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摘要：在《工程材料及热处理》课程本科教学中，引入45号钢气体压缩机曲轴断裂的失效原因案例分析，学生对热处理部分内容进行探究式学习。学生先了解案例、查阅相关资料，然后进行课堂分组讨论、教师引导，再重新查阅资料、课堂分组讨论、教师引导，最后分组总结、老师点评。这种教学模式充分调动了学生的学习积极性，较以往普通教学方法学生的掌握程度有了显著提高，达到良好的教学效果。其他章节也可以选择合适的失效分析案例，参考此教学模式进行改革尝试。
关键词：《工程材料及热处理》；失效分析；教学模式
本文引用格式：刘艳梅,白亚茹,李妍.失效分析在《工程材料及热处理》课程教学中的应用[J].教育现代化,2019,6(76):182-183.
在材料成型及控制工程和机械工艺技术专业本科教育中，《工程材料及热处理》课程是必修的专业基础课，是机械设计及机械制图等基础课程与专业课程的桥梁，起到承上启下的作用。通过本课程的学习，学生应掌握材料的结构及结晶理论、材料塑性变形理论、热处理、常用的材料及选用方法等，指导学生将来从事专业相关的设计、制造、使用和维修过程中的正确选材和合理用材[1-2]。
《工程材料及热处理》课程开设较早，在大一下学期，对学生来说课程中陌生的专业术语多，知识点多而杂，导致内容难理解，难以整体认知和掌握，是学生学习的根本问题。针对这种情况，根据实践导向的教育课程改革，承担《工程材料及热处理》课程教学任务的相关教师进行积极的研究探索，进行了一些有益的探索[3]。采用在《工程材料及热处理》授课过程中适当引入相对简单的失效分析案例，把课程内容融入失效分析案例中，很好的激发了学生的学生兴趣，加深了学生对内容的理解，取得了较好的教学效果。
《工程材料及热处理》课程内容虽多，但可以很容易地将内容分成几个相对独立的部分，如材料的结构及结晶、金属的塑性变形、相图、金属材料热处理等。所以就每一部分选取一两个失效分析案例，能够将此部分内容串联起来，可以对该部分内容有更加整体和具体的认识。以金属热处理部分的内容为例，引入材料牌号为45号钢的某气体压缩机曲轴在试车过程中断裂的案例，通过老师引导学生进行案例分析、教师讲解点评的方式进行授课，完成金属热处理的教学。
一教学内容设计
金属热处理内容在《工程材料及热处理》课程中材料结构、结晶、塑性变形等内容之后，学生对材料学科基本理论部分都有了一些了解，具有一定的材料科学的基础储备，但知识点比较分散。引入45号钢的气体压缩机曲轴断裂失效分析案例后，结合前面所学内容，起到将知识融为一体，加深理解的作用。曲轴是空气压缩机十分重要的零件之一，它是不断周期性的变化气体力、往复和回转运动质量的惯性力以及它们的力矩的共同作用下来进行工作的，其对空气压缩机的平稳，减少机器震动起着重要的作用。45钢是应用最为广泛的优质中碳钢，作为为本科生授课典型案例的材料非常合适。此气体压缩机曲轴的断裂与热处理工序有直接关系，因此选取该机械部件断裂失效分析作为热处理部分的案例。
在教学过程中，学生先了解案例、查阅相关资料，然后进行课堂分组讨论、教师引导，再重新查阅资料、课堂分组讨论、教师引导，最后分组总结、老师点评，采用这种教学模式引导学生探索式学习。
1.首先提出案例，引出热处理的概念，并逐步深入。某型气体压缩机曲轴（45钢）断裂，给出断裂压缩机曲轴图片，达到场景震撼，介绍曲轴是空气压缩机十分重要的零件之一，其对空气压缩机的平稳，减少机器震动起着重要的作用，45钢是优质中碳钢，应用最为广泛。引导学生思考这样的压缩机曲轴都经过哪些工序生产。冶炼、铸造是原材料生产的第一步骤，冶炼、铸造与前面材料的结晶和金属的结构知识点联系密切，作为生产曲轴的材料在铸造过程中需要严格控制45钢的成分与缺陷。铸锭经过锻造及机械加工成型为曲轴，锻造过程与前面金属材料的塑性变形的知识点密切相关。在铸造、锻造、成型和机械粗加工过程中都涉及到热处理的合理选择的问题。因此这个案例能将前面学习到的铸造结晶、塑性变形的知识点串联起来。布置课下的查阅资料作业，要求了解压缩机曲轴材料需要的热处理工艺以及材料在热处理后所能达到的力学性能，并充分了解热处理概念、分类及应用。
2.学生查阅相关的材料手册和专业期刊等资料，了解45号钢的生产工序，就本压缩机曲轴断裂可能的原因进行课下思考、探讨。资料包括45号钢材料在使用时应满足的力学性能（包括拉伸性能及硬度性能），以及要达到这些力学性能指标需要对原材料经过哪些工序。了解确认这些工序合格的要求，从材料的成分、组织和力学性能几个方面进行思考、整理资料。查阅资料对本科生自学能力的培养极其重要，材料手册及专业期刊的资料及的应用是材料学科应用能力的重要方面，因此查阅资料过程也是材料科学专业素养的培养的重要环节。
3.通过课下充分的查阅资料及准备后，在课堂上分成小组，对查阅的45钢及其他钢种的热处理的相关内容进行讨论。讨论时允许同学带上相关资料，也可以现场使用手机网络进行现场查找资料，进行面对面，有针对性的深入探讨学习。教师在不同的分组中听取讨论内容，并给以适当的提示及引导。每个小组经过讨论，形成问题提纲。教师给出45钢压缩机曲轴断裂件的成分、高倍组织和性能数据，以及曲轴的热处理要求。每组学生记录45钢压缩机曲轴的成分、性能数据和曲轴的热处理要求（正火+球化退火），以备后面使用。教师点明45钢压缩机曲轴的显微组织为珠光体和铁素体的混合物，为退火组织。由退火组织提出热处理的分类及对不同的热处理方式对组织的影响。要求学生列出查阅资料和讨论时遇到的问题，教师给以适当的回答和引导，进而指导学生就遇到的问题再次查阅资料。并统一要求查阅45钢经正火+球化退火的组织和性能的相关资料，以及45钢淬火及回火的组织和性能的资料。要求课后掌握这些概念及目的，以深入了解45钢气体压缩机曲轴断裂与热处理之间的可能关系，并给出曲轴断裂可能原因。
4.经过查阅资料和深度学习后，再次分组课堂讨论45钢热处理的组织和性能，及金属热处理的温度选择原则。通过学习和讨论，学生对钢的几种最基本的热处理模式退火、正火、淬火、回火有了充分的理解和掌握。45钢经正火+球化退火的组织为铁素体+粒状珠光体，硬度>90HRB。断裂的45钢压缩机曲轴的显微组织为粗大的铁素体+珠光体，硬度75HRB，为典型的退火组织。断裂的45钢压缩机曲轴的成分与材料手册中的成分相符，显微组织和性能不能满足压缩机曲轴的组织和性能要求，因此导致曲轴断裂。学生不但对金属材料热处理的基本概念和理论有了充分理解，也对热处理在实际生产中的应用有了直观的认识。教师进行进一步引导，理解和掌握调质、表面淬火和化学热处理概念及应用[4]。
5.要求学生分组课下对45钢压缩机曲轴的断裂原因进行全面系统的总结，并形成报告，教师对报告进行点评。金属热处理部分在《工程材料及热处理》课程中材料结构、结晶、塑性变形等内容之后，学生对材料学科基本理论部分都有了一些了解，具有一定的材料科学的基础储备。通过失效分析的总结报告，是对材料知识的整体应用，学生对热处理部分以及前一部分的知识的进行梳理，全面把握，又加深了学生对基础理论知识的理解和掌握。教师通过报告了解学生对知识的掌握程度，再在课堂上有针对性地对前面的知识进行查缺补漏，并前面所学知识的应用进行高度总结概括。经过学生和教师两遍梳理，学生对《工程材料及热处理》知识的掌握有了系统性的提升[5]。
二结语
综上所述，在《工程材料及热处理》课程教学中融入失效分析案例，使学生在对案例的不断探究中学习专业理论基础知识，带着问题查阅资料，充分调动学生的学习积极性。在45钢压缩机曲轴的断裂原因的探究过程中，对材料结构、结晶、塑性变形、热处理知识有了整体的理解和掌握，较以往普通教学方法学生的掌握程度有了显著提高，达到良好的教学效果。另外，对其他章节也可以选择合适的失效分析案例，参考此教学模式进行改革尝试。
参考文献
[1]梁维中,宋良,陈永生,等.材料成型及控制工程专业订单培养模式的研究[J].黑龙江教育(理论与实践),2019(03):33-34.
[2]方琴,陈庚,李艳丽,等.高职院校《工程材料》课程教学模式探索[J].教育教学论坛,2019(02):249-250
[3]关春龙,卢新坡,任瑛,等.工程认证背景下基于学习成果(OBE)材料工程基础课程改革[J].山东化工,2019,48(05):187-188+190.
[4]李方圆.信息化手段在中职化工专业课程教学中的应用[J].教育现代化,2019,6(47):261-262.
[5]李英杰.翻转课堂教学法在计算机网络技术课程中的应用[J].教育现代化,2016,3(12):107-108.
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