摘要：本文以硕士研究生课程《新型功能材料》、《先进复合材料》为实践载体，实施了基于多学科交叉的课程内容优化，增加了材料科学在机械领域、新能源领域等的应用知识；凝练出《新型发动机活塞材料制备技术及其应用》教学案例。该案例涉及了材料学科、机械学科、计算机学科、兵器学科等多学科知识，属于典型的多学科交叉领域。

关键词：多学科交叉；课程思政；教学案例

基金项目：西安工业大学研究生教育教学改革研究项目（XAGDYJ220104）；陕西省研究生教育综合改革研究与实践项目（YJSZG202310）

1. 引言

材料科学是研究材料的组织结构、性质、生产流程和使用效能，以及它们之间相互关系的科学，是多学科交叉与结合的结晶，是一门与工程技术密不可分的应用科学。多学科交叉的材料科学不仅涉及物理、化学、力学、数学等基础学科，也涉及冶金、化工、机械、信息、计算机和生命科学等应用科学，是近年来国际上重要创新性成果的突破点，是取得科技创新的突破口和培养创新人才的重要途径。尽管我国政府有关部门、部分高校和科研机构在加速学科交叉建设方面做了大量工作，但在学科交叉发展及研究生培养上仍面临很多问题。尤其是在课程思政案例凝练方面还存在薄弱。本文以硕士研究生课程《新型功能材料》、《先进复合材料》为实践载体，初步实施了基于多学科交叉的课程内容优化，凝练出《新型发动机活塞材料制备技术及其应用》教学案例。

2.《新型发动机活塞材料制备技术及其应用》案例介绍

2.1 科研背景

西安工业大学高性能金属及复合材料团队三十年来攻克军用高功率密度柴油机关键零部件材料技术难关，实现了活塞零件国产化，解决了国防重点装备更新换代中材料的“卡脖子”难题。案例对象为新型发动机活塞材料，其研发工作获得国防973计划项目、国防科技工业局材料进口替代专项项目和装备发展部共用技术项目、陕西省教育厅重点实验室科研计划等国家级、省部级项目支持。该案例紧密结合西安工业大学“高性能多尺度颗粒协同增强铝、镁基复合材料关键技术与应用“（2015年国家科技进步二等奖）等科研成果，将其融合于《新型功能材料》、《先进复合材料》等课程教学；通过展现新型发动机活塞材料微观组织照片和力学性能数据，讲授纳米粒子、高性能金属基复合材料制备工艺，将材料专业知识与国防兵工生产一线技术攻关实例紧密结合，引导研究生深入理解掌握材料组织-性能-制备技术之间的关系，提高解决材料工程领域复杂问题的实践能力。新型活塞材料的研发成功，打破了西方国家对该领域技术垄断，实现了高功率柴油机关键材料国产化；该案例在优化教学内容，强化培养研究生实践能力同时，亦将强国强军、科技报国思政元素有机融合。

我国活塞材料研发已从跟踪仿研德国马勒公司产品到自主研发迈进，提高材料综合性能，尤其是提高高温性能成为活塞铝合金关键技术。

我国活塞材料采用与国外相同合金体系，通过调整合金成分配比和铸造工艺，材料性能得到提高。配合新XX系列柴油机的研制，国内开发出了系列新型活塞材料，满足了现役装甲战车动力的需求，但将这些材料直接应用于未来新一代坦克动力用高功率密度发动机后，多次出现了活塞烧蚀、剥落、拉缸等失效现象。据不完全统计，前期高功率密度柴油机样机研制过程中，由于活塞烧蚀、磨损、开裂等问题造成的故障占高功率密柴油机样机各类试验典型故障40%以上，严重影响了研制进度和质量。因此，研发新型活塞材料根本解决活塞寿命问题刻不容缓。升功率密度提高后，发动机面临一个突出问题是活塞寿命不能满足要求，其根本原因是材料高温性能不足。材料成分决定微观组织组成，从而影响材料性能。活塞材料以铸造铝硅合金为主。

提高铝合材料高温性能的方法通常有三种：第一种是采用合金化技术，即通过在铝合金中添加新合金元素或者改变铝合金合金元素的配比关系来提高其高温性能；第二种是采用单晶技术或定向凝固技术使材料内形成伪单晶结构，增强铝合金材料的高温性能；第三种是采用高强度高模量陶瓷粒子增强铝合金的复合材料技术提高高温性能。三种方法中第一种方法在国内已研发成熟，第二种存在设备昂贵、工艺复杂的问题，不易在工业化批量实践中推广应用。因此，如何向Al-Si合金中引入稳定存在并均匀弥散部分的高熔点、高强度、高模量陶瓷粒子，通过复合效应提高铝基复合材料的高温性能，成为研发新型活塞材料的技术难题。

高功率密度柴油机是下一代军用装甲车辆动力的首选方案，活塞是两大“卡脖子”关键件之一。本案例结合国防兵工领域高功率密度柴油机关键零部件材料国产化的技术攻关实例，将新材料研发的科研成果转化为材料学科专业学位研究生教学案例，实现了科研反哺教学。

案例首先陈述新材料设计总思路，以详实的科学试验图片与数据，展示了材料制备工艺以及材料微观组织，注重从材料学科基础专业知识与解决实际工程问题相结合的角度，加深学生对所学课程知识的理解，并培养学生的科学素养、科研创新能力以及解决复杂工程问题的能力。

西安工业大学“军用关键材料”学科是国家国防特色学科，本案例的推广应用为国家国防特色学科丰富教学内容、贴近国防材料生产一线、培养为实现强国强军梦、扎根国防兵工生产一线的材料行业优秀从业者和高层次材料创新研发人员提供教学指导与支撑。