《金属材料与热处理》在技工教学中的探索
梁晓江 机械工程系
[摘要] 金属材料与热处理课程，是技工学校机械与机电专业的一门基础学科。具有实践性强，与生产实际联系紧密，内容庞杂，从分子排列到结晶架构，名词概念多，在教学过程中容易过于单调，使学生失去兴趣。在金属材料与热处理课程教学改革实践中，从激发学生的学习兴趣入手,培养并逐步提高学生的动手、分析和解决问题的能力,从而掌握材料的性能并懂得选好用好材料。本文从教学模式、教学方法和能力培养等方面作了一些尝试和探索。
[关键词］中技教育 材料性能 学习兴趣 教学探索
金属材料与热处理是技工学校机械专业和机电专业中的一门专业基础课程，该门课程有着自己的显著特点。首先，该课程内容庞杂，涉及冶金学、金属学、材料学、力学、物理学、化学及工艺学等多个方面的知识，综合性很强，对于初学者而言难度较大；其次，该课程强调理论，设计内容主要是一些概念定义、专业术语、微观理论分析等，枯燥无味，十分单调，难以引起学生的兴趣；再次，该课程实践性很强，与生产实际紧密联系，而大部分学生几乎从来没有接触过相关的生产应用工艺，感觉课程的知识点十分抽象，不易掌握；最后，该课程的理论系统性很强，各部分内容联系紧密，逻辑关系严密。
由于这门课程具有以上的种种特点，不少学生反映，在金属材料与热处理这门课程的学习中会感到比较困难，逐渐失去信心和学习兴趣。面对好奇心极强且文化基础知识较单薄的中技学生，如何激发其学习兴趣和动力，启发学生的思维，并逐步向纵深拓展，最终熟练掌握所学的内容并能够在实际中有所应用，为其它学科打下良好的基础，培养出一批高素质的专业人材，这是当前高级技工教师面临的主要课题，也是其锲而不舍的追求。在这几年教学中，笔者对金属材料与热处理的教学作了一些探索，把握了一条主线，即材料成分 组织 性能 性能改造（热处理） 合理应用，围绕着主线组织教学活动，获得了一些成效，学生们普遍反应不错，主动学习热情提高了，学习效率也有所提高，对知识点的理解比较全面和深入。笔者现对教学的实践方法总结如下：
金属材料的力学性能部分是教学的一个重要环节，只有掌握其性能的含义，才可能选好并用好材料，但该课程内容较为抽象，如果采用平铺直叙的讲述法，很难提起学生的兴趣，教学上不易达到预期效果。在教学中，采取引入悬念的形式，击发学生的参与欲望，收到了较好的效果。
如在讲述“冲出韧性”这一内容时，书中定义是指金属材料抵抗冲击载荷作用而不被破坏的能力。这个概念中涉及到中学物理的能量守恒定理、能量转换知识、冲量等，中技学生很多都没能掌握好这些理论，给教学增加了难度。针对这一情况，我先利用视频播放系统播放一段著名的泰坦尼克号邮轮沉没的电影片段，演示了冰山撞击邮轮使其沉没悲剧发生的全过程，并说明：泰坦尼克号邮轮是当时世界上最大、最豪华、设计最先进的邮轮,具有很高的安全性。事故引出两个问题：
问题一：为什么泰坦尼克号邮轮在与冰山撞击后在短短的三小时内沉没，是什么原因使它沉没？
问题二：从材料性能上考虑，是什么指标不足引起了这一人类航海史上的重大悲剧？
通过学生对上两个问题的思考和回答，充分调动起学习兴趣和积极参与欲望，课堂教学变成了学生进行科学探究的过程。
然后，说明泰坦尼克号邮轮是由于冲击引起船体开裂入水而沉没。为什么船体会开裂？应选用何种材料才能承受如此强裂的冲击呢？下面我们来讨论材料这一力学性能。从而引入衡量承受冲击载荷的性能指标：“冲击韧性” 。……
好奇之心，人皆有之,利用悬念猜想这一“催化剂”,引起学生的极大兴趣，创设新奇的教学情境,使学生置身其中，往往可以收到事半功倍的教学效果。学生在猜测过程中，会产生心理上的焦虑、渴望和兴奋,这种深入探究事物奥秘的心态，能充分调动学生的学习积极性，把“要我学”变成“我要学” ，追究事物产生的根源，这正是教学所需要的。
二、利用生活例子，讲述复杂原理
金属材料热处理中的“淬透性”概念在教科书中介绍较为抽象，学生不易理解。
书中的概念是：在规定条件下，钢在淬火冷却时获得马氏体组织深度的能力。这样的定义，学生一般理解为：
（1）马氏体都是一样的物质；
（2）深度表现为层面的不同；
（3）能力表现为速度的快慢。
这样的理解很显然是不够的。如果老师进一步说明是表示硬度深入组织深度的能力，很多学生还是不大清楚。
在教学中，利用生活上的例子，说明了概念表达的完整含义。
启发式地提出生活中的事件：在家里煮番薯一般可能出现什么状况（现象）？
这些问题，一般学生都遇到过，有切身体会，回答十分积极、踊跃，课堂气氛十分热烈，最终可归纳为三种现象：
（1）煮熟了；
（2）半生熟；
（3）未煮熟，还是生的。
再进一步分析其各种状况的表现：
第一种状况的表现为：表面与中间都熟了（表现为组织和成分在各层面上都一样），各个位置的硬度等力学性能都相同；
第二种状况的表现为：表面熟了而中间还是生的（表现为成分相同而组织不同），其表面的硬度较低而中间的硬度较高，表里硬度相差较大（钢的热处理情况则相反）；
第三种状况的表现为：根本与未煮过的一样，硬度没有发生变化。
这些不同的表现，是什么原因引起的？是温度！
 钢的热处理在一定的范围内与煮番薯有相同之处，都是通过 “加热 保温 冷却”过程。在这一过程中，不同的处理方式（工艺过程）会得到不同的结果。以上的第一种情况，如果换成热处理的概念，就是淬透了（熟透了）。在规定条件下，容易淬透的材料，我们就称该材料的淬透性好；否则，我们认为该材料不易淬透或淬透性较差。淬透性与材料的成分有关，一般来说，铁碳合金比合金钢的淬透性差些。 日常生活中有许多现象，人们往往习以为常，熟视无睹，其实这些现象往往包含着科学原理。如果我们结合教学内容，利用这些贴近学生生活的现象，分析与之类同的一面，举一反三，使学生容易理解，并加深认识，提高学习兴趣，收到明显的教学效果。
三、 引入实验教学，培养分析能力
金属材料与热处理是一门与生产实际联系比较密切的实验学科，很多概念都是由生产实践中总结出来的。结合教学内容，在教学过程中，我们可以设计一些小实验，增加学生的学习兴趣，提升学生的动手能力，也可加深学生对课程内容的理解，给教学带来明显的效果。
在讲述退火（正火）与淬火的内容中，结合我校的实际，设计了如下简单小实验：
请两位（或两组）同学参与实验。
（1）器材：
弹簧钢丝（高碳钢，三小段）、普通铁丝（低碳钢，三小段）、酒精灯、水杯（盛三分之二的水）、火柴。
（2）实验过程：
点燃酒精灯。
把两段弹簧钢丝放在酒精灯上同时加热到赤红色，分别投入水中和空气中冷却；再把两段普通铁丝放在酒精灯上同时加热到赤红色，分别投入水中和空气中冷却；其余两段不作处理。
（3）观察分析：
用工具将上述六段试样，分别作弯曲等试验比较，得出如下结果：
a、观察、对比各小段的力学性能，它们各自的变化是：弹簧钢丝硬度排列是（渐低）水中冷却、没加热试样、空气中冷却；普通铁丝也存在这一现象。
b、同是在水中冷却的弹簧钢丝与普通铁丝比较，弹簧钢丝的硬度较高。
c、同是在空气中冷却的弹簧钢丝与普通铁丝比较，弹簧钢丝的硬度较高。
（4）实验结论：
钢经热处理后的组织发生了变化，力学性能与冷却速度有关，也与成分有关。
钢在加热保温后，在空气中缓慢冷却过程，称为正火；可以认为是退火中的一个特例。
钢在加热保温后，在水中快速冷却的过程，称为淬火。这种快速冷却过程可得到马氏体组织，使硬度等力学性能有较大提高。
通过小实验，使学生对书本的感性认识，提升到理性认，也增加了学生的分析能力和动手能力。学到的东西能够及时地运用到生活当中，使学生有一种成就感，更能转化为进一步学习的动力。如要强化学生对此理论的进一步认识，可以组织一节讨论课，让学生搜集相关资料，讨论实验改进方法，或者讨论生产实际的应用，等等。把所学的知识运用到实际生产应用中，真正做到，源于书本，高于书本。
四、引导学生思考，提高应用能力
在教学中，要注重学生观察能力和分析能力的培养。学生在今后的学习或工作中，要具备较高的职业素质和职业技能，面向企业，面向社会，学会查阅和应用技术资料，吸收别人的经验和成果，是必须掌握的一项基本功。为此，在教学过程中，有意识地给学生创造使用图表、手册的条件，以培养和加强学生应用资料的能力，更重要的是通过归纳总结，找出具有规律性的现象，为应用好材料打下基础。
如在讲述碳素钢这部分内容时，上了一节讨论课，讨论了如下课题并要求在课后完成作业（要求用图表表示）：
（1） 碳素钢中碳含量的变化及热处理的方式，对其性能上有什么影响？
（2）它们在性能上有些什么变化规律？
课后，同学们积极查找资料，认真分析、讨论，甚至争论，都行动了起来，在理解课程内容的同时，增加了学生的分析能力和动手能力，最终学生列出了如下关系图：
图一： 铁 + 碳 + 各种常存元素 （材料的化学成分）
  控制温度 （不同的温度及变化率）  材料的内部组织结构 （会存在不同的组织架构）
材料的力学性能 （材料的选用依据）
这个关系图清楚地表明：当材料的成分确定之后，外部控制因素（温度）可以改变其组织架构，从而在一定范围内改变其力学性能，为热处理的应用打开下基础；
图二：
碳素钢含碳量的变化 (从0.0218～2.11％)
～0.0218％ 0.0218～0.77％ 0.77％ 0.77～2.11％
单相铁素体 铁素体+珠光体 珠光体 珠光体+渗碳体（组织）
冲击韧性、塑性 逐渐变弱
强度、硬度、耐磨性 逐渐变强
这个关系图清楚地表明：碳素钢含碳量的变化，在一定条件下，其组织构成是不一样的，所显示的力学性能也发生了变化。
同学们通过讨论、分析，找出了上述规律。很容易掌握了为什么碳素钢含碳量越多钢材的强度、硬度、耐磨性越高，而冲击韧性、塑性反而下降了，都是因为含碳量的变化，改变了碳素钢的内部组织，组织的变化必然引起力学性能的变化。
进一步可以引导学生，运用图表的方法，总结书本中的知识点，通过横向和纵向的比较，寻找各章节知识点的内在联系与区别，这样记忆起来比较容易，并且能够加深对知识的理解,应用起来会得心应手。学生学到的不仅仅是单一的理论概念，更重要的是，掌握一种学习的方法，一种自我提升的能力。
五、结束语
教学效果的好坏，关键在于教师的教学过程及方法，能否引起学生的共鸣，能在教学过程中形成互动，使学生有饱满热情投入到学习情景中去，变生硬死板的知识概念记忆成为通俗易懂的生活例子。利用日常具体事例，结合学生的学习情况，运用多种教学手段和方法，如采用实物讲解、多媒体动画及图象、图表、小实验、小游戏等形式，使学生有看得见，摸得着的感觉，极大地提高学生的学习兴趣，把抽象的概念，演绎成简单的容易掌握的贴近社会的知识，最终成为技能，这样的效果我们在教学探索中不断改进、完善。使学生成为高素质的技工人才，是老师教研、教改中追求的目标。
参考文献
1、房世荣主编 工程材料与金属工艺学； 机械工业出版社 1994
2、史美堂 金属材料与热处理 上海科技出版社 1990
3、杨慧智主编 工程材料及成型工艺基础 机械工业出版社 2006
4、蒋敏球主编 模具材料与热处理 中国劳动社会保障出版社 2008
5、谢一风 高职教育教学改革与实践 经济出版社 2006
|
