優(yōu)化設(shè)計工程材料課程實(shí)驗內(nèi)容 培養(yǎng)工程實(shí)踐能力

石志強(qiáng) 王彥芳 何艷玲 蔣淑英

中國石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院 山東青島 266580

工程材料課程是機(jī)械類和近機(jī)械類專業(yè)的一門綜合性、應(yīng)用性很強(qiáng)的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課。作為工程技術(shù)人員，必須具有合理選擇、正確使用材料的能力。本課程的學(xué)習(xí)目的是使學(xué)生掌握必要的工程材料的基本理論和基礎(chǔ)知識，了解常用工程材料的成分、組織、性能之間的內(nèi)在關(guān)系，在工程實(shí)踐中具備根據(jù)零件的使用性能要求，合理選用材料、正確選擇熱處理方法、合理安排工藝路線等問題的能力。

由于工程材料課程的基礎(chǔ)理論比較抽象、知識點(diǎn)繁雜，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中普遍感覺不容易理解和枯燥乏味，導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣下降，影響學(xué)習(xí)積極性。根據(jù)該課程工程實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，合理安排實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)可以從某種程度上彌補(bǔ)課堂內(nèi)理論教學(xué)的不足，提高教學(xué)效果。因此，實(shí)驗課作為工程材料課程實(shí)踐教學(xué)的主要形式，在工程材料課程的整個教學(xué)過程中占有非常重要的地位。工程材料課程的傳統(tǒng)的實(shí)驗課都屬于驗證性實(shí)驗，實(shí)驗內(nèi)容單一，教學(xué)效果欠佳?；诠こ滩牧险n程的理論與實(shí)踐結(jié)合密切的特點(diǎn)，為了提高該課程的教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識，強(qiáng)化工程實(shí)踐能力，本文就工程材料課程的實(shí)驗課內(nèi)容的創(chuàng)新設(shè)計進(jìn)行探討。[1-8]

1 完善基礎(chǔ)實(shí)驗內(nèi)容

工程材料課程的基礎(chǔ)實(shí)驗內(nèi)容主要包括金相顯微鏡的使用和試樣制備、鐵碳合金平衡組織觀察、鋼的非平衡組織觀察、鋼的熱處理及硬度測定等。這些實(shí)驗的內(nèi)容都是為了配合課堂教學(xué)，以驗證工程材料的基本原理和理論為目的，傳統(tǒng)上一般把這些實(shí)驗內(nèi)容以單一獨(dú)立實(shí)驗的形式安排在課內(nèi)實(shí)驗課上進(jìn)行教學(xué)，由于受課程教學(xué)學(xué)時的限制，一般無法做完全部的實(shí)驗內(nèi)容，通常只選擇做其中的1～3個實(shí)驗。因此，如何在有限的實(shí)驗教學(xué)時間內(nèi)，盡量多地完成一些實(shí)驗內(nèi)容，強(qiáng)化實(shí)驗基礎(chǔ)，以保持工程材料課程實(shí)驗內(nèi)容的完整性，就變成了一個亟須解決的問題。

近幾年，隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展，虛擬實(shí)驗室的開發(fā)越來越普遍，技術(shù)也越來越成熟。利用多媒體技術(shù)開發(fā)工程材料虛擬實(shí)驗系統(tǒng)可望將工程材料課程的大部分實(shí)驗內(nèi)容制作成一個個的虛擬實(shí)驗項目，學(xué)生做實(shí)驗時就可以在計算機(jī)上完成一部分實(shí)驗內(nèi)容，而不容易制作成虛擬實(shí)驗的那部分實(shí)驗內(nèi)容則仍然采用現(xiàn)場實(shí)驗的形式完成，這樣就可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場實(shí)驗和虛擬實(shí)驗的有機(jī)結(jié)合，能夠做到在有限的實(shí)驗教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生完成更多的實(shí)驗內(nèi)容，提高實(shí)驗教學(xué)的效率。

2 優(yōu)化創(chuàng)新性綜合實(shí)驗內(nèi)容

由于傳統(tǒng)的單一實(shí)驗主要是為了驗證教材中的某些結(jié)論而設(shè)計的，實(shí)驗指導(dǎo)書中一般都列出了詳盡的實(shí)驗步驟和數(shù)據(jù)表格。上實(shí)驗課時指導(dǎo)教師按照實(shí)驗指導(dǎo)書按部就班地講解演示，很容易導(dǎo)致學(xué)生不主動思考，被動接受實(shí)驗內(nèi)容和結(jié)論的現(xiàn)象，不利于培養(yǎng)學(xué)生的良好學(xué)習(xí)習(xí)慣和學(xué)習(xí)積極性。

盡管傳統(tǒng)的工程材料課程的實(shí)驗內(nèi)容被設(shè)計成了一個個的單一獨(dú)立實(shí)驗，但是這些實(shí)驗內(nèi)容之間都存在著很強(qiáng)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，因此把幾個存在內(nèi)在關(guān)聯(lián)但獨(dú)立開設(shè)的實(shí)驗項目進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，剔除各單一實(shí)驗中的重復(fù)內(nèi)容，整合成一個綜合性實(shí)驗，無疑會提高教學(xué)效率，同時也有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對他們理解、掌握工程材料的整體知識架構(gòu)很有幫助。

例如，把金相顯微鏡的使用和試樣制備、碳鋼的熱處理及硬度測定、鋼的非平衡組織觀察3個獨(dú)立實(shí)驗的內(nèi)容可以設(shè)計成一個創(chuàng)新性的綜合實(shí)驗。這3個實(shí)驗涉及工程材料課程相關(guān)章節(jié)的多個基礎(chǔ)知識點(diǎn)，把這3個傳統(tǒng)的獨(dú)立實(shí)驗設(shè)計成為一套完整的、連貫性很強(qiáng)的綜合性創(chuàng)新試驗，對于提高實(shí)驗效率和實(shí)驗效果很有意義。

具體實(shí)驗時，可選擇20，45(或60)，T8，T12四種典型的碳鋼作為實(shí)驗材料，每4名學(xué)生組成一個實(shí)驗小組，每人負(fù)責(zé)一個試樣。第一步每個實(shí)驗小組首先針對4種碳鋼試樣進(jìn)行不同的常規(guī)熱處理工藝實(shí)驗(退火、正火、淬火、回火)；第二步把熱處理之后的試樣進(jìn)行磨制、拋光、浸蝕，制作金相試樣；第三步對自己制作的金相試樣進(jìn)行組織觀察和采集電子圖片；第四步對金相組織觀察后的試樣進(jìn)行硬度測定；第五步每個實(shí)驗小組的實(shí)驗數(shù)據(jù)共享后撰寫各自的綜合實(shí)驗報告。

工程材料實(shí)驗中學(xué)生使用金相顯微鏡觀察顯微組織

經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的這個綜合實(shí)驗項目，實(shí)驗室只提供必要的原材料和實(shí)驗設(shè)備，實(shí)驗過程中指導(dǎo)教師只提供必要的指導(dǎo)，各個實(shí)驗小環(huán)節(jié)均由學(xué)生獨(dú)立完成，包括實(shí)驗方案制定、實(shí)驗操作、金相照片采集、實(shí)驗數(shù)據(jù)處理、編寫實(shí)驗報告等，這種實(shí)驗教學(xué)模式真正做到了以學(xué)生為主體參與設(shè)計整個實(shí)驗過程，大大提高了他們做實(shí)驗的興趣，能夠大幅度改善教學(xué)效果。

3 合理設(shè)計研究性實(shí)驗內(nèi)容

工程材料作為一門工程應(yīng)用性很強(qiáng)的課程，需要充分挖掘?qū)嶒炚n教學(xué)的潛能才能進(jìn)一步提升實(shí)踐教學(xué)效果。以上所述的基礎(chǔ)性實(shí)驗和綜合性實(shí)驗都屬于驗證性實(shí)驗范疇，這類實(shí)驗一般都是課程的必做實(shí)驗，實(shí)驗室都要求學(xué)生在規(guī)定的實(shí)驗時間內(nèi)完成規(guī)定的實(shí)驗項目，學(xué)生的實(shí)驗內(nèi)容和實(shí)驗時間受到嚴(yán)格限制，這也在很大程度上禁錮了學(xué)生的工程意識和創(chuàng)新能力。為了鍛煉學(xué)生綜合能力，鼓勵創(chuàng)新，工程材料課程有必要設(shè)計一些研究性、應(yīng)用性實(shí)驗項目。

單一的獨(dú)立實(shí)驗項目的主要目的是為了配合工程材料基礎(chǔ)理論知識的學(xué)習(xí)，綜合實(shí)驗項目則可以做到以學(xué)生為主體進(jìn)一步提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。但這兩種實(shí)驗的內(nèi)容設(shè)計在培養(yǎng)學(xué)生的研究能力和解決實(shí)際工程能力方面仍然欠缺，需要設(shè)計一些新的研究性、應(yīng)用性實(shí)驗項目。

工程材料課程的教學(xué)最終目標(biāo)，是培養(yǎng)學(xué)生具備合理選用零件材料、正確選擇熱處理方法、合理安排工藝路線等問題的能力。設(shè)計制造的機(jī)械零件的使用性能和服役表現(xiàn)可作為檢驗學(xué)生學(xué)習(xí)工程材料課程之后，是否真正具有這方面的工程實(shí)踐能力的一個重要指標(biāo)。在工程材料的教學(xué)中，機(jī)械零件的失效分析實(shí)驗有望設(shè)計成一個研究性、應(yīng)用性實(shí)驗，在提高學(xué)生的研究能力、培養(yǎng)工程意識和解決實(shí)際問題的能力方面發(fā)揮重要的作用。

材料的失效分析實(shí)驗可采用案例教學(xué)法進(jìn)行，選擇一些具有代表性的、相對簡單的典型零件失效案例作為實(shí)驗內(nèi)容。例如，軸類零件、齒輪類零件、發(fā)動機(jī)連桿、彈簧、刃具、鍋爐管、壓力容器等的典型失效案例，或者選擇一些熱加工缺陷(鑄造、鍛造、熱處理、焊接)引起的失效案例。也可以根據(jù)各自高校的行業(yè)特色有針對性地選擇一些失效案例作為實(shí)驗內(nèi)容，例如石油高?？梢赃x擇一些石油鉆桿、油套管、抽油桿的失效案例進(jìn)行實(shí)驗分析。

具體實(shí)驗過程采用分小組進(jìn)行，指導(dǎo)教師為每個實(shí)驗小組指定一個失效案例作為實(shí)驗內(nèi)容，學(xué)生根據(jù)題目進(jìn)行查閱資料、確定實(shí)驗方法、整理分析實(shí)驗數(shù)據(jù)、撰寫實(shí)驗報告(失效分析報告)等實(shí)驗工作。指導(dǎo)教師對于實(shí)驗進(jìn)程中學(xué)生提出的問題進(jìn)行答疑和指導(dǎo)，實(shí)驗室的設(shè)備對學(xué)生預(yù)約開放，可要求學(xué)生在3周內(nèi)完成實(shí)驗，學(xué)生能夠自由安排實(shí)驗的時間。實(shí)驗完成后，每個實(shí)驗小組選出一名代表參加材料的失效分析實(shí)驗答辯，根據(jù)實(shí)驗報告和答辯成績給出最后的實(shí)驗成績。

材料的失效分析實(shí)驗同時具備研究性和應(yīng)用性的特點(diǎn)，學(xué)生做實(shí)驗的過程就是完成一個小科研課題的過程，接受的是科學(xué)研究方法的基礎(chǔ)訓(xùn)練，這對于他們今后進(jìn)行科研活動和畢業(yè)論文實(shí)驗具有很好的幫助。由于實(shí)驗內(nèi)容選擇的都是一些工程上常見的零件和設(shè)備，與生產(chǎn)實(shí)踐結(jié)合緊密，能夠讓學(xué)生親身感受到學(xué)好工程材料課程的重要性和迫切性，可以進(jìn)一步提高他們學(xué)習(xí)該課程的積極性和目的性。

4 結(jié)束語

通過對工程材料課程的實(shí)驗內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化，可形成單一基礎(chǔ)實(shí)驗、綜合實(shí)驗、研究性實(shí)驗3種類型相結(jié)合的實(shí)驗項目體系，即保證了基礎(chǔ)實(shí)驗內(nèi)容的完整性，又兼顧實(shí)驗教學(xué)的深度和廣度，對于培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力具有重要的意義。

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