工程材料課程中的可持續(xù)發(fā)展觀

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摘要：可持續(xù)發(fā)展是未來經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境發(fā)展的方向，培養(yǎng)未來工程師和決策領(lǐng)導(dǎo)者的可持續(xù)發(fā)展觀和可持續(xù)發(fā)展能力是大學(xué)今后人才培養(yǎng)的一項(xiàng)新的內(nèi)容。本文將可持續(xù)發(fā)展的理念應(yīng)用到蘇州大學(xué)工程材料課程的本科教學(xué)中，提出融合可持續(xù)發(fā)展觀的教育方法、學(xué)生培養(yǎng)及知識應(yīng)用的新模式，為改善本科工程材料課程教學(xué)提供一種新的借鑒。

關(guān)鍵詞：工程材料課程；可持續(xù)發(fā)展；實(shí)踐創(chuàng)新；自主學(xué)習(xí)

一工程材料課程的可持續(xù)發(fā)展觀

可持續(xù)發(fā)展觀是當(dāng)代人對社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境三方面發(fā)展追求的最高境界。其目標(biāo)是能滿足當(dāng)代人的需要，又不對后代人滿足其需要的能力構(gòu)成危害的發(fā)展，一般歸結(jié)為經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展、社會的可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展?？沙掷m(xù)發(fā)展的概念具體到工程材料課程，其要旨就是培養(yǎng)具有創(chuàng)新的人才，其能為社會提供具有競爭力的產(chǎn)品，同時(shí)對環(huán)境和社會的破壞和和影響小。對環(huán)境的影響要從產(chǎn)品全生命周期評估，既要考慮從指導(dǎo)產(chǎn)品的材料的礦石開始，到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、產(chǎn)品的制造、使用、回收等產(chǎn)品的各個(gè)生命周期階段對環(huán)境的影響?？沙掷m(xù)發(fā)展不僅僅是發(fā)展理念的變革，更需要一系列的使用技術(shù)，理解掌握和應(yīng)用這些技術(shù)就要具備可持續(xù)發(fā)展的知識?？梢姡こ滩牧险n程的可持續(xù)發(fā)展觀主要是采用可持續(xù)發(fā)展的教學(xué)理念，培養(yǎng)具有可持續(xù)發(fā)展能力的人才，實(shí)現(xiàn)工程材料設(shè)計(jì)、制造工藝、生產(chǎn)技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。

二工程材料課程可持續(xù)發(fā)展觀的教學(xué)實(shí)踐

高等教育是一個(gè)知識傳授和綜合能力培養(yǎng)的過程。教學(xué)過程中的每一門課程都是一個(gè)專業(yè)學(xué)習(xí)的知識點(diǎn)，知識點(diǎn)具有相互依賴的關(guān)系，前一知識點(diǎn)是后一知識點(diǎn)的基礎(chǔ)和支撐，一個(gè)知識點(diǎn)可能需要多個(gè)知識點(diǎn)的支持，最終多個(gè)知識點(diǎn)為后續(xù)的應(yīng)用提供了保障。根據(jù)可持續(xù)發(fā)展的知識特征并結(jié)合工程材料課程特點(diǎn)，提出如下的融合可持續(xù)發(fā)展的教學(xué)、培養(yǎng)及知識應(yīng)用的新模式。

（一）教學(xué)方法的可持續(xù)性

“工程材料”作為機(jī)械類的專業(yè)基礎(chǔ)課，其目標(biāo)是使學(xué)生具備對機(jī)械零件合理選材、提出熱處理技術(shù)要求即制定冷熱加工工藝路線的能力。目前蘇州大學(xué)使用的教材是高等教育出版社的《工程材料》第三版，主要包含工程材料的性能、晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶、金屬的塑性變形、二元合金、鐵碳合金、鋼的熱處理、合金鋼等多個(gè)章節(jié)的內(nèi)容，該課程涉及的概念、專業(yè)名詞比較多、內(nèi)容抽象枯燥，課程不易理解。其中每章的內(nèi)容尤其晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶、工程材料的性能及鋼熱處理等需要開設(shè)專門的專業(yè)課進(jìn)行詳細(xì)講述的內(nèi)容。例如工程材料的性能章節(jié)，該章節(jié)概念多如拉伸強(qiáng)度、彈性、硬度、疲勞度、屈服度等，而且其理論繁瑣其涉及材料力學(xué)、物理化學(xué)及傳熱學(xué)等；在晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶章節(jié)中，晶體結(jié)構(gòu)理論比較抽象，其一直是材料學(xué)中的一個(gè)難點(diǎn)，也是重點(diǎn)，其需要結(jié)構(gòu)化學(xué)、量子理論及空間點(diǎn)群模型等知識積累，因此對教學(xué)方法也提出很大的挑戰(zhàn)。另外，面對機(jī)械工程材料課程改革中課時(shí)不斷被壓縮，而教學(xué)內(nèi)容并沒減少，反而隨著知識的更新有所增加，如何在有限的課時(shí)內(nèi)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)也迫使每一位老師尋找新的教學(xué)方法。結(jié)合工程材料課程的特點(diǎn)及課程的目標(biāo)，優(yōu)化傳統(tǒng)教學(xué)中每個(gè)知識點(diǎn)滿堂灌的作風(fēng)，在教學(xué)過程中添加可持續(xù)發(fā)展的“知識元”概念，即不可再分割的具有完整知識表達(dá)的知識單位作為一個(gè)整體來講述，以增強(qiáng)不同知識點(diǎn)的連貫性，便于學(xué)生記憶和掌握。工程材料課程包括的知識元主要有金屬材料的性能與成分、組織結(jié)構(gòu)與技工工藝之間的關(guān)系；鋼鐵的熱處理基本原理及工藝；機(jī)械工程采用的金屬材料、非金屬材料、高分子材料的成分、組織、性能及用途等。在教學(xué)過程中不僅僅講清楚每一個(gè)知識元，更重要的將不同知識元關(guān)聯(lián)起來，譬如金屬塑性變形特征，不僅僅要講授金屬塑性變形的方式、實(shí)質(zhì)，更應(yīng)該講明從晶體結(jié)構(gòu)的理論分析清楚滑移面的移動(dòng)方向、滑移數(shù)，從而講授不同金屬塑性變形能力差別的原因，使學(xué)生深入理解材料性能與微觀組織之間的關(guān)聯(lián)，在材料的性能與材料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)相關(guān)性之間架設(shè)一座橋梁。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)知識點(diǎn)的從點(diǎn)到線，再從線到面，進(jìn)而融會貫通各個(gè)知識點(diǎn)。

（二）培養(yǎng)學(xué)生可持續(xù)發(fā)展能力

在工程材料課程中，傳統(tǒng)的學(xué)生培養(yǎng)模式就是老師在課堂上的知識授課，然后進(jìn)入實(shí)踐環(huán)節(jié)，使用現(xiàn)有的工藝或產(chǎn)品，指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)，上述過程僅僅是對學(xué)生一個(gè)知識的積累與認(rèn)知，而對其動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和綜合應(yīng)用知識解決問題的能力收效甚微。上述過程僅僅教會學(xué)生“是什么？”，而沒有教會學(xué)生“為什么？”。作為教學(xué)主體的教師，在教學(xué)中應(yīng)該注重學(xué)生可持續(xù)發(fā)展能力如創(chuàng)新能力、發(fā)明創(chuàng)造能力、自主探究能力等的培養(yǎng)。為此，教學(xué)活動(dòng)中可以引入開放式的“項(xiàng)目式”的培養(yǎng)方法。一方面可以將傳統(tǒng)的學(xué)科體系中的知識內(nèi)容化為若干個(gè)教學(xué)項(xiàng)目，圍繞項(xiàng)目組織和展開教學(xué)，是學(xué)生直接參與項(xiàng)目過程，通過項(xiàng)目的實(shí)施達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生知識應(yīng)用及解決問題的能力。譬如材料的力學(xué)性能章節(jié)中，根據(jù)知識點(diǎn)設(shè)計(jì)兩個(gè)小項(xiàng)目，一個(gè)靜拉伸實(shí)驗(yàn)，學(xué)生自己測定材料的水平方向力學(xué)性能，讓學(xué)生理解不同拉伸階段力學(xué)性能的變化，并解釋彈性形變的原理及對材料加工性能的影響，培養(yǎng)學(xué)生將來設(shè)計(jì)及選擇材料的能力。另一個(gè)學(xué)生測試產(chǎn)品的硬度。通過產(chǎn)品硬度的測試，讓學(xué)生理解硬度測試常用方法及其適用對象，掌握了常用的三種硬度測試計(jì)的使用方法。另外，將教材中的某些內(nèi)容結(jié)合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)、思考，例如塑性變形的知識，讓學(xué)生思考做一個(gè)塑性變形小的螺絲帽，應(yīng)該選用哪種鐵，如何得到這種鐵！進(jìn)而讓學(xué)生真正理解不同鐵的形成過程，及不同類型的鐵的塑性變形能力的不同。通過開放式項(xiàng)目的培養(yǎng)方式，讓學(xué)生從知識理解、方法的應(yīng)用、動(dòng)手操作及問題的解決，形成一個(gè)從知識掌握到能力的開發(fā)的一個(gè)可持續(xù)發(fā)展培養(yǎng)模式，最終培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、探究、創(chuàng)新能力。

（三）材料設(shè)計(jì)、制造的可持續(xù)性

機(jī)械工程材料是影響可持續(xù)發(fā)展的重要因素，選擇材料不僅僅要滿足產(chǎn)品的功能要求，而且其全生命周期評估是綠色的、環(huán)境友好的。因此在工程材料設(shè)計(jì)的過程中，綠色材料基元的概念，其包括工程材料的可持續(xù)發(fā)展特性如材料可再生性、可回收性和可制造性等特性。同時(shí)，工程材料生產(chǎn)過程中不僅僅考慮性能的實(shí)現(xiàn)，考慮制造成本，而且也要關(guān)注生產(chǎn)過程對環(huán)境的影響。以不同硬度鋼鐵的制備為例，在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中，一方面利用所學(xué)工程材料基礎(chǔ)知識來考慮爐溫、淬火速度、淬火范圍及摻雜劑含量對鋼鐵性能的影響，同時(shí)也要考慮新的工藝過程中的廢棄物的排放及處理，考慮其排放方式對環(huán)境和生態(tài)的影響；還要考慮設(shè)計(jì)的不同路線對能耗的需求，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)源頭的可須持發(fā)展。材料制造技術(shù)，面向優(yōu)化環(huán)境制造的設(shè)計(jì)，對設(shè)計(jì)方案需要的制造方法進(jìn)行環(huán)境評估，選擇實(shí)現(xiàn)環(huán)境最友好的設(shè)計(jì)。因此，工程材料中綠色材料知識元的引入可以與工程材料的物理、化學(xué)、和機(jī)械性能及零件的加工工藝相融合，從工程材料的設(shè)計(jì)、制造等源頭實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

三結(jié)語

本文結(jié)合蘇州大學(xué)工程材料課程的特點(diǎn)及目前教學(xué)現(xiàn)狀，將可持續(xù)發(fā)展的思想融合到工程材料課程的教學(xué)過程中。作者提出了基于知識元可持續(xù)發(fā)展的教育理念及基于“項(xiàng)目式”教學(xué)方法，通過教學(xué)過程實(shí)施培養(yǎng)出具有創(chuàng)造發(fā)明、自主探究等可持續(xù)發(fā)展能力的人才，最終實(shí)現(xiàn)工程材料設(shè)計(jì)、制造工藝、生產(chǎn)技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展的新技術(shù)、新方法的應(yīng)用，為提高目前工程材料的本科教學(xué)提供一種新的借鑒。

參考文獻(xiàn)

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作者：王鳳霞 單位：蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院機(jī)器人與微系統(tǒng)研究中心