安全工程专业机械工程材料课程

关键词：安全工程专业；机械工程材料；教学改革

安全工程专业属于涉及面极广的综合交叉专业，注重培养能够从事安全技术及工程、安全科学与研究、安全监察与管理、安全设计与生产、工作场所危险有害因素识别与检测等方面工作的复合型高级工程技术人才[1]。随着国家、企业和个人对安全工作的日益重视以及全国300人以上高危企业的日益增多，安全工程专业人才的需求市场巨大，即使近年来毕业生数量已大幅度增加，也仍处于供不应求的状况。开办安全工程专业的高校类型很多，但主要为理工类院校，而且各个院校的安全工程专业都有其自身的特色，例如：中国矿业大学安全工程专业在煤矿安全领域拥有多个国家级重点实验室；中国科技大学安全工程专业在火灾科学和城市公共安全研究领域居于国际先进水平；河南理工大学安全工程专业在瓦斯地质与瓦斯突出防治、通风理论与技术等领域有着鲜明的优势；中南大学安全工程专业主要聚焦于安全工程方面的设计、研究、检测、评价、监察与管理等方面；西安科技大学安全工程专业形成了煤火科学与防控、矿山设备安全与救援、智慧消防等特色鲜明的研究方向。作为河南省一级重点学科和高等学校特色专业建设点，郑州大学安全工程专业面向机械、材料、土木、交通等工程领域，培养具有扎实的力学基础理论、安全科学与工程基础知识、工程结构与设备方面的专业技术知识的创新型工程技术人才，在提高工程结构和设备及其零部件的寿命等方面具有明显的优势和特色[2]。郑州大学安全工程专业已与宇通集团有限公司、卫华集团有限公司、中信重工机械股份有限公司、中国建筑第七工程局有限公司等河南省知名制造建筑企业联合共建了多个稳定的教学实习基地，致力于服务本省的优势产业并与之相辅相成、共同发展。机械设备在采矿业、制造业、建筑业、航空航天以及人们日常生活中应用非常普遍，是人类探索和利用大自然并使之更好地为人类服务的重要工具[3,4]。然而人类的血肉之躯在冰冷的钢铁之体面前却是非常的脆弱，一个小小的机械事故常会造成巨大的经济损失和难以挽回的人员伤亡。许多高校的尤其是以设备安全为特色的安全工程专业，都开设有机械类基础课程，如：机械设计基础、机械安全工程、机械工程材料和设备结构安全分析等，而这些课程的教学内容应针对安全工程专业的培养目标和专业特色进行适当的调整[5,6]。下面就以机械工程材料课程为例，探讨其面向安全工程专业的教学内容和方式。

（一）机械工程材料材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志，人类社会依据制造生产工具的材料可划分旧石器时代、新石器时代、青铜器时代、铁器时代、钢铁时代和新材料时代。机械工程材料是用于制造各类机械零件、构件的材料和在机械制造过程中所应用的工艺材料，相关研究跨越机械和材料两个学科：一方面从机械工业的需求出发，推动材料科学技术的发展；另一方面借助材料科学的新进展，推动机械工程技术的革新。

（二）课程内容及特点机械工程材料课程主要讲授零（构）件和器件在不同服役条件下的失效方式及其对性能的要求，以及机械设计者和制造者必须具备的材料基础知识和基本理论；介绍各类工程材料的成分、组织结构与冷、热加工（或合成）工艺、性能特点和应用范围，并以实例说明如何根据零（构）件或器件的不同服役条件和性能要求进行合理选材。该课程在讲授方面概念多且较为抽象，前后内容逻辑联系少，没有数学公式推导；在考试方面记忆点多，文字作答多，数学计算少；在实验方面由于金相实验对实验设备要求高，热处理实验对实验场合和操作要求特殊，因而不便让学生动手操作。以上特点使本科生在学习机械工程材料课程时容易感到枯燥而不够重视，尤其是非机械类的学生会对这门课程的学习目的感到迷茫，从而丧失兴趣和主动性。

（三）学习本课程的必要性对于毕业后直接就业的安全工程专业本科生而言，他们的就业领域大都为建筑和制造行业，而碳钢、铸铁、合金钢、铝合金等材料在这些行业中使用普遍。从事这类行业的本科生若要评判建筑结构和设备是否用材合理和安全，就要熟悉这门课程。机械工程材料是联系其它理论知识与工程实际的必不可少的桥梁，该课程的内容是工程人员经过大量实验总结而成的，具有很强的实践指导意义，在安全评估和提出改进设计时可作为工具书进行参考。对于毕业后继续深造的安全工程专业本科生而言，他们在将来的研究生阶段大都从事力学、材料、机械、土木方面的研究。在此类研究领域中常要对材料或结构进行力学试验以及进一步改进，因此需要熟悉常用工程材料的使用性能、工艺性能、显微组织以及性能改进方式等，这些正是机械工程材料课程的教授内容。该课程能够有效指导研究人员在工程结构/材料的设计和试验中如何选用和改进材料，使结构和设备更加安全可靠。

（一）针对安全工程专业的教学内容基于从“问题”和以“问题”为归的思想，在给安全工程专业本科生讲授机械工程材料课程时，要从设备零件失效着手，重点讲解零件过量变形、断裂、磨损、腐蚀和蠕变等的具体失效形式、失效原因和相应的材料抗力指标，使学生能够根据零件工作条件和失效方式合理选材与使用材料。为进一步使学生能够合理制定冷、热加工工艺路线以改进材料，需重点讲授铁碳合金相图、压力加工的影响、奥氏体转变图和钢的普通热处理等内容。最后从实际案例出发对机械设备关键零部件的工作条件、常见失效形式以及选材及改进材料的方式进行系统讲解，使学生能够将重要知识点串联起来，以加深印象并能活学活用。除了上述重点讲授内容，还需使安全工程专业本科生熟悉了解合金钢、铸铁、有色金属及其合金等工程中常用金属材料的基本概念、性能特点和适用场合。通过讲解合金元素的作用、铸铁的石墨化、铝合金的时效强化等理论知识，使学生在以后工作研究中遇到此类材料时能够有目的地查询和学习相关专业书籍，以进一步深入掌握相应的知识体系。

（二）面向安全工程专业的教学方法首先，在结合安全工程专业特点的基础上要充分发挥多媒体教学的优势。为了提高该专业本科生的学习兴趣，要从机械零件（或器件）的失效分析开始讲解，建议采用西安交通大学沈莲主编的《机械工程材料》教材[7]。在首次课上先播放典型设备零件的失效视频，并展示一些由零件失效造成的安全事故案例，使学生直观认识到起这门课与安全工程专业之间的联系。在具体讲解不同的失效类型时，可通过播放视频动画和讲述相应案例等手段提高学生的学习兴趣并加深他们对知识理论的理解，比如：在讲解冲击韧性和韧脆转变温度这类重要知识点时，先播放一段泰坦尼克号撞击冰山而快速沉没的电影桥段，然后通过提问的方式让学生判断这个事故归咎于材料的韧性断裂还是脆性断裂并进行解释，最后给出答案和详细分析，并进一步引导学生对一些难以预料的安全事故进行思考。其次，对于重点核心内容要采用灵活的教学方法并激发学生主动获取知识的能力。教学方法的选择因内容而异：对于马氏体、奥氏体和铁素体这类相近的概念，要采用异同比较法找出它们的共性和区别；对于“热加工”和“冷加工”这类正好相反的概念，要采用相反相成比较法对它们的定义进行界定；对于铁碳合金相图这类知识点多而难以记忆的概念，要采用口诀记忆法并反复进行训练。此外要让学生在课下做好温习和预习工作，并定期进行检查、答疑和总结，以调动学生学习的积极性和主观能动性。最后，引导学生综合运用本门课所学知识对真实案例进行设计和分析，以提高他们对知识理论的掌握程度和运用能力。一个典型的案例就是火箭发动机壳体的选材，工程师在初始设计时为了减轻自重而选择了超高强度钢，但在实际打压试验中，壳体在远低于工作应力的情况下发生爆裂。于是人们依照经典设计思想选用了强度更高的钢，结果爆裂发生在更低的应力下。这个案例可作为课堂讨论题目组织学生分组进行讨论和分析，加深他们对断裂韧度等指标的认识。类似话题还有飞机机翼为何采用刚度不高的铝合金，汽车板簧为何不采用弹性模量较低的橡胶等。在案例分析讨论的基础上，再系统讲解材料强度、塑性和韧性的合理配合，以及如何根据材料的使用性能、工艺性能和经济性进行选材等知识点。

钢铁、有色金属等机械工程材料在航空航天、土木建筑、车辆船舶、机械化工等领域应用广泛。作为与机械设备和建筑结构关系紧密的安全工程专业，很有必要开设机械工程材料课程并针对专业特点对这门课程进行教学改革。本文从激发学习兴趣和加强应用能力等方面对面向安全工程专业本科生的机械工程材料课程进行了教学探讨，未来将结合教学实践和课堂反馈对课程教学内容、教学方法以及考核方式进行系统深入的思考和改革，以期全面提高教学和人才培养质量。