Современный подход к методике обучения материаловедению в технических вузах Текст научной статьи по специальности «Науки об образовании»

Сиваша; ИНТЕГРАЦИЯ ОБРАЗОВАНИЯ

УДК 378.016:620.22

СОВРЕМЕННЫЙ ПОДХОД К МЕТОДИКЕ ОБУЧЕНИЯ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЮ В ТЕХНИЧЕСКИХ ВУЗАХ

М. Ю. Родиошкин, Э. В. Майков

(Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева)

Приводятся научно-методические основы формирования современных знаний о материалах при изучении курса «Материаловедение» в технических вузах.

Ключевыге слова: деталь; надежность; машиностроение; микроструктура детали; дислокационноструктурный механизм разрушения; методика обучения материаловедению.

На современном этапе развития российской экономики во всех отраслях народного хозяйства становятся все более необходимыми всесторонне подготовленные, высококвалифицированные специалисты в области машиностроения. В учебных планах технических вузов в подготовке таких специалистов большое место занимает курс «Материаловедение», направленный на достаточно глубокое изучение студентами не только вопросов общей теории материаловедения, но и целей, задач, инструментов и специфики его практического применения в различных областях деятельности.

Выпуск современных машин, производство машиностроительных конструкций, специальных приборов, металлорежущих инструментов и др. невозможен без знания традиционных и освоения новых, наиболее экономичных, материалов, без использования новейших методов их упрочнения. Изучая материаловедение, студенты знакомятся с основами строения материалов, их поведением в процессе пластической деформации (обработки давлением), термической, термомеханической, химико-термической и других обработок; с факторами, позволяющими формировать структуру; со свойствами и назначением промышленных материалов, от правильного использования которых зависят долговечность и надежность машин, конструкций, инструментов.

Важнейшей проблемой деятельности будущих инженеров является обеспечение надежности машиностроительных изделий на всех уровнях их создания и эксплуатации, что достигается повыше-

нием долговечности и надежности материалов.

Надежность — свойство объекта сохранять во времени и в установленных пределах все параметры, обеспечивающие выполнение требуемых функций в заданных условиях эксплуатации, — оценивается по следующим основным критериям: прочность, усталость, механическое изнашивание, теплостойкость.

Критериями прочности для различных случаев эксплуатации деталей и машин являются пределы прочности, пропорциональности, текучести, выносливости и др. Конструкторы и технологи при проектировании и изготовлении детали пользуются сведениями, уже известными для данного материала, полученными при лабораторных испытаниях, такими как предел на разрыв, на изгиб и др., т. е. при отдельных воздействиях того или иного фактора. Однако при эксплуатации детали в узлах машин и механизмов происходит одновременное синергетическое воздействие многих факторов: нагрузок (различных по силе, направлению, цикличности и т. д.); температур (различных по величине, перепадам и времени); химических сред, активных смазок; химической коррозии; реакций окисления, восстановления, замещения, диффузии и т. п.

Таким образом, в процессе эксплуатации детали величина прочности не соответствует заданной исходной и становится величиной переменной по времени и условиям эксплуатации. Это обусловлено синергетическим воздействием большого количества эксплуатационных

© Родиошкин М. Ю., Майков Э. В., 2012

№ 2, 2012

факторов, изменением во времени физико-механических свойств материала детали. Кроме того, все эти различные факторы, то возникающие, то исчезающие в процессе эксплуатации, взаимодействуют не только с деталью, но и между собой, оказывая общее синергетическое воздействие на прочность детали в любой момент времени ее эксплуатации.

Следовательно, можно сделать заключение, что, как исходная прочность

материала зависит от исходной микроструктуры, так и прочность детали в любой момент ее эксплуатации определяется микроструктурой материала на момент эксплуатации детали.

Таким образом, нами установлена методологическая связь между надежностью детали по основным критериям, эксплуатационными условиями, при которых работает деталь, и микроструктурой эксплуатируемой детали (рисунок).

Взаимосвязь между критериями надежности, эксплуатационными условиями и микроструктурой детали

Усталость, механическое изнашивание и теплостойкость материала изменяют микроструктуру детали. Если знать истинное состояние микроструктуры детали в любой момент эксплуатации, то можно прогнозировать дальнейший характер изменения микроструктуры ее поверхностного (рабочего) слоя, а значит, определять эксплуатационную надежность поверхностного слоя детали, несущую основную ответственность за ее надежность и долговечность. Считаем, что при обучении студентов технических вузов материаловедению должны более подробно раскрываться дислокационно-структурный механизм разрушения материалов и возможности релак-

сационных и рекристаллизационных процессов в условиях производства и эксплуатации, а эта фундаментальная основа рассматриваться на примере конкретных технологических процессов. Только в этом случае изучаемый курс будет профессионально направлен на специальность, а студенты будут мотивированы к изучению материаловедения, которое лежит в основе проектно-конструкторской, технологической и эксплуатационной инженерной практики.

Методика обучения материаловедению в техническом вузе, направленного на формирование у студентов инженерных специальностей современных знаний о материалах, реализуется в системе

ИНТЕГРАЦИЯ ОБРАЗОВАНИЯ

компонентов: цели обучения, содержание, методы, формы и средства обучения.

Соответственно формирование вышеуказанных знаний должно основываться на следующих положениях:

1) цель обучения должна соответствовать всем видам будущей профессиональной деятельности студентов;

2) содержание дисциплины должно соответствовать последним достижениям научно-технического прогресса;

3) методы обучения должны соответствовать принципу профессиональной направленности обучения и могут содержать элементы проблемного обучения;

4) формы обучения должны быть выбраны и направлены на повышение творческого уровня подготовки квалифицированных специалистов (дифференцированное, индивидуальное, компетентно-стное, проблемное и другие формы обучения);

5) средства обучения должны соответствовать последним достижениям научно-технического прогресса.

Последовательно раскроем содержание вышеперечисленных положений.

Четко определенная цель обучения материаловедению, профессионально направленная на будущую инженерную деятельность студента, определяет содержание дисциплины, дидактические принципы обучения, методы, формы и средства обучения. Соответственно методическая система обучения материаловедению в техническом вузе должна быть направлена на получение студентами обязательных знаний:

— микроструктуры сплавов как основного фактора надежности и долговечности деталей машин;

— пространственной атомно-кристаллической структуры материалов;

— аллотропических превращений компонентов сплавов, происходящих при различных технологических процессах (обработки давлением, резанием, термической и химико-термической обработки и др.);

— дефектов атомно-кристаллической решетки материалов деталей и их влия-

ния на эксплуатационные свойства деталей, механизмов и машин;

— дислокационно-структурного механизма разрушения;

— механизма структурных превращений в деталях из железоуглеродистых сплавов при эксплуатационных нагрузках;

— значения и влияния микроструктуры деталей машин при различных условиях эксплуатации на долговечность и надежность деталей машин;

— принципов выбора материалов деталей в зависимости от условий эксплуатации.

Содержание курса «Материаловедение» должно включать базовую (обязательную) и вариативную (профильную) составляющие. Базовая часть определяется основной образовательной программой высшего профессионального образования. Вариативная часть устанавливается вузом и дает возможность расширения и (или) углубления знаний, умений и навыков, определяемых содержанием базовых дисциплин (модулей), позволяет студенту получить углубленные знания и навыки для успешной профессиональной деятельности. В вариативной части нами предлагается ввести дополнительные главы, посвященные изучению структуры и свойств современных материалов, применяемых в практике машиностроительной отрасли.

Непрерывно возрастающие требования к свойствам материалов обусловливают необходимость опережающего развития научных разработок в области материаловедения. Современное материаловедение как наука о структуре и свойствах различных материалов существенно модернизируется за счет интеграции физики твердого тела, химии и технологии неорганических веществ, механики твердого деформированного тела и нелинейной механики разрушения. К настоящему времени появился новый класс материалов, искусственно созданных человеком, к которым относятся композиционные материалы и наноматериалы. Например, большой интерес для инженеров и исследователей представ-

№ 2, 2012

ляют углеродные материалы, из которых наиболее изученными, а также наиболее перспективными для целей практического применения являются углеродные нанотрубки.

В станкостроении следует освоить технологию изготовления специальных инструментов и оснастки повышенной прочности, износоустойчивости, жаро- и химической стойкости и пр. Практическое использование таких разработок может дать значительный эффект в области увеличения ресурса техники, энергосбережения, повышения прочностных характеристик применяемых материалов.

Содержание курса «Материаловедение» следует группировать вокруг фундаментальных физических и научно-технических теорий, что позволяет реализовать целостность образования. Методическая система обучения должна удовлетворять дидактическим принципам (научности, доступности, непрерывности и преемственности обучения, межпредметных связей и др.) и в основном строиться на принципе единства фундаментальности и профессиональной направленности обучения.

Способами реализации цели и содержания являются методы, формы и средства обучения.

Методы обучения должны обеспечивать готовность будущего специалиста не только к освоению определенных знаний, умений и навыков, но и к их постоянному совершенствованию, развитию творческого потенциала. Поэтому перед любым преподавателем возникает вопрос: как, не разрушая целостность научной дисциплины, заинтересовать студента в углубленном изучении предмета, усвоении максимально возможного материала, как создать фундамент для самостоятельной подготовки? Приоритетными методами являются гностиче-

ские (проблемного изложения, частичнопоисковый, исследовательский и др.), методы самоуправления учебными действиями (самостоятельная работа с литературой, над задачей и др.).

В качестве форм обучения материаловедению предлагаются традиционные лекционные и лабораторные занятия (или комбинированные лекции — лабораторные работы), а также самостоятельная работа студентов, включающая подготовку сообщений, рефератов по наиболее актуальным и современным темам курса. Однако как бы интересен ни был материал программы, как бы он ни учитывал специфику специальности, необходим мощный стимул, побуждающий студента к углубленному изучению и усвоению материала. Поэтому мы предлагаем проводить рубежный контроль получаемых студентами знаний, так как помимо контрольной он имеет и обучающую функцию.

Средствами обучения студентов инженерных специальностей на занятиях по курсу «Материаловедение» выступают задания к лекциям, лабораторным и самостоятельным работам, составляющие единую систему. Для реализации современного подхода к разработке новых материалов и технологий на базе физического моделирования процессов термомеханической обработки металлов необходимо использование в учебном процессе современных компьютерных технологий.

Таким образом, выделенные компоненты методической системы обучения материаловедению в техническом вузе могут стать основой для формирования у студентов инженерных специальностей современных знаний о материалах и способствовать подготовке компетентных, высококвалифицированных специалистов в области машиностроения.

Поступила 12.01.12.