[摘要]在新工程教育的背景下，創(chuàng)新工程教育的內容以及方式與手段都將是培養(yǎng)具有競爭力的新型復合型工程科技人才的重要內容。該論文基于面向能源與動力工程類專業(yè)的工程材料教學研究與實踐，提出了構建能源與動力機械、材料和系統(tǒng)科學的跨學科“學科串”的學習方式、以“可持續(xù)材料與能源體系”為中心的教學思想、強化學生解決能源與動力系統(tǒng)未知與復雜問題的思維，將提高該課程的教學效果。

　　[關鍵詞]能源與動力類專業(yè);工程材料;工程教育;教學評價

　　科技革命不斷在推進，全球的競爭日趨表現(xiàn)為科技的競爭。2017年8月，麻省理工學院啟動了“新工程教育轉型”(NewEngineeringEducationTransformation，簡稱NEET)計劃[1]，旨在重構麻省理工學院的工程教育學，從根本上對工程教育進行一次系統(tǒng)性反思和變革。其中，學生的學習方式及學習內容成為該次變革的重點。該次新工程教育轉型將為培養(yǎng)引領未來產業(yè)界和社會發(fā)展的領導型工程人才。

　　能源方向評職知識：新能源電力系統(tǒng)開放課題

　　我國在“中國制造2025”等重大項目的實施下，自2017年2月以來，教育部積極推進新工科建設[2]，引導高校從產業(yè)需求的角度進行學科建設以此創(chuàng)新工科專業(yè)新結構、融合創(chuàng)新工程教育方式與手段、探索新工科自主發(fā)展新模式，旨在為我國未來產業(yè)界培養(yǎng)具備國際競爭力的創(chuàng)新型卓越工程科技人才。創(chuàng)新工程教育的內容以及方式與手段都將是培養(yǎng)具有競爭力的新型復合型工程科技人才的重要內容。

　　眾所周知，能源與動力工程類專業(yè)主要致力于傳統(tǒng)能源的利用、新能源的開發(fā)與如何更高效地利用能源，也包括內燃機、鍋爐、航空發(fā)動機、制冷及相關測試技術。傳統(tǒng)的培養(yǎng)模式主要通過動力工程及工程熱物理相關基礎理論訓練，培養(yǎng)能夠開展動力機械與熱工設備設計、運行、實驗研究的動力工程師。然而，隨著未來新機器的不斷涌現(xiàn)以及新工程體系的建立，未來的工業(yè)體系將由物聯(lián)網、自動化體系、機器人體系、智慧城市、可持續(xù)材料與能源體系、生化診療、大數據將組成[3]。

　　在“新工科”背景下，相應的工程教育應面向工業(yè)體系的未來實際需求。因此，相關課程教學設計也應針對未來新工業(yè)體系做出相應調整。“工程材料”是高等學校機械類專業(yè)及近機械類專業(yè)必修課之一。學習內容主要包括機械工程材料性能、金屬學、熱處理、常用機械工程材料四方面。該課程要求學生不僅要在有關課程學習的基礎上注意系統(tǒng)的理論學習，還要結合專業(yè)要求，理論聯(lián)系生產實際，重視實驗環(huán)節(jié)，遵循實踐—理論—再實踐的認識規(guī)律來學習，以培養(yǎng)分析、解決問題的能力。在新工程體系的背景下，該課程的開展要在學習內容與方式上與時俱進，為新機器時代的工科教育打好基礎。

　　一、傳統(tǒng)機械工程材料的教學

　　在學習內容方面，“工程材料”課程以金屬材料“成分—性能—組織”為主線促進學生理解材料化學成分、組織與性能之間的關聯(lián)，掌握結晶、塑性變形、熱處理與合金化的基本原理，能夠合理選擇材料、正確設計熱處理方案等基本技能。金屬材料的介紹、鋼的熱處理以及如何正確選用材料構成該課程基礎的重點內容。著重以材料“成分-結構-工藝-性能-應用”為主線強調金屬材料工程應用的重要性。該課程將理論教學與實驗相結合，促進學生理解基本理論知識與實際材料性能之間的內在聯(lián)系，培養(yǎng)學生實踐的能力與獨立解決問題的能力，為后續(xù)相關的學習與工作做好準備。然而，該課程的教學現(xiàn)狀卻存在一些問題諸如教學內容之間的邏輯關系不明顯、知識點之間的系統(tǒng)性差，導致教學效率不高[4]。教材主要集中于基本概念、基本理論、基本方法，對一些前沿的新突破、新工藝的更新相對不及時。另外，由于該課程是一門專業(yè)基礎技術課，對于能源與動力工程類專業(yè)的針對性不強。

　　因此，需要提出該課程與能源與動力工程類專業(yè)有關聯(lián)的教學科研問題以提高學生的興趣和教學效率。一般地，“工程材料”課程實驗教學內容主要包括金屬硬度試驗、平衡狀態(tài)下碳鋼顯微結構的觀察分析以及碳鋼的熱處理。這三個試驗的目的是加深理解該課程理論主要內容，并提高學生的實踐能力。首先，硬度是材料的重要機械性能之一，與其他機械性能有相互對應關系。相對于工程材料的其他性能，硬度測試可操性強。因此，硬度試驗成了判斷金屬材料或零件質量的重要手段。學生需要根據布氏或者洛氏硬度測試原理，掌握布氏或者洛氏硬度機的原理以及操作規(guī)程。在我校的教學實踐中，洛氏硬度測試采用HR-150A型機械式硬度機，而布氏測量采用HB-3000型電子布氏硬度機。

　　布氏或者洛氏硬度測量根據《金屬布氏硬度試驗方法》-GB/T231.1-2009以及《金屬洛氏硬度試驗方法》-GB-T230.1-2018規(guī)定。實驗要求每名學生都要進行布氏或者洛氏硬度測定。其次，觀察分析平衡狀態(tài)下碳鋼顯微結構是重要的實驗內容。通過認識碳鋼在平衡狀態(tài)下的顯微組織，驗證鐵碳合金微組織與Fe-Fe3C相圖的關系。學生除了要了解金屬材料顯微組織試驗的制備方法之外，還要熟練掌握顯微鏡操作，以獨立進行顯微組織觀察。要求學生會用鐵碳合金的組織面積估算亞共析鋼的含碳量。能夠繪制Fe-Fe3C狀態(tài)圖，將含碳量為0.2%、0.4%、0.77%和1.2%的碳鋼在狀態(tài)圖上標出，并能夠對應其在平衡狀態(tài)下的顯微組織。

　　最后，該課程通過碳鋼的熱處理這一實驗使學生熟悉碳鋼淬火、正火、回火的常規(guī)操作，加深理解Fe-Fe3C相圖和冷卻“C”曲線在熱處理的應用。該實驗采用45#鋼和T12鋼，使之進行完全處理或不完全處理，冷卻方式為水冷、油冷、氣冷。分析不同熱處理工藝以及碳鋼的化學成分對硬度的影響。在該課程的實驗教學組織上，這三個試驗內容相互關聯(lián)、相輔相成，貫穿了該課程的重要內容。在教學方法上，啟發(fā)式[5]、案例式[6，7]等教學方法已經用于“工程材料”的教學過程并收到了良好的效果。近年來，雨課堂[8]、藍墨云[9]、慕課[10]等豐富了教學手段，調動了學生學習和探索積極性，促進了學生對重點知識的掌握程度。在2020年春新冠病毒疫情期間，雨課堂、騰訊課堂等網絡教學工具成為春季學期主要的教學載體，我校該課程的理論教學工作得以正常實施。

　　二、面向未來新機器與新工程體系的機械工程材料教學

　　未來的工業(yè)體系將融合信息、生物、材料等不同領域的優(yōu)勢，將展現(xiàn)出高度的整合性、復雜性、連通性、自主化以及可持續(xù)發(fā)展等特色[3]。為了銜接面向未來的新機器與新工程體系，應亟須改進“工程材料”課程現(xiàn)有的學習方式和學習內容。基于此，該論文提出以下三點設想：

　　(一)構建能源與動力機械、材料和系統(tǒng)科學的跨學科“學科串”的學習方式針對能源動力類專業(yè)的學生，在學習機械工程材料過程中，教師引導學生提出以項目為中心，以解決能源領域科研或者工程問題，以“學科串”的形式，要求學生組成一個圍繞共同項目的團隊。學生通過團隊合作以及分工，查閱資料調研，對比分析確定研究/實施方案。實踐不斷完善，力求解決問題。不同學科交叉的科研/工程問題，將促使學生從不同角度調研、思考產生問題的根本原因，從而找出問題的解決方案。除此之外，學生需根據不同角度分析得到的方案，并進一步整合不同信息。這樣“學科串”的學習方式將促進學生提高能源與動力機械、材料和系統(tǒng)科學跨學科的理解深度和解決問題的能力。

　　(二)構建以“可持續(xù)材料與能源體系”為中心的教學思想

　　未來的工業(yè)體系將融合機械、信息、分子、生物、能源，對傳統(tǒng)能源體系提出了更高的要求。基于此，可持續(xù)發(fā)展的能源體系將關注節(jié)約能源、清潔生產、提高能源利用效率及開發(fā)新能源與再生能源、改善生態(tài)環(huán)境和持續(xù)農業(yè)與林業(yè)生產等方面[11]。

　　建立未來的新機器及新工程體系，都直接或間接地與材料相關。因此，相關工程材料教學工作也需有效地建立可持續(xù)材料與能源與課堂教學的銜接，向學生強調先進材料與先進生產工藝流程是節(jié)約資源與減少環(huán)境污染的重要途徑。“工程材料”課程以鐵碳合金以及熱處理為重點，介紹了常用的碳鋼、鑄鐵、合金鋼、有色金屬及其合金的成分、組織、性能和用途;工程塑料、橡膠、陶瓷、復合材料等常用非金屬材料的分類、性能和用途。通過對工程材料及其熱處理過程的理解，合理選擇材料以節(jié)省資源，提高能源利用率。在該課程的授課過程中，教師不但強調以上基礎知識的重要性，還應以“可持續(xù)材料與能源體系”為中心的教學思想，構建教材的主要知識點與可持續(xù)能源體系的關聯(lián)，搭建課堂教學與工業(yè)界、產業(yè)界的橋梁。

　　(三)強化學生解決能源與動力系統(tǒng)未知與復雜問題的思維

　　新工程教育的培養(yǎng)目標是使學生能夠運用恰當的思維思考解決工程實踐中面臨的各種未知與復雜問題。在完成工程材料課程的主要章節(jié)過程，需要加強學生解決實際工程問題的能力。可通過工程實例來鍛煉學生的工程思維。

　　拖拉機變速箱的設計，時常用來鍛煉學生的實際工程問題。例如某工程實際要求受力較大，同時受一定沖擊的拖拉機變速箱，齒輪硬度55～60HRC。要求通過選擇合適的材料、確定工藝路線及熱處理工藝，加強學生解決問題的能力。拖拉機變速箱的設計涉及材料力學、工程材料以及機械設計等基本原理。為了更好地提高學生解決工程問題的能力，學生需要從實際情況出發(fā)，基于前人的基礎和成果，善于掌握和使用各種設計資料，具體分析和創(chuàng)造性地進行設計，逐漸提高學生解決復雜工程問題的能力。學生首先通過對拖拉機的工作條件，分析齒輪變速箱的主要受力及失效形式，進而選擇合適的材料和熱處理工藝。

　　三、結語

　　面向能源與動力工程類專業(yè)的“工程材料”教學研究與實踐，該論文結合未來新機器與新工程體系，提出了“工程材料”課程的創(chuàng)新型教學模式，以能源與動力機械、材料和系統(tǒng)科學的跨學科“學科串”為中心，構建可持續(xù)材料與能源體系，強化學生解決能源與動力系統(tǒng)未知與復雜問題的思維，將有效地提高該課程的教學效果。

　　參考文獻

　　[1]MITSchoolofEngineering.NEETNewEngineeringEducationTransformation[EB/OL].[2019-04-25].http://neet.mit.edu/.

　　[2]中華人民共和國教育部.關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見[EB/OL].http://www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201810/t20181017_351887.html.2020-6-9.

　　[3]數學中國[N]智能制造2019-05-16

　　作者：王美玲