工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)中開展設(shè)計性實(shí)驗(yàn)的探索與實(shí)踐

張明華　董新龍　陳江瑛

摘 要 工程材料課程設(shè)計性實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的開設(shè)，能加深學(xué)生對常用工程材料的認(rèn)識，拓展他們的知識面，提高學(xué)生的主動思考與實(shí)踐動手能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和參加實(shí)驗(yàn)的積極性和主觀能動性。學(xué)生的積極參與，也促使我們不斷改善實(shí)驗(yàn)條件，改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 工程材料 實(shí)驗(yàn)教學(xué) 設(shè)計性實(shí)驗(yàn)

中圖分類號：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2016.01.050

Research and Practice of Carrying out Designing Experiment

in Engineering Materials Experimental Teaching

ZHANG Minghua， DONG Xinlong， CHEN Jiangying

Abstract Engineering Materials courses design experiment teaching content， to deepen students 'understanding of common engineering materials， expand their knowledge and improve students' active thinking and practical ability to inspire students to learn and participate in the experiment enthusiasm and initiative. Active participation of students， but also prompted us to continue to improve the experimental conditions， the reform of experimental teaching model to improve the quality of teaching experiments.

Key words engineering materials; experimental teaching; designing experiment

國家對創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的要求隨著高等教育的不斷發(fā)展而不斷提高，創(chuàng)新教育已成為高等教育在新時期發(fā)展的必經(jīng)之路。在進(jìn)一步推進(jìn)制度創(chuàng)新、理念創(chuàng)新和文化創(chuàng)新的同時，要充分認(rèn)識實(shí)踐的重要作用，理念創(chuàng)新引領(lǐng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革和發(fā)展已經(jīng)成為目前研究和探索的熱點(diǎn)。①②

能源、信息和材料是現(xiàn)代社會和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的三大支柱，學(xué)習(xí)并掌握工程材料的基本知識對于工科院校學(xué)生來說有重要意義。工程材料從應(yīng)用角度出發(fā)，講述了材料科學(xué)基本理論，使學(xué)生能充分認(rèn)識材料的成分、加工工藝、組織、結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，了解材料牌號及這些材料組織狀態(tài)、力學(xué)性能等，對車輛工程、機(jī)械工程、航空航天等領(lǐng)域的各種金屬材料、高分子材料、復(fù)合材料等領(lǐng)域的設(shè)計研發(fā)工作具有重要意義。③④為拓展學(xué)生知識面，加強(qiáng)學(xué)生對基本工程材料的認(rèn)識，培養(yǎng)其實(shí)踐動手能力，開設(shè)相應(yīng)的工程材料課程和相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是必要的。并且實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率也直接影響到學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐動手能力、綜合分析能力以及科研創(chuàng)新能力的提高。⑤⑥⑦

通過工程材料的學(xué)習(xí)，可以使學(xué)生在掌握材料的基本知識及基本理論的基礎(chǔ)上，具備對結(jié)構(gòu)零件進(jìn)行合理選材及制定零件工藝路線的初步能力。并且通過合理設(shè)置實(shí)驗(yàn)提高學(xué)生的實(shí)際動手能力，加深并強(qiáng)化課堂理論教學(xué)的理解，提高實(shí)驗(yàn)操作技能。

1 實(shí)驗(yàn)任務(wù)書的制定

為了滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，原有開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項目有： （1）硬度計及硬度試驗(yàn);（2）鐵碳合金平衡組織分析;（3）碳鋼經(jīng)熱處理組織分析。本次設(shè)計性實(shí)驗(yàn)（典型機(jī)械零件選材及熱處理）是在碳鋼熱處理實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)合前述實(shí)驗(yàn)以及教師講授的課堂理論，學(xué)生自己完成實(shí)驗(yàn)方案的制定。

本次設(shè)計性實(shí)驗(yàn)制定如下：

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模海?）了解正確選材的必要性，熟悉常用材料的結(jié)構(gòu)、組織、性能和用途，能掌握按照使用性、工藝性、經(jīng)濟(jì)及環(huán)境友好性等原則選用合適的材料;（2）能根據(jù)所選材料的合金組成、組織及性能關(guān)系，確定熱處理工藝路線并能進(jìn)行熱處理操作;（3）能按步驟制備金相試樣，并掌握對金相試樣的浸蝕方法;（4）學(xué)會使用金相顯微鏡，掌握用金相顯微鏡觀察和辨識材料的的顯微組織的方法;（5）學(xué)會使用硬度計測試材料硬度。

實(shí)驗(yàn)要求：（1）分組查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料并討論確定實(shí)驗(yàn)方案，將討論后的方案交給實(shí)驗(yàn)教師審閱;（2）確定的方案中要詳細(xì)給出對熱處理工藝參數(shù)（加熱T、保溫t、冷卻方式等）;（3）按照實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn);（4）撰寫實(shí)驗(yàn)報告，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)儀器、材料及耗材：（1）熱處理爐;（2）45、40Cr、T10、T8等常用工程材料;（3）金相砂紙，拋光機(jī)，拋光膏，浸濕劑，金相顯微鏡;（4）硬度計。

該設(shè)計性實(shí)驗(yàn)的需要學(xué)生能根據(jù)不同的使用條件正確選用材料，更重要的是還需要制定正確的熱處理工藝路線。根據(jù)本組確定的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)效果的檢驗(yàn)，首先進(jìn)行熱處理，并對熱處理后的試樣進(jìn)行性能檢測，了解并掌握熱處理對試樣性能改變的重要作用，制備試樣熱處理前后的金相試樣，熱處理前后的組織和性能差異，讓同學(xué)深刻認(rèn)識熱處理對材料的組織和性能改變的的因果關(guān)系。

2 設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案

依據(jù)學(xué)生自愿和教師指導(dǎo)的原則進(jìn)行分組，每組3～5人。學(xué)生接到任務(wù)書選定題目后，按照實(shí)驗(yàn)任務(wù)書的要求，查閱所學(xué)課程并查找相關(guān)文獻(xiàn)資料。然后對資料進(jìn)行總結(jié)，選擇合適的材料，根據(jù)材料的制造工藝路線（如：毛坯→鍛造→預(yù)先熱處理→切削加工→最終熱處理（淬火，回火）→ 磨削），確定熱處理方案，將本組所選擇的材料以及確定的熱處理工藝路線交給教師審閱。

3 實(shí)驗(yàn)過程

根據(jù)老師修改后的實(shí)驗(yàn)方案，學(xué)生分組領(lǐng)取所需材料，在指導(dǎo)老師的講解下熟悉實(shí)驗(yàn)用到的儀器和設(shè)備，然后按步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。要求對原材料和經(jīng)過各種熱處理后的材料硬度進(jìn)行測試并制備金相試樣觀察組織、拍出金相照片，比較熱處理前后組織和性能的差異。

4 實(shí)驗(yàn)報告上交及答辯

所有實(shí)驗(yàn)完成后，各小組的每位學(xué)生均需提交綜合實(shí)驗(yàn)報告，報告中需要寫出心得體會。按照預(yù)先分組進(jìn)行答辯，要求答辯的學(xué)生能清楚陳述整個實(shí)驗(yàn)過程，包括材料的選擇、熱處理工藝的設(shè)計、實(shí)驗(yàn)步驟、操作過程描述、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，運(yùn)用所學(xué)的材料科學(xué)的理論對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

5 實(shí)驗(yàn)考核

實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師根據(jù)以下指標(biāo)進(jìn)行考核：文獻(xiàn)查閱及閱讀情況，對文獻(xiàn)的綜述，所設(shè)計的實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)驗(yàn)具體操作，實(shí)驗(yàn)態(tài)度是否端正，實(shí)驗(yàn)報告撰寫質(zhì)量，答辯表述等。指導(dǎo)教師要指出實(shí)驗(yàn)方案以及全過程的優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)報告撰寫的問題所在，特別注意要注重對學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的全過程的評價，同時要考慮學(xué)生的個體差異，根據(jù)前述指標(biāo)以及學(xué)生個人的表現(xiàn)給出總評成績。

6 結(jié)語

工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)中設(shè)計性實(shí)驗(yàn)的開設(shè)，加深了學(xué)生對常用工程材料的認(rèn)識，拓展了他們的知識面，使學(xué)生能把所學(xué)的專業(yè)理論知識與具體的工程材料相結(jié)合，進(jìn)一步鞏固了所學(xué)的專業(yè)理論知識，并加強(qiáng)了這些課程之間的有機(jī)聯(lián)系。開設(shè)工程材料實(shí)驗(yàn)，可以提高學(xué)生的實(shí)踐動手能力，能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)課堂知識和參加實(shí)驗(yàn)的積極性和主觀能動性，同時培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作精神和溝通交流能力。

以演示驗(yàn)證為主的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綍档蛯W(xué)生對課程和實(shí)驗(yàn)的興趣，忽略實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生操作技能尤其是創(chuàng)新能力的展示，不利于調(diào)動主觀能動性，也不能激發(fā)學(xué)生對專業(yè)知識的探究。因此本實(shí)驗(yàn)對傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法進(jìn)行了如下改革和探索：

（1）引入多媒體教學(xué)形式：通過動畫以及電子圖譜等多媒體教學(xué)手段，使學(xué)生獲得更多的信息，加深有關(guān)內(nèi)容的理解，動畫演示也可以使同學(xué)們更形象地了解到材料的微觀結(jié)構(gòu)，幫助同學(xué)理解結(jié)構(gòu)、組織和性能之間的關(guān)系。

（2）探究、啟發(fā)和討論式的教學(xué)方式：對學(xué)生所確定的實(shí)驗(yàn)方案以及實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題或者不滿意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，指導(dǎo)老師通過提問、討論等多種教學(xué)方式，啟發(fā)學(xué)生勇于發(fā)現(xiàn)問題，敢于探索問題，樂于分析問題并最終解決問題。

（3）改革工程材料課程考評方法：考核方式重視答辯陳述，淡化紙質(zhì)報告;注重學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作過程，弱化所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？荚u方式的改革提高了學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性，也適應(yīng)我校培養(yǎng)創(chuàng)新型和應(yīng)用型人才的目標(biāo)。

長三角是裝備制造業(yè)基地，機(jī)械學(xué)院學(xué)生主要在機(jī)械制造、模具開發(fā)、車輛零配件、電子器件等行業(yè)就業(yè)。工程材料課程及實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)拓展了學(xué)生對常用材料的結(jié)構(gòu)及性能認(rèn)識，提高了在該行業(yè)的競爭力。同時，該課程的學(xué)習(xí)對提高學(xué)生的課程設(shè)計質(zhì)量、培養(yǎng)學(xué)生的科研能力及創(chuàng)新能力也發(fā)揮了重要作用。

注釋

① 路勇，高峰，馬修真，韓偉，李淑英.能源動力專業(yè)“進(jìn)階式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2010.8（6）：59-60.

② 何照榮，王大成，鐵永亮，李寧.設(shè)計性實(shí)驗(yàn)中特色創(chuàng)新的探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2015.18（1）：230-233.

③ 陳靈.金屬材料設(shè)計性實(shí)驗(yàn)的實(shí)施與提高[J].長江大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009.6（2）：390-391.

④ 何峰，馮小平，謝峻林.材料專業(yè)設(shè)計性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2012.15（2）：9-12.

⑤ 張明坤.在驗(yàn)證型與設(shè)計性試驗(yàn)結(jié)合中提高實(shí)驗(yàn)?zāi)芰J].邊疆經(jīng)濟(jì)與文化，2012（8）：103-104.

⑥ 高慶華，王潔，寧培海.自主式綜合設(shè)計性實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系探索.教育教學(xué)論壇，2015.36：136-137.

⑦ 韓丹丹，祝波，徐鵬程.應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2010.8（6）：69-70.