工程材料課程中的可持續發展觀

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摘要：可持續發展是未來經濟、社會、環境發展的方向，培養未來工程師和決策領導者的可持續發展觀和可持續發展能力是大學今后人才培養的一項新的內容。本文將可持續發展的理念應用到蘇州大學工程材料課程的本科教學中，提出融合可持續發展觀的教育方法、學生培養及知識應用的新模式，為改善本科工程材料課程教學提供一種新的借鑒。

關鍵詞：工程材料課程；可持續發展；實踐創新；自主學習

一工程材料課程的可持續發展觀

可持續發展觀是當代人對社會、經濟、環境三方面發展追求的最高境界。其目標是能滿足當代人的需要，又不對后代人滿足其需要的能力構成危害的發展，一般歸結為經濟的可持續發展、社會的可持續發展和環境的可持續發展。可持續發展的概念具體到工程材料課程，其要旨就是培養具有創新的人才，其能為社會提供具有競爭力的產品，同時對環境和社會的破壞和和影響小。對環境的影響要從產品全生命周期評估，既要考慮從指導產品的材料的礦石開始，到產品的設計、產品的制造、使用、回收等產品的各個生命周期階段對環境的影響。可持續發展不僅僅是發展理念的變革，更需要一系列的使用技術，理解掌握和應用這些技術就要具備可持續發展的知識。可見，工程材料課程的可持續發展觀主要是采用可持續發展的教學理念，培養具有可持續發展能力的人才，實現工程材料設計、制造工藝、生產技術的可持續發展。

二工程材料課程可持續發展觀的教學實踐

高等教育是一個知識傳授和綜合能力培養的過程。教學過程中的每一門課程都是一個專業學習的知識點，知識點具有相互依賴的關系，前一知識點是后一知識點的基礎和支撐，一個知識點可能需要多個知識點的支持，最終多個知識點為后續的應用提供了保障。根據可持續發展的知識特征并結合工程材料課程特點，提出如下的融合可持續發展的教學、培養及知識應用的新模式。

（一）教學方法的可持續性

“工程材料”作為機械類的專業基礎課，其目標是使學生具備對機械零件合理選材、提出熱處理技術要求即制定冷熱加工工藝路線的能力。目前蘇州大學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、晶體結構與結晶、金屬的塑性變形、二元合金、鐵碳合金、鋼的熱處理、合金鋼等多個章節的內容，該課程涉及的概念、專業名詞比較多、內容抽象枯燥，課程不易理解。其中每章的內容尤其晶體結構與結晶、工程材料的性能及鋼熱處理等需要開設專門的專業課進行詳細講述的內容。例如工程材料的性能章節，該章節概念多如拉伸強度、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、物理化學及傳熱學等；在晶體結構與結晶章節中，晶體結構理論比較抽象，其一直是材料學中的一個難點，也是重點，其需要結構化學、量子理論及空間點群模型等知識積累，因此對教學方法也提出很大的挑戰。另外，面對機械工程材料課程改革中課時不斷被壓縮，而教學內容并沒減少，反而隨著知識的更新有所增加，如何在有限的課時內達到預期目標也迫使每一位老師尋找新的教學方法。結合工程材料課程的特點及課程的目標，優化傳統教學中每個知識點滿堂灌的作風，在教學過程中添加可持續發展的“知識元”概念，即不可再分割的具有完整知識表達的知識單位作為一個整體來講述，以增強不同知識點的連貫性，便于學生記憶和掌握。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、組織結構與技工工藝之間的關系；鋼鐵的熱處理基本原理及工藝；機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。在教學過程中不僅僅講清楚每一個知識元，更重要的將不同知識元關聯起來，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、實質，更應該講明從晶體結構的理論分析清楚滑移面的移動方向、滑移數，從而講授不同金屬塑性變形能力差別的原因，使學生深入理解材料性能與微觀組織之間的關聯，在材料的性能與材料的內部組織結構相關性之間架設一座橋梁。進而實現知識點的從點到線，再從線到面，進而融會貫通各個知識點。

（二）培養學生可持續發展能力

在工程材料課程中，傳統的學生培養模式就是老師在課堂上的知識授課，然后進入實踐環節，使用現有的工藝或產品，指導學生實驗，上述過程僅僅是對學生一個知識的積累與認知，而對其動手能力、創新能力和綜合應用知識解決問題的能力收效甚微。上述過程僅僅教會學生“是什么？”，而沒有教會學生“為什么？”。作為教學主體的教師，在教學中應該注重學生可持續發展能力如創新能力、發明創造能力、自主探究能力等的培養。為此，教學活動中可以引入開放式的“項目式”的培養方法。一方面可以將傳統的學科體系中的知識內容化為若干個教學項目，圍繞項目組織和展開教學，是學生直接參與項目過程，通過項目的實施達到培養學生知識應用及解決問題的能力。譬如材料的力學性能章節中，根據知識點設計兩個小項目，一個靜拉伸實驗，學生自己測定材料的水平方向力學性能，讓學生理解不同拉伸階段力學性能的變化，并解釋彈性形變的原理及對材料加工性能的影響，培養學生將來設計及選擇材料的能力。另一個學生測試產品的硬度。通過產品硬度的測試，讓學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的使用方法。另外，將教材中的某些內容結合當前技術發展引導學生進行設計、思考，例如塑性變形的知識，讓學生思考做一個塑性變形小的螺絲帽，應該選用哪種鐵，如何得到這種鐵！進而讓學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。通過開放式項目的培養方式，讓學生從知識理解、方法的應用、動手操作及問題的解決，形成一個從知識掌握到能力的開發的一個可持續發展培養模式，最終培養學生的自主學習、探究、創新能力。

（三）材料設計、制造的可持續性

機械工程材料是影響可持續發展的重要因素，選擇材料不僅僅要滿足產品的功能要求，而且其全生命周期評估是綠色的、環境友好的。因此在工程材料設計的過程中，綠色材料基元的概念，其包括工程材料的可持續發展特性如材料可再生性、可回收性和可制造性等特性。同時，工程材料生產過程中不僅僅考慮性能的實現，考慮制造成本，而且也要關注生產過程對環境的影響。以不同硬度鋼鐵的制備為例，在設計和生產過程中，一方面利用所學工程材料基礎知識來考慮爐溫、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境和生態的影響；還要考慮設計的不同路線對能耗的需求，進而實現源頭的可須持發展。材料制造技術，面向優化環境制造的設計，對設計方案需要的制造方法進行環境評估，選擇實現環境最友好的設計。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、和機械性能及零件的加工工藝相融合，從工程材料的設計、制造等源頭實現可持續發展。

三結語

本文結合蘇州大學工程材料課程的特點及目前教學現狀，將可持續發展的思想融合到工程材料課程的教學過程中。作者提出了基于知識元可持續發展的教育理念及基于“項目式”教學方法，通過教學過程實施培養出具有創造發明、自主探究等可持續發展能力的人才，最終實現工程材料設計、制造工藝、生產技術的可持續發展的新技術、新方法的應用，為提高目前工程材料的本科教學提供一種新的借鑒。

參考文獻

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作者：王鳳霞 單位：蘇州大學機電工程學院機器人與微系統研究中心