Innovations and problems of the course “Science of materials and technology of construction materials”

Abstract

The paper considers some innovative approaches for the study of the basic sections of the course and during the development of iron carbon alloys particularly. Methods of intensification of using interactive methods of training and knowledge control are suggested.

Full Text

В последние годы в условиях рыночных отношений и необходимости создания новых машин и конструкций в различных отраслях промышленности соответствующих мировому уровню, значительно расширяется номенклатура материалов с повышенными требованиями к прочности, жаростойкости, коррозионной и химической стойкости. При эксплуатации выбранные конструкторами и технологами материалы подвергаются разнообразным эксплуатационным нагрузкам, поэтому при изучении материаловедения и технологии конструкционных материалов должны более детально раскрываться современные, признанные в научной практике механизмы разрушения материалов. В настоящее время для большинства направлений подготовки бакалавров и магистров области техники и технологий предусмотрен единый курс «Материаловедение и ТКМ» со своими компетенциями с учетом профессиональной направленности. Вследствие резкого уменьшения учебных часов на данный курс и в связи с тем, что он затруднителен для понимания студентами с их современным компьютерным мышлением из-за его сложности, описательности и многословия имеются определенные проблемы. Проблема изучения материаловедения и ТКМ заключается в обеспечении студентов знаниями и умениями: 1) по выбору оптимальных материалов, что до недавнего времени в учебном процессе решалось описательными курсами материаловедения (сведения о существующих и новых разрабатываемых и внедряемых материалах; о структурных превращениях, сопровождающих термическую обработку при температурах значительно более высоких, чем температуры, возникающие в деталях машин при их эксплуатации); 2) по определению способности материалов увеличивать срок эффективной и функциональной работы промышленных объектов, что решается изучением структурных превращений под действием многочисленных эксплуатационных факторов, определяющих процессы разрушения материалов. Именно второе при обучении студентов раскрывается недостаточно и снижает уровень подготовки кадров. Идея о том, что все материалы изменяют свои структуры, а, соответственно, и прочностные свойства в периоды их получения, изготовления из них деталей и эксплуатации последних должна быть фундаментальной основой при изучении материаловедения и ТКМ и раскрываться при рассмотрении: 1) микроструктуры сплавов как основного фактора их надежности и долговечности; 2) пространственной атомно-кристаллической структуры материалов; 3) аллотропических превращений, происходящих на различных стадиях термической и др. видов обработки материалов; 4) возникновения дефектов атомно-кристаллического строения и их влияния на физико-механические свойства материалов, на надежность деталей и машин; 5) дислокационно-структурного механизма разрушения; 6) механизма межграничных структурных превращений при деформациях; 7) влияния микроструктуры деталей при эксплуатации на надежность машин; 8) выбора материалов в зависимости от условий эксплуатации. Решение поставленной задачи невозможно без понимания основных понятий и знаний, которые формируются в учебном процессе при чтении лекций, проведении лабораторных и практических занятий. С целью интенсификации учебного процесса по курсу особое внимание уделяется лекциям. В условиях сокращения лекционных часов необходимо максимально кратко и содержательно изложить программный материал; дать студентам современные, целостные, взаимосвязанные знания, уровень которых определяется целевой установкой к каждой конкретной теме; воспитывать у студентов профессионально-деловые качества, любовь к предмету и развивать у них самостоятельное творческое мышление; быть доказательной и аргументированной; содержать достаточное количество ярких и убедительных примеров, фактов, обоснований; иметь четко выраженную связь с практикой; находиться на современном уровне развития науки и техники, прогнозировать их развития на ближайшие годы и давать направление для самостоятельной работы. С целью повышения эффективности проведения лекций и своевременного изучения их студентами в Университете машиностроения на кафедре «Технология конструкционных материалов» практикуются экспресс-опросы студентов и проведение письменных контрольных работ по наиболее важным темам учебной дисциплины. Так, на вводной лекции преподаватель знакомит студентов с основными условиями данной методики, которая заключается в следующем. После каждой лекции студент обязан изучить материал по конспекту лекции и рекомендуемой основной и дополнительной литературе. По материалам прочитанной лекции студент формулирует и записывает в конспект 10 (десять) наиболее важных с его точки зрения вопросов. На следующей лекции лектор проверяет, все ли студенты самостоятельно подготовили их, и делает соответствующую отметку в журнале преподавателя тех студентов, кто не выполнил этот вид работы. Студенты, не подготовившие вопросы по лекции, назначаются на отработку в дополнительное время. Для студентов, подготовивших вопросы по предыдущей лекции, проводится экспресс-опрос: вначале лекции взамен повтора преподавателем материала предшествующей лекции в течение 5 - 6 минут осуществляется устный опрос. Лектор выборочно называет номер вопроса и фамилию студента. Студент зачитывает вслух вопрос из своего конспекта, а преподаватель называет фамилию студента, который должен на этот вопрос ответить - по результатам устного ответа ставится соответствующая оценка ответившему студенту. Отвечать может и студент, составивший вопрос. По окончании экспресс контроля лектор подводит итоги самостоятельной работы студента (СРС) по освоению материала предыдущей лекции и ставит задачу по дальнейшему освоению лекционного материала. Подобные подготовительные работы побуждают студентов к более глубокому ознакомлению с новым материалом, студент свободнее овладевает терминами и определениями по дисциплине и уверенно чувствуют себя на следующих лекциях. После прочтения особенно важных лекций практикуется проведение письменных контрольных работ, о проведении которых студенты информируются заблаговременно. Например, бакалавры и магистры по техническим и технологическим направлениям должны свободно ориентироваться в фазах и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов (сталях и чугунах). Это возможно лишь при условии знания и понимания ими диаграммы состояния «железо - цементит» («железо - графит»). С этой целью в соответствии с рабочей программой учебной дисциплины «Материаловедение» или «Материаловедение и технология конструкционных материалов» предварительно изучается раздел «Диаграммы состояния двойных сплавов», устанавливается связь этих диаграмм с диаграммой железоуглеродистых сплавов и дается задача на самостоятельное и творческое осмысление последней. После прочтения лекции, относящейся к этой диаграмме, отводится 5…7 дней на самостоятельную работу по ее изучению и назначается время проведения письменной контрольной работы. Обычно она проводится в течение 20…25 мин в начале следующей лекции и после проведения лабораторной работы «Микроструктурный анализ сталей и чугунов». Для более глубокого освоения диаграмм состояния двойных сплавов авторами предложено выделять нижний край линии «ликвидус» редкой штриховкой, то есть подчеркивается, что ниже линии ликвидус сплавы находятся в жидко-твердом состоянии. Нижний край линии «солидус» выделяется частой штриховкой, что лишний раз свидетельствует о том, что ниже этой линии сплавы находятся в твердом состоянии. Подобным же образом выделяются линии вторичной и третичной кристаллизации. Если студент правильно воспроизводит (по памяти) диаграмму, указывает все области фаз и структурных составляющих, температуры превращений, концентрации углерода, излагает изученный материал, дает правильные определения структурных составляющих, обнаруживает понимание материала, может обосновать свои суждения, применить знания на практике, письменная контрольная работа считается выполненной, а студент помнит эту диаграмму в течение многих лет, что необходимо, в первую очередь, для последующей его профессиональной деятельности и успешного тестирования при проверке остаточных знаний студентов. Автоматизированный контроль знаний по курсу (вообще) и по диаграмме «железо-цементит» (в частности) осуществляется с использованием тестовых заданий четырех форм [1]: 1) закрытой, когда предлагается несколько вариантов готовых утверждений (ответов), из которых нужно выбрать одно, являющееся истинным, или несколько правильных; 2) открытой, когда формулируется утверждение и в конце ставится пробел, в который тестируемый записывает ответ; 3) на соответствие, когда устанавливается соответствие элементов одного множества элементам другого. 4) установлением правильной последовательности тех или иных действий, операций и др. Пример тестового задания по диаграмме «железо - цементит»: Установить соответствие сплавов 1-7 (К1-К7) (рисунок 1) их названиям: 1 бронза; 2 - техническое железо; 3 - латунь; 4 - заэвтектический чугун; 5 доэвтектоидная сталь; 6 - эвтектический чугун; 7 - доэвтектический чугун; 8 феррит; и - заэвтектоидная сталь; 8 - эвтектоидная сталь. Студент устанавливает логическое соответствие позиций (К1-К7) (1-7) их названиям (а-к), вводит в компьютер соответствующие коды ответов, например, 1б, 2д, 3к и т.д., после чего компьютерная программа подсчитывает число правильных ответов (плюсов) и неправильных (нет ответа, минусов). На этом тестовом задании хорошо подготовленный студент может получить сразу 7 плюсов (100 % успешности ответа). При меньшем числе правильных ответов успешность находится в пределах от 100 до 0 % [2]. Инновации и методика компьютерного тестирования по курсу «Материаловедение и ТКМ» были заслушаны на последних четырех Всероссийских совещаниях заведующих кафедрами «Материаловедение и технология конструкционных материалов» [3]. В соответствии с решениями этих совещаний авторы принимают активное участие в разработке федерального банка тестовых заданий по курсу и участвуют в работе постоянно действующей секции «Интерактивные методы контроля объема и уровня знаний студентов» при научно-методическом свете Министерства образования и науки РФ. Рисунок 1. Пример тестового задания по диаграмме «железо цементит» Таблица 1 Структура базы тестовых заданий Разделы № тестовых заданий Разделы № тестовых заданий МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ 1. Строение и кристаллизация металлов 1-45 5. Термическая обработка сплавов 138-198 2. Пластическая деформация и механические свойства 46-75 6. Поверхностная закалка и химико-термическая обработка 199-209 3. Теория сплавов. Диаграммы состояния 76-102 7. Классификация сталей. Цветные металлы и сплавы 210-264 4. Железо и сплавы на его основе 103-137 8. Порошковые, неметаллические и наноматериалы 265-295 ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 1. Металлургия 1-35 4. Сварочное производство 187-293 2. Литейное производство 36-110 5. Механическая обработка заготовок 294-376 3. Обработка металлов давлением 111-186 С целью ознакомления с базой тестовых заданий по материаловедению и технологии конструкционных материалов преподавателей других вузов, осуществляющих преподавание данной дисциплины, есть учебное пособие [4]. Структура данной базы тестовых заданий приводится в таблице 1. Как видно из приведенной структуры, банк содержит 295 тестовых заданий по материаловедению и 376 - по технологии конструкционных материалов. Количество правильных ответов на них многократно больше из-за применения различных форм тестовых заданий. Таким образом, приведенные в статье инновационные методы в курсе «Материаловедение и технология конструкционных материалов» будут обеспечивать подготовку специалистов для активной инженерной и исследовательской деятельности в области производства материалов и их переработки.