坦尼克”号钢板冲击实验断口与近代船用钢板断口的对比照片，让同学们自己找找看，它们有什么区别?然后我再分析，由于“泰坦尼克”号采用了含硫量、含磷量较高的钢板，在低温时韧性很差，特别是在冰海时是呈脆性的，尤其在船体撞击冰山的刹那，产生了很长的裂纹，裂纹扩展，导致钢板发生脆性断裂，所以“泰坦尼克”号沉没了!是材料的缺陷造成的!此外年轻的学子们一般都有奥运情结，因此在讲Fe－Fe3C相图应用的章节时，为了说明制造工程构件(如船体、桥梁等)必须采用塑性高、冷变形性和焊接性能好的低碳钢时，我特地列举了北京奥运鸟巢的例子。“鸟巢”为全焊接钢结构，焊缝总长30多万米，基本上为厚板全熔透焊缝，既有高强度钢的焊接，又有铸钢件的焊接，厚板焊接熔敷量大。而如果选用低强度的钢材，将使钢材的断面增大，则钢材厚度增加。而钢板越厚，焊接也就越困难，焊接部位更容易产生缺陷，从而导致构件失效。此外，低强度钢材体积大、负重大，加工制作的工作量都比较大;况且，北京冬季气温比较低，钢材在低温情况下会有冷脆现象，温度越低，钢材越脆，越容易断裂;综合以上情况，工程师们在“鸟巢”受力最为集中的24根柱子和柱角上使用了我国自主创新生产的厚度达到110毫米的Q460特型低合金高强度钢，保证了鸟巢的抗震性、耐低温性和良好的焊接性，铸就了“鸟巢”的铁骨钢筋［7］。通过对“鸟巢”的案例分析，学生们不仅对工程构件的选材有了深刻的印象，同时对造船的焊接工艺也有所了解，甚至对低合金高强度钢的牌号都留下了记忆。

3.应用表格进行归纳总结，联系生活实例，以加深学生们的记忆。轮机工程材料这门课理论性较强，有许多琐碎的文字内容需要学生们去记忆。为了让学生能记得住，记得牢，必须对有些内容进行归纳、总结、表格化。比如在讲到钢的热处理这一章节时，我们完全可以将钢的几种退火列成一个表格、钢淬火后的三种回火列成一个表格(如下表)。这就可以让学生们在对比中记忆，更容易找到规律，思路将更加清晰，对所学的知识更融会贯通，这样就可以达到事半功倍的效果。此外，为了增强记忆效果，我们也可以讲讲发生在我们生活中的一些事情。比如在讲到碳钢和铸铁的区别时，我就故意调侃学生:“大家知道家长们为什么恨铁不成钢吗?”同学们多半都会心一笑，在这轻松的气氛里也明白了:原来碳钢和铸铁的区别在于含碳量不同，含碳量小于2.11%的是钢，含碳量大于2.11%小于6.69%的是铸铁。例如在讲到钢的切削性能时，我就先发问，你们想象一下是硬的东西好切还是软的东西好切?“当然是软的好切!”同学们不容置疑地回答。我再问他们:“热年糕非常软，好切吗?”通过生活中的这个事例，同学们自然就记牢了:太软、太硬都不好切，必须是一个合适的硬度范围，那就是HB160～HB230之间。

4.侧重理论联系实际，强调学以致用。作为轮机管理专业和船舶工程(船机修造)专业的学生，他们大多数人将来所面临的工作应该侧重于材料的应用，而不是材料的研究和开发，也就是说将来他们所要面对的是:如何在生产实践中合理地选择和使用材料;正确选择加工方法以及制订恰当的工艺路线。就合理选材而言，它除了要考虑材料的先进性、技术性外，更要考量材料的经济性和环保性。因为现代工程是由“研究→开发→设计→制造→运行→管理”等环节组成的工程链，每个环节都存在大量的技术、经济和社会等问题。因此在教学过程中，我们要遵循“基础适度、口径宽广、应用为先”的教育理念，强调理论与实践相结合。注重培养学生的综合素质，即分析问题和综合解决实际问题的能力。具体地说，对于材料课程中纯理论的知识，如金属学原理中的晶体理论、合金的构造等只作简单的介绍;而对于课程中的铁碳合金相图和船机零件的选材，则可以花较多的时间进行分析。可以从零件的工作条件、失效方式，对材料性能的要求，常用的几种材料各自的优缺点，常用的热处理方法等进行专题的讨论;注重材料选用的演变过程，树立材料更新换代的观念，重视材料发展动态，树立自主学习和终身教育的理念;强调课程中的实践环节，它包括课程实验和上船见习两大环节，培养学生独立的实验技能和创新思维的能力;重视专业课程之间的渗透，强化环境保护和节约资源的意识，培养综合型、高素质的工程应用型人才。

5.培养学生应用工程师的语言，树立工程意识、责任意识和安全意识。高等院校向来是工程师的摇篮，如何让这些未来的工程师们熟练地应用自己的语言是我们教学过程中所面临的又一重大任务，毕竟它体现了一个工程技术人员的专业素养。而所谓工程师的语言实质上是专业术语在生产实践中的实际应用。专业术语是专业知识的核心，只有掌握和积累足够多的专业知识，才能熟练应用专业术语。因而在教学过程中，教师应通过言传身教、潜移默化地去影响学生，提高他们使用专业术语的频率，养成一种规范表达的习惯。现代化的工程活动是一个融科学、技术、经济、人文、社会等因素于一体的综合性立体工程。这就要求我们未来的工程师们具备综合的素质，除了专业知识，它必须具备工程意识、责任意识和安全意识。通过工程上的正义感、责任心和敬业精神来真正实现科学和技术价值的职业道德意识。这也是我们素质教育的根本，作为工程技术人员，在考虑材料适用性的同时，必须兼顾经济效益和社会问题，社会问题包括:能源消耗问题、资源利用问题、环境保护问题等等，它关系到人类自身和子孙后代的生存问题，这是每个工程技术人员所必须具备的责任感和使命感。此外，要着重培养学生的安全意识，安全是企业的生命线，这绝不是一句空话。比如发生在2006年7月21日一起因材料原因造成的重大安全事故，当天上午8时许，西北铁合金公司第四冶炼厂发生的一起铁水包坠落事故，造成11人烧伤，其中7人伤势严重。事故原因是由于铁水包内的耐火砖渗漏导致铁水包外壁的铁环被熔化而脱落。事故的悲惨性常常是触目惊心的!也是在这一刻，他们才能意识到:一个工程技术人员所必须承担的责任。因而在教学过程中我们一定要强化学生们的使命感和责任感，培养他们“认认真真”做事的基本态度和“实实在在”解决问题的能力。

三结束语

总之，随着全球经济一体化，科学技术综合化的发展，需要我们培养出一批批具有创新精神和实践能力的高素质应用型人才;同时也对我们教师提出了更高的要求，教师本身必须具备丰富的工程实践的知识和能力，必须具备开拓进取的意识，才能做到寓素质教育于课程教学之中。