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簡(jiǎn)析航空類(lèi)專(zhuān)業(yè)工程材料學(xué)課程教學(xué)改革的論文
“工程材料學(xué)”是航空主機類(lèi)專(zhuān)業(yè)(包括飛行器設計與工程、飛行器動(dòng)力工程、飛行器制造工程和機械工程等專(zhuān)業(yè))的學(xué)科基礎課程。該課程雖然僅有48學(xué)時(shí)，但承擔著(zhù)為未來(lái)的航空工程師構建材料知識體系的重任，對學(xué)生今后的發(fā)展起著(zhù)重要作用。本文結合近年的工作實(shí)踐，對該課程在教學(xué)要求、教學(xué)內容和教學(xué)方法等方面的改革進(jìn)行研討。
一、高度重視航空和材料領(lǐng)域發(fā)展對“工程材料學(xué)”課程教學(xué)的影響
材料學(xué)既是基礎科學(xué)，也是應用科學(xué)。材料科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，解決了很多工程領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題，有力地推進(jìn)了相關(guān)科學(xué)和技術(shù)的進(jìn)步，使得材料科學(xué)成為最活躍的科學(xué)領(lǐng)域，材料產(chǎn)業(yè)也成為國民經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)�！肮こ滩牧蠈W(xué)”以物理學(xué)、化學(xué)等理論為知識基礎，系統介紹材料科學(xué)的基礎理論和實(shí)驗技能，著(zhù)重培養學(xué)生把這些知識應用于解決工程實(shí)際中提出的對材料結構、性能等方面問(wèn)題的能力。作為一門(mén)重要的學(xué)科基礎課程，“工程材料學(xué)”具有較長(cháng)的開(kāi)設歷史，在人才培養中發(fā)揮了重要的作用。航空航天領(lǐng)域的發(fā)展對工程技術(shù)人員的能力素質(zhì)提出了更高的要求，特別是“卓越工程師”教育培養計劃的實(shí)施，對工程類(lèi)課程建設的需求更加迫切，有必要以新的形勢為背景反思該課程的教學(xué)改革。航空以眾多學(xué)科知識、先進(jìn)研究成果為基礎，已發(fā)展成為一個(gè)由多個(gè)分系統組成的大系統，需要工程技術(shù)人員采用系統工程的方法進(jìn)行綜合設計�，F代航空技術(shù)一百多年的發(fā)展，使得人們可以在更大的范圍內探索天空，也使得飛行器的工作條件更加惡劣，工作環(huán)境更加嚴苛。
現代飛行器不僅要具有速度快、航程大、載重多等特點(diǎn)，還要滿(mǎn)足節能低碳等要求。材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為解決航空航天領(lǐng)域的諸多難題提供了可能，“一代材料，一代飛機”已成為飛行器發(fā)展公認的規律。這對航空航天工程技術(shù)人員的材料知識提出了更高的要求。在飛行器及其主要部件的設計、制造和維護工作中，要全面認識材料的性質(zhì)和特點(diǎn)，才能挖掘材料的潛能，充分利用材料的特性，滿(mǎn)足工作需要。面對航空航天迅猛的發(fā)展形勢，僅了解和掌握已有材料的知識是不夠的。具有創(chuàng )新素質(zhì)的工程技術(shù)人員，要了解材料科學(xué)與工程的發(fā)展方向和趨勢，分析材料領(lǐng)域的發(fā)展對航空航天領(lǐng)域的影響，同時(shí)要認真研究具體工作對新材料、新工藝的要求，明確材料發(fā)展的需求。在新型飛行器的研發(fā)過(guò)程中，要綜合考慮用戶(hù)對飛行器總體性能的多種要求，對各項技術(shù)參數進(jìn)行統一的優(yōu)化。在落實(shí)對飛行器性能的要求時(shí)可以發(fā)現，很多要求是相互矛盾的，比如飛機的航程和機動(dòng)性就存在著(zhù)較大的矛盾。為了獲得較好的綜合性能，需要對飛機進(jìn)行一體化設計，要及時(shí)掌握各種設計方案對飛機主要材料和工藝的要求，對飛機整體結構進(jìn)行綜合優(yōu)化。在此過(guò)程中，各部門(mén)工程師都需要和材料系統密切配合，才能實(shí)現信息和資源共享，降低全系統的風(fēng)險，提高系統的可靠性和綜合性能。材料科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展也對課程教學(xué)提出了新的要求。材料科學(xué)與技術(shù)是研究材料成分、結構、加工工藝與其性能和應用的學(xué)科。在現代科學(xué)技術(shù)中，材料科學(xué)是發(fā)展最快速的學(xué)科之一，在金屬材料、無(wú)機非金屬材料、高分子材料、耐磨材料、表面強化、材料加工工程等主要方向上的發(fā)展日新月異，促使“工程材料學(xué)”課程內容的不斷充實(shí)。
“工程材料學(xué)”課程要系統講授材料科學(xué)與技術(shù)的基礎理論和實(shí)驗技能，使得學(xué)生掌握工程材料的合成、制備、結構、性能、應用等方面的知識。早期的航空工程結構以自然材料為主，如在美國萊特兄弟制造出第一架飛機上，木材占47%，普通鋼占35%，布占18%。
隨后，以德國科學(xué)家發(fā)明具有時(shí)效強化功能的硬鋁為代表，很多優(yōu)質(zhì)金屬材料被開(kāi)發(fā)出來(lái)，使得大量采用金屬材料制造飛機結構成為可能，也使得研究者們投入了更多的精力于金屬材料的探索。相應地，這一時(shí)期“工程材料學(xué)”課程內容也以金屬材料為主。上世紀70年代以后，復合材料開(kāi)始在航空領(lǐng)域應用。復合材料具有較高比強度和比剛度的優(yōu)點(diǎn)使得工程技術(shù)人員對其抱有很大的希望。航空工程師首先采用復合材料制造艙門(mén)、整流罩、安定面等次承力結構，而現在復合材料已廣泛應用于機翼、機身等部位，向主承力結構過(guò)渡。復合材料因其良好的制造性能被大量應用在復雜曲面構件上。復合材料構件共固化、整體成型工藝能夠成型大型整體部件，減少零件、緊固件和模具的數量，降低成本，減少裝配，減輕重量。復合材料的用量已成為先進(jìn)飛行器的重要標志。相應地，復合材料必然要在“工程材料學(xué)”課程中占重要地位。鈦合金的開(kāi)發(fā)和應用使得飛行器具有更好的耐熱能力，提高了發(fā)動(dòng)機、蒙皮等結構的性能，有效解決了防熱問(wèn)題�！肮こ滩牧蠈W(xué)”課程的教學(xué)內容應該及時(shí)反映材料科學(xué)在提高飛行器性能方面的新應用與新進(jìn)展。與此同時(shí)，其他相關(guān)學(xué)科也取得了長(cháng)足的發(fā)展，使得主機專(zhuān)業(yè)教學(xué)內容大幅度增加，“工程材料學(xué)”課程的教學(xué)內容和學(xué)時(shí)之間的矛盾愈加突出。
二、認真分析專(zhuān)業(yè)教學(xué)對“工程材料學(xué)”課程的不同要求
“工程材料學(xué)”課程是一門(mén)重要的學(xué)科基礎課，是基礎課與專(zhuān)業(yè)課間的橋梁和紐帶，在航空航天主機類(lèi)專(zhuān)業(yè)培養學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手和創(chuàng )新創(chuàng )造能力，提高學(xué)生綜合素質(zhì)等方面具有重要作用。在多年的教學(xué)實(shí)踐中，該課程對主機類(lèi)各專(zhuān)業(yè)采用同一標準教學(xué)。雖然主機類(lèi)各專(zhuān)業(yè)人才培養有其共性要求，但隨著(zhù)航空航天事業(yè)的發(fā)展，專(zhuān)業(yè)分工越來(lái)越細，差異化特征也越來(lái)越明顯，因此“工程材料學(xué)”課程應該充分考慮不同專(zhuān)業(yè)的具體需求，結合各專(zhuān)業(yè)的課程體系安排教學(xué)。飛行器設計與工程、飛行器動(dòng)力工程、飛行器制造工程和機械工程等主機類(lèi)專(zhuān)業(yè)根據航空領(lǐng)域中的分工培養學(xué)生，畢業(yè)學(xué)生的工作要求有所不同，對知識結構的要求也不一樣。就材料方面知識而言，不同專(zhuān)業(yè)學(xué)生也會(huì )有所區別，應按照專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)縱向劃分對“工程材料學(xué)”課程的要求。不同專(zhuān)業(yè)主要服務(wù)對象的材料特點(diǎn)是確定課程要求的主要依據。
飛行器設計與工程專(zhuān)業(yè)要全面統籌飛行器產(chǎn)品及各部件的設計和制造，主要從事飛行器總體設計、結構設計、飛機外形設計、飛機性能計算與分析、結構受力與分析、飛機故障診斷及維修等工作，要求了解材料科學(xué)與工程的發(fā)展對現代飛行器設計技術(shù)的影響，因此要較全面地掌握主要航空材料的性能、制造等方面的知識，了解輕質(zhì)高強材料的發(fā)展動(dòng)態(tài)和發(fā)展趨勢。飛行器動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)要求學(xué)生學(xué)習飛行器動(dòng)力裝置或飛行器動(dòng)力裝置控制系統等方面的知識，主要培養能從事飛行器動(dòng)力裝置及其他熱動(dòng)力機械的設計、研究、生產(chǎn)、實(shí)驗、運行維護和技術(shù)管理等方面工作的高級工程技術(shù)人才。飛行器動(dòng)力的重要部件對抗氧化性能和抗熱腐蝕性能要求較高，要求材料和結構具有在高溫下長(cháng)期工作的組織結構穩定性。因此，材料在高溫下的行為、性能和分析、選擇方法應該是該專(zhuān)業(yè)“工程材料學(xué)”課程的重點(diǎn)。飛行器制造工程和機械工程等專(zhuān)業(yè)要針對現代飛行器工作條件嚴酷、構造復雜的特點(diǎn)，采用先進(jìn)制造技術(shù)，實(shí)現設計要求，并為飛行器維護提供便利。該專(zhuān)業(yè)要求學(xué)生理解飛行器各部件的選材要求，掌握材料的制造工藝。飛行器零部件形狀復雜，所用材料品種繁多，加工方法多樣，工藝要求精細。很多新材料首先在航空航天領(lǐng)域得到應用，其制造技術(shù)具有新穎性的特征，設計、材料與制造工藝互相融合、相互促進(jìn)的特點(diǎn)非常明顯，這就要求學(xué)生在“工程材料學(xué)”課程中把材料基礎打好，適應工藝和材料不斷發(fā)展的要求。雖然各專(zhuān)業(yè)對“工程材料學(xué)”課程的要求有所不同，但課程基礎一致。
該課程名稱(chēng)為“工程材料學(xué)”，即明確其重點(diǎn)在于將材料科學(xué)與技術(shù)的成果運用于航空航天工程，把材料基本知識轉化為生產(chǎn)力�！肮こ滩牧蠈W(xué)”是相關(guān)專(zhuān)業(yè)材料學(xué)科的基本課程，學(xué)生要通過(guò)該課程了解金屬材料、無(wú)機非金屬材料、高分子材料等微觀(guān)和宏觀(guān)基礎知識，學(xué)習材料研究、分析的基本方法，掌握材料結構與性能等基礎理論，研究主要材料的制備、加工成型等技術(shù)，為更好地學(xué)習專(zhuān)業(yè)課程創(chuàng )造條件，為將來(lái)從事技術(shù)開(kāi)發(fā)、工藝和設備設計等打下基礎。由此可見(jiàn)，在明確了各專(zhuān)業(yè)對該課程的個(gè)性化要求的基礎上，更要明確共性要求�！肮こ滩牧蠈W(xué)”課程要培養學(xué)生材料方面的科學(xué)概念，提升材料方面的科學(xué)素質(zhì)，扎實(shí)的材料科學(xué)與技術(shù)知識基礎是學(xué)生學(xué)習專(zhuān)業(yè)課程、提高綜合素質(zhì)、培養創(chuàng )新能力的必備條件，是進(jìn)一步發(fā)展的基礎。因此，“工程材料學(xué)”課程采用“公共知識+方向知識”的模式比較合適，即把教學(xué)內容劃分為每個(gè)專(zhuān)業(yè)均要求了解的材料領(lǐng)域知識和根據各個(gè)專(zhuān)業(yè)特色需要重點(diǎn)介紹的知識兩部分，既滿(mǎn)足了寬口徑、厚基礎的教學(xué)需要，又注重了后續專(zhuān)業(yè)課程學(xué)習和能力培養的要求，促進(jìn)了基礎理論和專(zhuān)業(yè)應用的融合滲透，較好地滿(mǎn)足了材料、設計、制造、維護一體化發(fā)展的需要，增強了跨學(xué)科、跨專(zhuān)業(yè)認識問(wèn)題、思考問(wèn)題和研討問(wèn)題的能力。
三、多管齊下建設豐富的教學(xué)環(huán)境
作為一門(mén)學(xué)科基礎課程，“工程材料學(xué)”課程要根據學(xué)校人才培養創(chuàng )新目標和相關(guān)專(zhuān)業(yè)的人才培養標準、方案，結合卓越工程師教育培養的要求，注重與專(zhuān)業(yè)課程體系的融合，注重與工程實(shí)踐教育的結合，注重對學(xué)生創(chuàng )新意識、創(chuàng )業(yè)能力及綜合運用知識能力的培養。在充分調研與分析專(zhuān)業(yè)人才培養對課程教學(xué)要求的基礎上，要對課程的教學(xué)大綱和內容進(jìn)行修訂，與相關(guān)教學(xué)環(huán)節有效整合，拓展教學(xué)活動(dòng)的空間，營(yíng)造良好的學(xué)習環(huán)境和氛圍，加強與后續課程及實(shí)踐活動(dòng)的聯(lián)系，解決學(xué)科基礎課的教學(xué)與專(zhuān)業(yè)人才培養需求的脫節或不銜接等問(wèn)題。
“工程材料學(xué)”在第四學(xué)期開(kāi)設，是一門(mén)承前啟后的課程。在前期開(kāi)設的課程中，“大學(xué)物理”和“航空航天概論”是兩門(mén)直接相關(guān)的課程�！按髮W(xué)物理”提供了學(xué)習“工程材料學(xué)”的科學(xué)基礎，認真分析“大學(xué)物理”知識點(diǎn)在“工程材料學(xué)”中的應用，有助于學(xué)生更好地理解相關(guān)概念�！昂娇蘸教旄耪摗币院娇蘸教祛I(lǐng)域的發(fā)展為主線(xiàn)，介紹飛行器的組成及工作原理。如果在“工程材料學(xué)”課程講授之初讓學(xué)生重新回到機庫，從材料發(fā)展的角度再次審視航空航天的進(jìn)步，結合材料學(xué)的概念研究飛行器的組成及工作原理，會(huì )使得學(xué)生對該課程有比較全面的認識。在相關(guān)專(zhuān)業(yè)的后續課程中，有好多課程與“工程材料學(xué)”密切相關(guān)，如“飛行器總體設計”、“發(fā)動(dòng)機原理”、“先進(jìn)制造技術(shù)”等，如果在“工程材料學(xué)”中對有關(guān)知識點(diǎn)作簡(jiǎn)單介紹，可以使學(xué)生更好地綜合分析相關(guān)概念，加深理解。在主機類(lèi)專(zhuān)業(yè)培養方案中，“工程訓練”是集中式的工程能力培養環(huán)節，其教學(xué)內容與“工程材料學(xué)”密切相關(guān)�！肮こ逃柧殹苯虒W(xué)內容以機械制造工藝和方法為主，包括熱處理、鑄造、鍛造、焊接、車(chē)削加工、銑削加工、刨削加工、磨削加工、鉗工、數控加工、特種加工、塑性成型等，每一種制造工藝和方法都與工程材料密切相關(guān)。
在以前的教學(xué)工作中，材料是加工對象，對材料的性能等的介紹很簡(jiǎn)單，學(xué)生的認識較淺。如果在“工程訓練”教學(xué)過(guò)程中，針對不同的加工工藝和方法對材料作較深入的介紹，從應用的角度分析不同材料加工工藝和方法的適應性，可以促進(jìn)學(xué)生把材料理論知識的學(xué)習和工程實(shí)際聯(lián)系起來(lái)。通過(guò)讓學(xué)生分析研究實(shí)際材料在加工過(guò)程中的表現來(lái)認識材料的性能，通過(guò)感性認識來(lái)體會(huì )材料變化的規律，把深奧的材料科學(xué)理論知識和生動(dòng)形象的加工過(guò)程結合起來(lái)。這樣不僅強化了工程訓練效果，還能讓學(xué)生把材料的知識學(xué)活，留下更深刻的影響，更好地發(fā)揮學(xué)生的潛力。
航空航天主機類(lèi)專(zhuān)業(yè)的課程設計是重要的綜合學(xué)習環(huán)節。課程設計任務(wù)一般是完成一項涉及本專(zhuān)業(yè)一門(mén)或多門(mén)主要課程內容的綜合性、應用性的設計工作，通過(guò)一系列設計圖紙、技術(shù)方案等文件體現工作成果。很多主機類(lèi)專(zhuān)業(yè)的課程設計涉及材料的選用、處理等方面的問(wèn)題。按照教學(xué)計劃，“工程材料學(xué)”先行開(kāi)設。因此，在相關(guān)課程設計中，有目的地提出材料問(wèn)題，引導學(xué)生在更廣的范圍里選材，在更加深入的層面上分析材料性能，可以更好地調動(dòng)學(xué)生自主探究材料科學(xué)的積極性，幫助學(xué)生把材料知識轉化為初步的工作能力，克服課程知識的碎片化傾向。
四、結語(yǔ)
航空航天是現代科學(xué)技術(shù)的集大成者，該領(lǐng)域發(fā)展很大程度上取決于材料科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。材料學(xué)是航空航天工程技術(shù)人員知識結構的重要組成部分�！肮こ滩牧蠈W(xué)”要按照現代大工程觀(guān)的要求組織教學(xué)，才能實(shí)現教學(xué)目標，提高培養質(zhì)量。航空航天領(lǐng)域和材料科學(xué)技術(shù)發(fā)展，極大地豐富了“工程材料學(xué)”的教學(xué)內容。要根據學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展需要選擇教學(xué)內容，按照理論實(shí)踐結合、突出工程應用的要求構建知識體系。在教學(xué)工作中，應根據不同專(zhuān)業(yè)的培養要求，深入研究材料學(xué)的基本要求和各專(zhuān)業(yè)的發(fā)展方向，形成“公共知識+方向知識”的“工程材料學(xué)”課程結構，提高教學(xué)效率。統籌考慮專(zhuān)業(yè)教學(xué)與其他課程的聯(lián)系，以及課程設計、工程訓練、畢業(yè)設計等教學(xué)環(huán)節，以“工程材料學(xué)”課程為中心，注重課程的縱向推進(jìn)和知識的橫向聯(lián)系，不斷加深對材料學(xué)的理解和掌握，培養多角度研究分析、跨專(zhuān)業(yè)交流合作、多學(xué)科解決問(wèn)題的能力。
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