职业教育论文《工程材料》课程疑难点的举例教学

　　浅谈《工程材料》课程疑难点的举例教学，摘要：在《工程材料》教学中出现一些较难理解的概念时，举一些较恰当的例子，可帮助学生对这些概念理解和掌握，从而提高课堂教学的效果。

　　关键词：职业教育论文,金属材料与热处理,举例,教学效果

　　《工程材料》是一门专业性较强、理论抽象概念较多的专业基础课。在教学过程中虽接触了一些动手操作的实验，但由于受条件的限制，大多数实验学生不能亲自动手去做，学生学习起来感到枯燥乏味，每节课教学内容多，概念、现象也比较抽象、难于理解，教学难度相对比较大。大多数学生对本课程不感兴趣。较被动的跟着老师学。如何在教学过程中引发学生的学习兴趣、调动起学生对本课程学习的积极性，是我们作为教师的首选任务。笔者在教学实践中，发现把那些抽象、又难于理解的内容，通过形象、恰当的举例加以表述，即能活跃课堂气氛，又能激发起学生的学习兴趣和热情，加深对某些疑难问题的理解，从而提高课堂教学的效果。下面就笔者在教学过程中，对一些疑难问题相应举例的教学，分别做一阐述：

　　一、疲劳现象举例

　　许多零件如弹簧、齿轮、曲轴、连杆都是在交变载荷(应力)作用下工作的。所谓交变载荷是指其大小、方向均随时间发生周期性的循环变化，故又称循环载荷。零件在这种交变载荷下经较长时间工作而发生断裂现象便称为疲劳断裂。疲劳断裂与静载荷作用下的断裂并不同。它有如下的特点：1、断裂时的应力远低于材料静载下的抗拉强度，甚至低于屈服强度。2、断裂前无论是韧性材料还是脆性材料均无明显的塑性变形，是一种无预兆的、突然发生的脆性断裂，故而危险性极大。为什么会出现此现象，学生普遍表示不理解。为什么呢?因为在我们前面讲过的拉伸曲线内容时，通过对拉伸曲线的分析，学生已经知道金属材料断裂前的最大应力是抗拉强度，而屈服点或屈服强度的应力值低于抗拉强度。应当讲，在抗拉强度以下工作的零件是安全的，不会破坏，可为什么这些零件在低于屈服点或屈服强度的情况下发生断裂，学生困惑多多。为此，在授课过程中举一例：我给学生拿了一跟细铁丝，问有谁能把它拉断。大家都摇头。我说用手怎样弄断都可以，学生们拿过铁丝来回弯曲几下，就将铁丝弯断。这种来回弯曲作用的载荷就是交变载荷，而交变载荷使铁丝产生疲劳断裂，而这种交变载荷的应力小于铁丝的抗拉强度。究其原因做进一步的分析，机械零件之所以产生疲劳破坏，主要在由于制造这些机械零件的材料表面或内部有缺陷，如：夹杂、划痕、尖角、软点、显微裂纹等等。这些地方的局部应力大于屈服点，在循环载荷的反复作用下，产生疲劳裂纹，并随应力循环周次的增加，疲劳裂纹不断扩散，使零件的有效承载面积不断减少，最后达到某一临界尺寸时，而突然断裂。通过此例，学生们一下子就明白了，而且全神贯注、饶有兴致地掌握了这一教学上的疑难点。

　　二、金属的同素异构现象的举例

　　有些元素(如Fe、Ti、Mn、Co等金属及其他元素约40多种)在不同的温度和压力等条件下具有不同的晶体结构。当外界条件(主要是温度和压力)发生变化时，会由一种晶体结构转变为另一种结构，称为同素异构转变。当晶体结构发生转变时，金属的性能(如密度、强度、塑性、导电性、磁性等)也将发生突变。此课题的提出，使得学生在理解上出现了问题，即固态下的某些金属怎么会出现此现象呢?于此，在讲清这个论点前，我先向学生提出了这样一个问题：固态下的金属都是“热胀冷缩”吗?有的学生答“是”，有的学生说“不是”。我对同学说：咱们暂且不下任何结论，先用纯铁举一个例子。纯铁的同素异构转变最为典型。在常压下，铁在固态下由室温加热至高温的过程中，先后发生了如下两次同素异构转变：温度在912℃以下为体心立方，912℃～1394℃之间为面心立方，1394℃～1538℃之间又变回到体心立方。由于晶体致密度不同，故当发生晶型转变时，将伴有比体积或体积突变。例如，当纯铁由室温加热到912℃时，由致密度较小的α-Fe转变为致密度较大的γ-Fe，体积突然减小;而冷却时则相反，体积将会变大。这样就会引起相变应力，从而使材料产生变形甚至开裂。同素异构转变是材料改性的内因和根据。铁的同素异构转变是钢铁材料能够进行热处理的内因，也是钢铁材料能多种多样、用途广泛的主要原因之一。为什么铁受热会有收缩现象，而遇冷又有伸长现象呢?显然这与铁丝内部发生某种变化有关。此例的举出，使学生既明白了固态下的一些金属，并不都是“无条件”的热胀冷缩，同时也知道了金属同素异构现象发生的原因，就是金属在某种条件下晶格之间的转变。

　　三、晶格畸变现象的举例

　　一切物质都是由原子组成的，根据原子排列的特征，固态物质可分为晶体与非晶体两类。晶体是组成微粒(原子、离子或者分子)呈规则的物质。非晶体的组成微粒是无规则堆积在一起的物质。金属都是晶体，其原子是有规则排列的。为了便于描述和理解晶体中原子在三维空间中排列的规律，我们把晶体内部原子近似的视为为刚性质点。用一些假想的直线将各质点中心连接起来，形成一个空间格子。这种抽象用于描述原子在晶体中排列形式的空间几何格子称为晶格。当金属原子那样排列时，内部原子排列是非常整齐的，且一点缺陷都没有。但实际使用的金属材料即使是体积很小，其内部仍包含了许多颗粒状的小晶体。这是由于加进了其它种类的外来原子以及材料在冶炼后的凝固过程中受到各种因素的影响，使本来该有规律的原子堆积的方式受到干扰，不像理想晶体那样规则。晶体中出现的各种不规则的原子堆积现象成为晶体缺陷。即实际晶体中原子排列的不完整性。常见的晶体缺陷有以下几种，即：点缺陷(空位和间隙原子)、线缺陷(各种类型的位错)、面缺陷(晶界和亚晶界)等。正是由于晶体中存在上述的结构缺陷，因此会造成晶格发生畸变，引起塑性变形抗力的增大，从而使金属的强度提高。当讲授这些知识点时，学生普遍觉得上述种种的晶体缺陷，难与金属强度的提高联系起来。于是，我在讲解中举例如下：班内每个同学相当于原子，整个班集体就好比我们所讲述过的晶格，“空位”相当于一个或几个同学缺勤，“间隙原子”相当于班内的某位同学未按排列整齐的座位去坐，而胡乱地坐在了某个位置，“错位”相当于几位同学位置错排……等等，这样一来，这个班集体还能是一个平衡、稳定的集体吗?是不是这个班集体出现了缺陷?同学们一致回答“是”，由此，我告诉同学们，这就是晶格畸变引发的结果。再有晶界、亚晶界的存在，也会造成晶格畸变。这是由于实际金属为多晶体，是由大量外形不规则的小晶体即晶粒组成。晶粒与晶粒之间的接触界面称为晶界。这些晶粒之间由于结晶时的位向不同，晶界处的原子排列是不规则的，即使在一颗晶粒内部，其晶格位向也并不像理想晶格那样完全一致，而是分隔成许多尺寸很小、位向差也很小的小晶块，这些小晶块即为亚晶粒，其界面为亚晶界。晶界也好，亚晶界也好，其原子排列紊乱，具有抵抗塑性变形的能力，使金属的强度提高。综上所述，金属材料强度的提高，是与金属晶体的实际缺陷。即“晶格畸变”有着直接关系的。讲到这里，同学们表示，能够理解这一论点了。

　　四、过冷现象的举例

　　过冷现象是纯金属结晶过程中的一种现象。纯金属的结晶过程总是在一个恒定的温度下进行的。这是由于金属是晶体，其内部原子是按一定规律排列的，金属结晶成晶体的温度和冷却速度有关，冷却速度决定结晶温度。冷却速度越快，结晶温度就越低。我们把金属在缓慢冷却时的结晶温度称为理论结晶温度。而在实际生产中，液态金属的冷却速度不可能非常缓慢，总是在一定的冷却介质中(如：空气、油、水等)以一定的速度进行冷却。所以，实际发生结晶的恒温温度总要比理论结晶温度低，我们把这种现象称为“过冷”。学生往往不明白，为什么冷却速度快了，金属的结晶温度就低了呢?我给同学们举了一个这样的例子：这就像体育比赛短跑项目一样，当你使用全身的力量跑向终点线时，你能否立即就站立住?不能，而是会超过终点线一段才能停下来。而你如果缓慢的步行到终点线时，你会很自然地立即停下来。经过举此例子，学生马上明白了，而且记忆很牢。

　　总之，在《工程材料》的教学中，针对课程中的某些疑难的内容、概念，应尽可能的多采用有趣、直观、多样的方式进行启发式教学;多例举生活、生产中的实例，以学生为中心，活跃课堂气氛。将抽象、深奥的知识，用生动形象的语言和举例深入浅出地讲授给学生，使学生能够相对容易地理解和吸收，且能举一反三，应用到实际中去，这样就达到我们最终的目的了。

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