航空類專業(yè)工程材料學(xué)課程教學(xué)改革探討論文
摘要：
材料科學(xué)技術(shù)對航空航天領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的支撐作用�！肮こ滩牧蠈W(xué)”是航空主機(jī)類專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)掌握材料知識的主要渠道。本文以相關(guān)專業(yè)實(shí)施“卓越工程師”教育培養(yǎng)計(jì)劃為背景，研究了航空類不同專業(yè)對材料知識的需求，探討了在不增加總課時的前提下改善課程教學(xué)效果、提高教學(xué)質(zhì)量的途徑。
關(guān)鍵詞：
“工程材料學(xué)”；航空航天專業(yè)；教學(xué)改革
“工程材料學(xué)”是航空主機(jī)類專業(yè)（包括飛行器設(shè)計(jì)與工程、飛行器動力工程、飛行器制造工程和機(jī)械工程等專業(yè)）的學(xué)科基礎(chǔ)課程。該課程雖然僅有48學(xué)時，但承擔(dān)著為未來的航空工程師構(gòu)建材料知識體系的重任，對學(xué)生今后的發(fā)展起著重要作用。本文結(jié)合近年的工作實(shí)踐，對該課程在教學(xué)要求、教學(xué)內(nèi)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(chǔ)科學(xué)，也是應(yīng)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(jì)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(chǔ)，系統(tǒng)介紹材料科學(xué)的基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)技能，著重培養(yǎng)學(xué)生把這些知識應(yīng)用于解決工程實(shí)際中提出的對材料結(jié)構(gòu)、性能等方面問題的能力。作為一門重要的學(xué)科基礎(chǔ)課程，“工程材料學(xué)”具有較長的開設(shè)歷史，在人才培養(yǎng)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(yǎng)計(jì)劃的實(shí)施，對工程類課程建設(shè)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(chǔ)，已發(fā)展成為一個由多個分系統(tǒng)組成的大系統(tǒng)，需要工程技術(shù)人員采用系統(tǒng)工程的方法進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。現(xiàn)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(nèi)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(yán)苛�，F(xiàn)代飛行器不僅要具有速度快、航程大、載重多等特點(diǎn)，還要滿足節(jié)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(jī)”已成為飛行器發(fā)展公認(rèn)的規(guī)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(shè)計(jì)、制造和維護(hù)工作中。
要全面認(rèn)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，同時要認(rèn)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)過程中，要綜合考慮用戶對飛行器總體性能的多種要求，對各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一的優(yōu)化。在落實(shí)對飛行器性能的要求時可以發(fā)現(xiàn)，很多要求是相互矛盾的，比如飛機(jī)的航程和機(jī)動性就存在著較大的矛盾。為了獲得較好的綜合性能，需要對飛機(jī)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，要及時掌握各種設(shè)計(jì)方案對飛機(jī)主要材料和工藝的要求，對飛機(jī)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合優(yōu)化。在此過程中，各部門工程師都需要和材料系統(tǒng)密切配合，才能實(shí)現(xiàn)信息和資源共享，降低全系統(tǒng)的風(fēng)險，提高系統(tǒng)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(jié)構(gòu)、加工工藝與其性能和應(yīng)用的學(xué)科。在現(xiàn)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、無機(jī)非金屬材料、高分子材料、耐磨材料、表面強(qiáng)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(nèi)容的不斷充實(shí)�！肮こ滩牧蠈W(xué)”課程要系統(tǒng)講授材料科學(xué)與技術(shù)的基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)技能，使得學(xué)生掌握工程材料的合成、制備、結(jié)構(gòu)、性能、應(yīng)用等方面的知識。早期的航空工程結(jié)構(gòu)以自然材料為主，如在美國萊特兄弟制造出第一架飛機(jī)上，木材占47%，普通鋼占35%，布占18%。隨后，以德國科學(xué)家發(fā)明具有時效強(qiáng)化功能的硬鋁為代表，很多優(yōu)質(zhì)金屬材料被開發(fā)出來，使得大量采用金屬材料制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)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(yīng)地，這一時期“工程材料學(xué)”課程內(nèi)容也以金屬材料為主。上世紀(jì)70年代以后，復(fù)合材料開始在航空領(lǐng)域應(yīng)用。復(fù)合材料具有較高比強(qiáng)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(fù)合材料制造艙門、整流罩、安定面等次承力結(jié)構(gòu)，而現(xiàn)在復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用于機(jī)翼、機(jī)身等部位，向主承力結(jié)構(gòu)過渡。復(fù)合材料因其良好的制造性能被大量應(yīng)用在復(fù)雜曲面構(gòu)件上。復(fù)合材料構(gòu)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(shù)量，降低成本，減少裝配，減輕重量。復(fù)合材料的用量已成為先進(jìn)飛行器的重要標(biāo)志。相應(yīng)地，復(fù)合材料必然要在“工程材料學(xué)”課程中占重要地位。鈦合金的開發(fā)和應(yīng)用使得飛行器具有更好的耐熱能力，提高了發(fā)動機(jī)、蒙皮等結(jié)構(gòu)的性能，有效解決了防熱問題�！肮こ滩牧蠈W(xué)”課程的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該及時反映材料科學(xué)在提高飛行器性能方面的新應(yīng)用與新進(jìn)展。與此同時，其他相關(guān)學(xué)科也取得了長足的發(fā)展，使得主機(jī)專業(yè)教學(xué)內(nèi)容大幅度增加，“工程材料學(xué)”課程的教學(xué)內(nèi)容和學(xué)時之間的矛盾愈加突出。
二、認(rèn)真分析專業(yè)教學(xué)對“工程材料學(xué)”課程的不同要求
“工程材料學(xué)”課程是一門重要的學(xué)科基礎(chǔ)課，是基礎(chǔ)課與專業(yè)課間的橋梁和紐帶，在航空航天主機(jī)類專業(yè)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動手和創(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(jī)類各專業(yè)采用同一標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)。雖然主機(jī)類各專業(yè)人才培養(yǎng)有其共性要求，但隨著航空航天事業(yè)的發(fā)展，專業(yè)分工越來越細(xì)，差異化特征也越來越明顯，因此“工程材料學(xué)”課程應(yīng)該充分考慮不同專業(yè)的具體需求，結(jié)合各專業(yè)的課程體系安排教學(xué)。飛行器設(shè)計(jì)與工程、飛行器動力工程、飛行器制造工程和機(jī)械工程等主機(jī)類專業(yè)根據(jù)航空領(lǐng)域中的分工培養(yǎng)學(xué)生，畢業(yè)學(xué)生的工作要求有所不同，對知識結(jié)構(gòu)的要求也不一樣。就材料方面知識而言，不同專業(yè)學(xué)生也會有所區(qū)別，應(yīng)按照專業(yè)特點(diǎn)縱向劃分對“工程材料學(xué)”課程的要求。不同專業(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(jù)。飛行器設(shè)計(jì)與工程專業(yè)要全面統(tǒng)籌飛行器產(chǎn)品及各部件的設(shè)計(jì)和制造，主要從事飛行器總體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、飛機(jī)外形設(shè)計(jì)、飛機(jī)性能計(jì)算與分析、結(jié)構(gòu)受力與分析、飛機(jī)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(xiàn)代飛行器設(shè)計(jì)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(qiáng)材料的發(fā)展動態(tài)和發(fā)展趨勢。飛行器動力工程專業(yè)要求學(xué)生學(xué)習(xí)飛行器動力裝置或飛行器動力裝置控制系統(tǒng)等方面的知識，主要培養(yǎng)能從事飛行器動力裝置及其他熱動力機(jī)械的設(shè)計(jì)、研究、生產(chǎn)、實(shí)驗(yàn)、運(yùn)行維護(hù)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(jié)構(gòu)具有在高溫下長期工作的組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。因此，材料在高溫下的行為、性能和分析、選擇方法應(yīng)該是該專業(yè)“工程材料學(xué)”課程的重點(diǎn)。飛行器制造工程和機(jī)械工程等專業(yè)要針對現(xiàn)代飛行器工作條件嚴(yán)酷、構(gòu)造復(fù)雜的特點(diǎn)，采用先進(jìn)制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，并為飛行器維護(hù)提供便利。該專業(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(fù)雜，所用材料品種繁多，加工方法多樣，工藝要求精細(xì)。很多新材料首先在航空航天領(lǐng)域得到應(yīng)用，其制造技術(shù)具有新穎性的特征，設(shè)計(jì)、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(chǔ)打好，適應(yīng)工藝和材料不斷發(fā)展的要求。雖然各專業(yè)對“工程材料學(xué)”課程的要求有所不同，但課程基礎(chǔ)一致。該課程名稱為“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(yùn)用于航空航天工程，把材料基本知識轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。“工程材料學(xué)”是相關(guān)專業(yè)材料學(xué)科的基本課程，學(xué)生要通過該課程了解金屬材料、無機(jī)非金屬材料、高分子材料等微觀和宏觀基礎(chǔ)知識，學(xué)習(xí)材料研究、分析的基本方法，掌握材料結(jié)構(gòu)與性能等基礎(chǔ)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(xí)專業(yè)課程創(chuàng)造條件，為將來從事技術(shù)開發(fā)、工藝和設(shè)備設(shè)計(jì)等打下基礎(chǔ)。由此可見，在明確了各專業(yè)對該課程的個性化要求的基礎(chǔ)上，更要明確共性要求。“工程材料學(xué)”課程要培養(yǎng)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(chǔ)是學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)課程、提高綜合素質(zhì)、培養(yǎng)創(chuàng)新能力的必備條件，是進(jìn)一步發(fā)展的基礎(chǔ)。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(nèi)容劃分為每個專業(yè)均要求了解的材料領(lǐng)域知識和根據(jù)各個專業(yè)特色需要重點(diǎn)介紹的知識兩部分，既滿足了寬口徑、厚基礎(chǔ)的教學(xué)需要，又注重了后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)和能力培養(yǎng)的要求，促進(jìn)了基礎(chǔ)理論和專業(yè)應(yīng)用的融合滲透，較好地滿足了材料、設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)一體化發(fā)展的需要，增強(qiáng)了跨學(xué)科、跨專業(yè)認(rèn)識問題、思考問題和研討問題的能力。
三、多管齊下建設(shè)豐富的教學(xué)環(huán)境
作為一門學(xué)科基礎(chǔ)課程，“工程材料學(xué)”課程要根據(jù)學(xué)校人才培養(yǎng)創(chuàng)新目標(biāo)和相關(guān)專業(yè)的人才培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)、方案，結(jié)合卓越工程師教育培養(yǎng)的要求，注重與專業(yè)課程體系的融合，注重與工程實(shí)踐教育的結(jié)合，注重對學(xué)生創(chuàng)新意識、創(chuàng)業(yè)能力及綜合運(yùn)用知識能力的培養(yǎng)。在充分調(diào)研與分析專業(yè)人才培養(yǎng)對課程教學(xué)要求的基礎(chǔ)上，要對課程的教學(xué)大綱和內(nèi)容進(jìn)行修訂，與相關(guān)教學(xué)環(huán)節(jié)有效整合，拓展教學(xué)活動的空間，營造良好的學(xué)習(xí)環(huán)境和氛圍，加強(qiáng)與后續(xù)課程及實(shí)踐活動的聯(lián)系，解決學(xué)科基礎(chǔ)課的教學(xué)與專業(yè)人才培養(yǎng)需求的脫節(jié)或不銜接等問題�！肮こ滩牧蠈W(xué)”在第四學(xué)期開設(shè)，是一門承前啟后的.課程。在前期開設(shè)的課程中，“大學(xué)物理”和“航空航天概論”是兩門直接相關(guān)的課程�！按髮W(xué)物理”提供了學(xué)習(xí)“工程材料學(xué)”的科學(xué)基礎(chǔ)，認(rèn)真分析“大學(xué)物理”知識點(diǎn)在“工程材料學(xué)”中的應(yīng)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，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(jī)庫，從材料發(fā)展的角度再次審視航空航天的進(jìn)步，結(jié)合材料學(xué)的概念研究飛行器的組成及工作原理，會使得學(xué)生對該課程有比較全面的認(rèn)識。在相關(guān)專業(yè)的后續(xù)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(shè)計(jì)”、“發(fā)動機(jī)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(jī)類專業(yè)培養(yǎng)方案中，“工程訓(xùn)練”是集中式的工程能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)，其教學(xué)內(nèi)容與“工程材料學(xué)”密切相關(guān)�！肮こ逃�(xùn)練”教學(xué)內(nèi)容以機(jī)械制造工藝和方法為主，包括熱處理、鑄造、鍛造、焊接、車削加工、銑削加工、刨削加工、磨削加工、鉗工、數(shù)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單，學(xué)生的認(rèn)識較淺。如果在“工程訓(xùn)練”教學(xué)過程中，針對不同的加工工藝和方法對材料作較深入的介紹，從應(yīng)用的角度分析不同材料加工工藝和方法的適應(yīng)性，可以促進(jìn)學(xué)生把材料理論知識的學(xué)習(xí)和工程實(shí)際聯(lián)系起來。通過讓學(xué)生分析研究實(shí)際材料在加工過程中的表現(xiàn)來認(rèn)識材料的性能，通過感性認(rèn)識來體會材料變化的規(guī)律，把深奧的材料科學(xué)理論知識和生動形象的加工過程結(jié)合起來。這樣不僅強(qiáng)化了工程訓(xùn)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(jī)類專業(yè)的課程設(shè)計(jì)是重要的綜合學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)。課程設(shè)計(jì)任務(wù)一般是完成一項(xiàng)涉及本專業(yè)一門或多門主要課程內(nèi)容的綜合性、應(yīng)用性的設(shè)計(jì)工作，通過一系列設(shè)計(jì)圖紙、技術(shù)方案等文件體現(xiàn)工作成果。很多主機(jī)類專業(yè)的課程設(shè)計(jì)涉及材料的選用、處理等方面的問題。按照教學(xué)計(jì)劃，“工程材料學(xué)”先行開設(shè)。因此，在相關(guān)課程設(shè)計(jì)中，有目的地提出材料問題，引導(dǎo)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(diào)動學(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(zhuǎn)化為初步的工作能力，克服課程知識的碎片化傾向。
四、結(jié)語
航空航天是現(xiàn)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(jié)構(gòu)的重要組成部分�！肮こ滩牧蠈W(xué)”要按照現(xiàn)代大工程觀的要求組織教學(xué)，才能實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，提高培養(yǎng)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(nèi)容。要根據(jù)學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展需要選擇教學(xué)內(nèi)容，按照理論實(shí)踐結(jié)合、突出工程應(yīng)用的要求構(gòu)建知識體系。在教學(xué)工作中，應(yīng)根據(jù)不同專業(yè)的培養(yǎng)要求，深入研究材料學(xué)的基本要求和各專業(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(jié)構(gòu)，提高教學(xué)效率。統(tǒng)籌考慮專業(yè)教學(xué)與其他課程的聯(lián)系，以及課程設(shè)計(jì)、工程訓(xùn)練、畢業(yè)設(shè)計(jì)等教學(xué)環(huán)節(jié)，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(yǎng)多角度研究分析、跨專業(yè)交流合作、多學(xué)科解決問題的能力。
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