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《材料科学基础》课程中案例式教学的探索与应用
发布时间:2021-10-15 点击: 发布:《教育教学论坛》杂志社
《材料科学基础》课程中案例式教学的探索与应用
郭艳华1,董月成1,牛京喆2,李 鑫1   
(1. 南京工业大学 材料科学与工程学院,江苏 南京 211816;
 2. 西安交通大学 金属材料强度国家重点实验室,陕西 西安 710049)
 
[ ]《材料科学基础》课程是高等学校材料科学与工程学院普遍开设的一门专业基础课。本文选择该课程中的“材料的烧结”内容作为代表开展案例式教学的探索。该章内容涵盖了热力学、动力学、组织学等多个方面,对今后从事科学研究工作的同学尤为重要。传统的课本教学无法帮助学生全面的理解烧结参数对材料烧结的影响。通过案例教学的教学方式,采用实际案例引导学生思考材料学的核心内容:“成分-组织-性能”关系,有助于提高学生的知识运用能力并提高教学质量。
[关键词]材料科学基础;案例教学;材料的烧结
[基金项目]江苏高校品牌专业建设工程资助项目 (项目编号:PPZY2015B128);2019年度南京工业大学校级教改项目“工程教育专业认证背景下材料科学基础教学改革研究” (项目编号:20191067);2019年度南京工业大学专业学位研究生工程实践创新能力培养重点案例建设项目“钛合金低成本加工技术”
[作者简介]郭艳华(1983-),女(汉族),江苏南京人,博士,讲师,研究方向:高强韧钛合金的设计与开发
Exploration and Application of Case-based Teaching in the Fundamentals of Materials Science
GUO Yan-hua 1*, DONG Yue-cheng 1, NIU Jing-zhe 2, LI Xin 1
(1. College of Materials Science and Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing, Jiangsu 211816, China;
2. State Key Laboratory for Mechanical Behavior of Materials, Xi’an Jiaotong University, Xi’an, Shaanxi 710049, China)
Abstract: The Fundamentals of Materials Science is a basic course commonly offered for engineering students. This article selects the chapter "Sintering of Materials" in this course as a representative to explore the case-based teaching. This chapter covers many aspects such as thermodynamics, dynamics, metallography, etc., and is especially important for students who will be engaged in scientific research in the future. Traditional textbook teaching cannot help students fully understand the effect of sintering parameters on material sintering. By case teaching, we are able to using practical cases to guide students to think the core content of materials science: the relationship between “Composition-Morphology-Performance” and helps students to improve their knowledge using ability, their learning motivation, and improve teaching quality eventually.
Key words: case-based teaching; the Fundamentals of Materials Science; sintering of materials
一、引言
烧结是粉末冶金、陶瓷、耐火材料与超高温材料等制备过程中的重要工序[1]。烧结完成后,原本是粉末状的物料将会变为一种多晶的致密体。烧结工艺不同于传统的金属熔炼,使物料完全熔化再结晶,形成一个全新的合金固溶体,烧结过程中,烧结温度一般远低于固态物质的熔融温度。烧结后,物料的显微结构为晶体、玻璃体与气孔等组成的多晶材料。
《材料科学基础》这门课程,是大部分院校针对材料与材料科学院相关专业的学生开设的一门专业基础课程。教学过程中,材料的烧结部分往往在书本的后半部分,且内容上涉及的知识面很广,一般包括概念、过程、传质机理、晶体的生长与工艺控制等多个方面。实际教学中,受教学时间与教学场地的限制,学生常常无法身临其境的理解与体会烧结过程与参数对烧结结果的影响,导致教学效果不够理想。而案例教学,是前美国哈佛大学法学院院长朗代尔于1870年提出的一种开放式、互动式的教学方式。其通过特定的案例,使学生在充分理解案例内容后,展开开放性的讨论与交流,让学生获得认识、分析、解决问题的思路与能力。通过特定的案例选择,将有助于帮助学生更好地理解课本上的内容,提升思考与动手实验的能力,串联起各章节所学知识,使得实现知识点的融会贯通。
二、典型案例的选择
案例教学法的重点在于案例的选择。选择时,案例应包含尽可能多的知识点,为学生提供足够的研讨与思维空间[2]。对于《材料科学基础》等类似书籍中,烧结部分提出的实例,其内容常常是为了说明某些观点而给出的简化实验过程或结果,忽视了大量的实验条件,缺乏完整性,并不利于学生理解和掌握烧结过程中各参数对结果的影响。值得庆幸的是,各数据库中,关于材料烧结的研究论文数量庞大,且每年仍在大量发表。虽然这些研究论文常是为了获得某种材料性能,而将文章重点放在了材料的结构与性能上,研究内容不够全面。但通过教师的整理,可以通过设定特定内容的案例,将此类论文作为教学案例,应用在课堂教学中,培养学生对材料学核心内容:“成分-组织-性能”关系的认识。同时,案例教学亦可以培养学生查阅文献、整理汇总数据的能力,提高学生的科研水平。
作者通过结合本学院现有学科特色与日常工作中的经验,制定了以下几种案例,以帮助学生更好的理解“烧结工艺”中,各项参数对材料烧结后各项性能的影响。与此同时,以案例的形势,进一步完善课本中的教学内容。
三、实际案例——不同烧结工艺选择对烧结性能的影响
根据条件诸如:烧结气氛、加压方式、加热方式的不同,烧结工艺可以大致分为:普通烧结、热压烧结、热等静压烧结、反应烧结、气氛压力烧结、微波烧结、放电等离子体烧结、化学气相沉积、磁控溅射等等。本文选取两种典型材料: Ti-6Al-4V合金和纳米氧化锆陶瓷的烧结制备过程做为实例进行案例式教学法的探索。
Ti-6Al-4V合金(TC4合金),是钛合金中应用规模最为广泛的合金材料,年消耗量占钛合金总量的50%以上[3],其比强度高,耐蚀性能好,被大规模应用于石油化工、航空航天与海洋材料上。针对TC4合金的使用,粉末冶金烧结法是制备TC4块体材料的主要加工方法之一。各数据库中已有大量针对其烧结性能的研究的文章。通过对比该类文章中的结论可以发现,不同烧结工艺带来的性能差异较为显著,尽管有一些影响因素是由某些合金粉末的杂质含量引起的,但烧结方法会显着影响其致密化过程和机械性能。
针对TC4粉末烧结,现有文献中可以查阅到大量不同烧结工艺制得的产品参数。由于课本篇幅的限制,许多烧结工艺及不同工艺选择对实验结果的影响在课本中并没有详细介绍。例如,采用Micro-FAST多物理场活化烧结微成型技术,在1000℃的烧结温度,75MPa烧结压力下,制备的TC4块体材料具有380.3HV的维氏硬度[4]。若采用放电等离子烧结工艺对TC4合金粉末进行烧结,在850℃烧结温度,40MPa的烧结压力下,其块体致密度达到99.09%,硬度约等于415HV[5]。针对高压烧结的方法,若使用六面顶压机,在800℃,4GPa的压力下,得到致密度96%,硬度为435HV的致密材料[6]。由此可见,烧结材料的性能对烧结工艺十分敏感。针对同种烧结材料,若为得到性能相近的材料,其烧结温度与烧结压力等工艺选择十分重要。
纳米氧化锆陶瓷由于具有优异的硬度、强度以及一定的韧性而被广泛的应用于航空航天、生物医药、电子科技等领域,尤其是在口腔医学,人体骨骼等方面的应用[7, 8]。但是,想要获得高性能的纳米氧化锆陶瓷,对其烧结方式、烧结温度、烧结时间、烧结助剂等的选择至关重要。陈静[9]等人研究了通过共沉淀法在600℃煅烧2h后获得晶粒尺寸为13nm,晶型和团聚现象都良好的纳米氧化钇稳定的四方氧化锆(3Y-TZP)粉体;并通过两步烧结法在1200℃保温35h后,将温度降到1050℃在保温35h,制备出晶粒尺寸约为100nm,相对密度大于98%的3Y-TZP陶瓷。李欢[10]等人通过添加0.5 wt.%的烧结助剂,在1350℃下制备出相对密度达到97.16%,硬度为2032.8HV,抗弯强度300MPa的3Y-TZP陶瓷。郭文荣[11]等人通过高能球磨法制备了3Y-TZP粉体,后经过1450℃煅烧制备出相对密度高,晶粒尺寸小,致密度高的3Y-TZP陶瓷。由此可见,不同的烧结方式、烧结温度以及烧结助剂的选择会造成3Y-TZP陶瓷性能的不同,制定出满足使用需求的烧结工艺是每一代研究学者追求的目标所在。
在教学过程中,为加深学生对烧结工艺与参数对实验结果的影响,提高学生团队合作以及文献查阅能力,可制定以下案例教学方案,帮助学生理解材料烧结章节中的部分内容:
(1)人员分组:按照课堂教学人数,将学生以3-5人为规模分为若干组;
(2)课题选择:针对两种典型材料的不同烧结方式,为帮助学生理解不同烧结方式之间的工艺差异与烧结特点,要求学生在普通烧结、热压烧结、热等静压烧结、反应烧结、气氛压力烧结、微波烧结、放电等离子体烧结、化学气相沉积、磁控溅射等常见烧结方式中,以小组为单位,选择一种烧结方式,对某种材料在该烧结方式下的实验参数与结果进行研究与讨论;
(3)文献调研:安排学生利用课余时间进行不低于10篇的参考文献调研,并撰写调研报告;
(4)成果展示:安排学生在学期末课堂教学环节,以小组口头报告与调研报告相结合的方式进行调研结果展示。所展示内容打分后计入课堂平时成绩。
实际教学中,通过设定此类案例教学,可以引导学生思考实验设计及方式对实验结果的影响,加深学生关于烧结工艺的认识与理解,提高学生科研实验设计能力。同时培养学生的团队合作与文献调研的经历将有助于学生将其应用到后续课程和生产科研中。
四、结束语
在如今的本科生教学过程中,教师们普遍反映课堂教学时间短,课程涉及知识面大,教学深度难以提高。对于专业基础课来说,学生常常在参加完课程的学习后,仍然无法将所学的知识与内容灵活应用在日常实验与解决实际生产问题中。通过案例教学的模式,学生可以深刻理解课本上核心知识点。同时,教师可以在课堂上通过引导学生对实际案例的思考与讨论,加深学生对章节间内容的联系,帮助学生融会贯通的理解所学内容,系统的掌握该门课的核心问题。有效提高学生的科学素养以及解决实际问题的能力。
 
参考文献
[1] 张其土. 无机材料科学基础[M]. 上海: 华东理工大学出版社, 2007:294.
[2] 李蔚, 刘学良, 李欣欣, 等. 无机材料科学基础课程中烧结过程的教学改革尝试[J]. 化工高等教育, 2019, 36(02):68-71.
[3] 王晓敏. 工程材料学[M]. 修订版. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 2005: 177.
[4] 吴秀丽, 杨屹, 杨刚, 等. 烧结温度对Micro-FAST制备TC4钛合金的影响[J]. 中国有色金属学报, 2018, 28(10):67-73.
[5] 邵泽宁, 史国权, 魏文猴, 等. 正交试验优选TC4钛合金粉体放电等离子烧结工艺[J]. 机械工程材料, 2016, 40(7):39-42,113.
[6] 郑建华. TCA钛合金粉末的高压烧结制备及性能[D]. 燕山大学, 2011.
[7] 孙正球, 苗鸿雁, 谈国强. 液相烧结3Y-TZP全瓷牙科材料及力学性能研究[J]. 云南大学学报:自然科学版, 2005, (S3):409-413.
[8] Mayo M J , Hague D C , Chen D J . Processing nanocrystalline ceramics for applications in superplasticity[J]. Materials Science & Engineering A, 1993, 166(1-2):145-159.
[9] 陈静, 黄晓巍, 覃国恒. 两步烧结法制备纳米氧化钇稳定的四方氧化锆陶瓷[J]. 硅酸盐学报, 2012, 40(3):335-339.
[10] 李欢, 薛屺, 牟军, 等. 低温烧结3Y-TZP陶瓷的研究[J]. 人工晶体学报, 2018, (6):1204-1209.
[11] 郭文荣, 包金小, 宋希文. 氧化钇稳定氧化锆四方多晶陶瓷的制备工艺和性能研究[J]. 内蒙古科技大学学报, 2016, (35):220.