航空类专业工程材料学课程教学改革探讨论文
摘要：
材料科学技术对航空航天领域的发展具有重要的支撑作用。“工程材料学”是航空主机类专业学生学习掌握材料知识的主要渠道。本文以相关专业实施“卓越工程师”教育培养计划为背景，研究了航空类不同专业对材料知识的需求，探讨了在不增加总课时的前提下改善课程教学效果、提高教学质量的途径。
关键词：
“工程材料学”；航空航天专业；教学改革
“工程材料学”是航空主机类专业（包括飞行器设计与工程、飞行器动力工程、飞行器制造工程和机械工程等专业）的学科基础课程。该课程虽然仅有48学时，但承担着为未来的航空工程师构建材料知识体系的重任，对学生今后的发展起着重要作用。本文结合近年的工作实践，对该课程在教学要求、教学内容和教学方法等方面的改革进行研讨。
一、高度重视航空和材料领域发展对“工程材料学”课程教学的影响
材料学既是基础科学，也是应用科学。材料科学与技术的发展，解决了很多工程领域的关键问题，有力地推进了相关科学和技术的进步，使得材料科学成为最活跃的科学领域，材料产业也成为国民经济发展的重要支柱产业。“工程材料学”以物理学、化学等理论为知识基础，系统介绍材料科学的基础理论和实验技能，着重培养学生把这些知识应用于解决工程实际中提出的对材料结构、性能等方面问题的能力。作为一门重要的学科基础课程，“工程材料学”具有较长的开设历史，在人才培养中发挥了重要的作用。航空航天领域的发展对工程技术人员的能力素质提出了更高的要求，特别是“卓越工程师”教育培养计划的实施，对工程类课程建设的需求更加迫切，有必要以新的形势为背景反思该课程的教学改革。航空以众多学科知识、先进研究成果为基础，已发展成为一个由多个分系统组成的大系统，需要工程技术人员采用系统工程的方法进行综合设计。现代航空技术一百多年的发展，使得人们可以在更大的范围内探索天空，也使得飞行器的工作条件更加恶劣，工作环境更加严苛。现代飞行器不仅要具有速度快、航程大、载重多等特点，还要满足节能低碳等要求。材料科学技术的发展，为解决航空航天领域的诸多难题提供了可能，“一代材料，一代飞机”已成为飞行器发展公认的规律。这对航空航天工程技术人员的材料知识提出了更高的要求。在飞行器及其主要部件的设计、制造和维护工作中。
要全面认识材料的性质和特点，才能挖掘材料的潜能，充分利用材料的特性，满足工作需要。面对航空航天迅猛的发展形势，仅了解和掌握已有材料的知识是不够的。具有创新素质的工程技术人员，要了解材料科学与工程的发展方向和趋势，分析材料领域的发展对航空航天领域的影响，同时要认真研究具体工作对新材料、新工艺的要求，明确材料发展的需求。在新型飞行器的研发过程中，要综合考虑用户对飞行器总体性能的多种要求，对各项技术参数进行统一的优化。在落实对飞行器性能的要求时可以发现，很多要求是相互矛盾的，比如飞机的航程和机动性就存在着较大的矛盾。为了获得较好的综合性能，需要对飞机进行一体化设计，要及时掌握各种设计方案对飞机主要材料和工艺的要求，对飞机整体结构进行综合优化。在此过程中，各部门工程师都需要和材料系统密切配合，才能实现信息和资源共享，降低全系统的风险，提高系统的可靠性和综合性能。材料科学技术的迅速发展也对课程教学提出了新的要求。材料科学与技术是研究材料成分、结构、加工工艺与其性能和应用的学科。在现代科学技术中，材料科学是发展最快速的学科之一，在金属材料、无机非金属材料、高分子材料、耐磨材料、表面强化、材料加工工程等主要方向上的发展日新月异，促使“工程材料学”课程内容的不断充实。“工程材料学”课程要系统讲授材料科学与技术的基础理论和实验技能，使得学生掌握工程材料的合成、制备、结构、性能、应用等方面的知识。早期的航空工程结构以自然材料为主，如在美国莱特兄弟制造出第一架飞机上，木材占47%，普通钢占35%，布占18%。随后，以德国科学家发明具有时效强化功能的硬铝为代表，很多优质金属材料被开发出来，使得大量采用金属材料制造飞机结构成为可能，也使得研究者们投入了更多的精力于金属材料的探索。相应地，这一时期“工程材料学”课程内容也以金属材料为主。上世纪70年代以后，复合材料开始在航空领域应用。复合材料具有较高比强度和比刚度的优点使得工程技术人员对其抱有很大的希望。航空工程师首先采用复合材料制造舱门、整流罩、安定面等次承力结构，而现在复合材料已广泛应用于机翼、机身等部位，向主承力结构过渡。复合材料因其良好的制造性能被大量应用在复杂曲面构件上。复合材料构件共固化、整体成型工艺能够成型大型整体部件，减少零件、紧固件和模具的数量，降低成本，减少装配，减轻重量。复合材料的用量已成为先进飞行器的重要标志。相应地，复合材料必然要在“工程材料学”课程中占重要地位。钛合金的开发和应用使得飞行器具有更好的耐热能力，提高了发动机、蒙皮等结构的性能，有效解决了防热问题。“工程材料学”课程的教学内容应该及时反映材料科学在提高飞行器性能方面的新应用与新进展。与此同时，其他相关学科也取得了长足的发展，使得主机专业教学内容大幅度增加，“工程材料学”课程的教学内容和学时之间的矛盾愈加突出。
二、认真分析专业教学对“工程材料学”课程的不同要求
“工程材料学”课程是一门重要的学科基础课，是基础课与专业课间的桥梁和纽带，在航空航天主机类专业培养学生实践动手和创新创造能力，提高学生综合素质等方面具有重要作用。在多年的教学实践中，该课程对主机类各专业采用同一标准教学。虽然主机类各专业人才培养有其共性要求，但随着航空航天事业的发展，专业分工越来越细，差异化特征也越来越明显，因此“工程材料学”课程应该充分考虑不同专业的具体需求，结合各专业的课程体系安排教学。飞行器设计与工程、飞行器动力工程、飞行器制造工程和机械工程等主机类专业根据航空领域中的分工培养学生，毕业学生的工作要求有所不同，对知识结构的要求也不一样。就材料方面知识而言，不同专业学生也会有所区别，应按照专业特点纵向划分对“工程材料学”课程的要求。不同专业主要服务对象的材料特点是确定课程要求的主要依据。飞行器设计与工程专业要全面统筹飞行器产品及各部件的设计和制造，主要从事飞行器总体设计、结构设计、飞机外形设计、飞机性能计算与分析、结构受力与分析、飞机故障诊断及维修等工作，要求了解材料科学与工程的发展对现代飞行器设计技术的影响，因此要较全面地掌握主要航空材料的性能、制造等方面的知识，了解轻质高强材料的发展动态和发展趋势。飞行器动力工程专业要求学生学习飞行器动力装置或飞行器动力装置控制系统等方面的知识，主要培养能从事飞行器动力装置及其他热动力机械的设计、研究、生产、实验、运行维护和技术管理等方面工作的高级工程技术人才。
飞行器动力的重要部件对抗氧化性能和抗热腐蚀性能要求较高，要求材料和结构具有在高温下长期工作的组织结构稳定性。因此，材料在高温下的行为、性能和分析、选择方法应该是该专业“工程材料学”课程的重点。飞行器制造工程和机械工程等专业要针对现代飞行器工作条件严酷、构造复杂的特点，采用先进制造技术，实现设计要求，并为飞行器维护提供便利。该专业要求学生理解飞行器各部件的选材要求，掌握材料的制造工艺。飞行器零部件形状复杂，所用材料品种繁多，加工方法多样，工艺要求精细。很多新材料首先在航空航天领域得到应用，其制造技术具有新颖性的特征，设计、材料与制造工艺互相融合、相互促进的特点非常明显，这就要求学生在“工程材料学”课程中把材料基础打好，适应工艺和材料不断发展的要求。虽然各专业对“工程材料学”课程的要求有所不同，但课程基础一致。该课程名称为“工程材料学”，即明确其重点在于将材料科学与技术的成果运用于航空航天工程，把材料基本知识转化为生产力。“工程材料学”是相关专业材料学科的基本课程，学生要通过该课程了解金属材料、无机非金属材料、高分子材料等微观和宏观基础知识，学习材料研究、分析的基本方法，掌握材料结构与性能等基础理论，研究主要材料的制备、加工成型等技术，为更好地学习专业课程创造条件，为将来从事技术开发、工艺和设备设计等打下基础。由此可见，在明确了各专业对该课程的个性化要求的基础上，更要明确共性要求。“工程材料学”课程要培养学生材料方面的科学概念，提升材料方面的科学素质，扎实的材料科学与技术知识基础是学生学习专业课程、提高综合素质、培养创新能力的必备条件，是进一步发展的基础。因此，“工程材料学”课程采用“公共知识+方向知识”的模式比较合适，即把教学内容划分为每个专业均要求了解的材料领域知识和根据各个专业特色需要重点介绍的知识两部分，既满足了宽口径、厚基础的教学需要，又注重了后续专业课程学习和能力培养的要求，促进了基础理论和专业应用的融合渗透，较好地满足了材料、设计、制造、维护一体化发展的需要，增强了跨学科、跨专业认识问题、思考问题和研讨问题的能力。
三、多管齐下建设丰富的教学环境
作为一门学科基础课程，“工程材料学”课程要根据学校人才培养创新目标和相关专业的人才培养标准、方案，结合卓越工程师教育培养的要求，注重与专业课程体系的融合，注重与工程实践教育的结合，注重对学生创新意识、创业能力及综合运用知识能力的培养。在充分调研与分析专业人才培养对课程教学要求的基础上，要对课程的教学大纲和内容进行修订，与相关教学环节有效整合，拓展教学活动的空间，营造良好的学习环境和氛围，加强与后续课程及实践活动的联系，解决学科基础课的教学与专业人才培养需求的脱节或不衔接等问题。“工程材料学”在第四学期开设，是一门承前启后的.课程。在前期开设的课程中，“大学物理”和“航空航天概论”是两门直接相关的课程。“大学物理”提供了学习“工程材料学”的科学基础，认真分析“大学物理”知识点在“工程材料学”中的应用，有助于学生更好地理解相关概念。“航空航天概论”以航空航天领域的发展为主线，介绍飞行器的组成及工作原理。如果在“工程材料学”课程讲授之初让学生重新回到机库，从材料发展的角度再次审视航空航天的进步，结合材料学的概念研究飞行器的组成及工作原理，会使得学生对该课程有比较全面的认识。在相关专业的后续课程中，有好多课程与“工程材料学”密切相关，如“飞行器总体设计”、“发动机原理”、“先进制造技术”等。
如果在“工程材料学”中对有关知识点作简单介绍，可以使学生更好地综合分析相关概念，加深理解。在主机类专业培养方案中，“工程训练”是集中式的工程能力培养环节，其教学内容与“工程材料学”密切相关。“工程训练”教学内容以机械制造工艺和方法为主，包括热处理、铸造、锻造、焊接、车削加工、铣削加工、刨削加工、磨削加工、钳工、数控加工、特种加工、塑性成型等，每一种制造工艺和方法都与工程材料密切相关。在以前的教学工作中，材料是加工对象，对材料的性能等的介绍很简单，学生的认识较浅。如果在“工程训练”教学过程中，针对不同的加工工艺和方法对材料作较深入的介绍，从应用的角度分析不同材料加工工艺和方法的适应性，可以促进学生把材料理论知识的学习和工程实际联系起来。通过让学生分析研究实际材料在加工过程中的表现来认识材料的性能，通过感性认识来体会材料变化的规律，把深奥的材料科学理论知识和生动形象的加工过程结合起来。这样不仅强化了工程训练效果，还能让学生把材料的知识学活，留下更深刻的影响，更好地发挥学生的潜力。航空航天主机类专业的课程设计是重要的综合学习环节。课程设计任务一般是完成一项涉及本专业一门或多门主要课程内容的综合性、应用性的设计工作，通过一系列设计图纸、技术方案等文件体现工作成果。很多主机类专业的课程设计涉及材料的选用、处理等方面的问题。按照教学计划，“工程材料学”先行开设。因此，在相关课程设计中，有目的地提出材料问题，引导学生在更广的范围里选材，在更加深入的层面上分析材料性能，可以更好地调动学生自主探究材料科学的积极性，帮助学生把材料知识转化为初步的工作能力，克服课程知识的碎片化倾向。
四、结语
航空航天是现代科学技术的集大成者，该领域发展很大程度上取决于材料科学技术的进步。材料学是航空航天工程技术人员知识结构的重要组成部分。“工程材料学”要按照现代大工程观的要求组织教学，才能实现教学目标，提高培养质量。航空航天领域和材料科学技术发展，极大地丰富了“工程材料学”的教学内容。要根据学科领域的发展需要选择教学内容，按照理论实践结合、突出工程应用的要求构建知识体系。在教学工作中，应根据不同专业的培养要求，深入研究材料学的基本要求和各专业的发展方向，形成“公共知识+方向知识”的“工程材料学”课程结构，提高教学效率。统筹考虑专业教学与其他课程的联系，以及课程设计、工程训练、毕业设计等教学环节，以“工程材料学”课程为中心，注重课程的纵向推进和知识的横向联系，不断加深对材料学的理解和掌握，培养多角度研究分析、跨专业交流合作、多学科解决问题的能力。
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