工程材料及熱處理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐

鄒利華，吳海江，陳國新，郭文敏，王小明

（邵陽學(xué)院機(jī)械與能源工程學(xué)院，湖南 邵陽 422004）

工程材料及熱處理是普通高校機(jī)械類與近機(jī)械類專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，目前我校機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化、機(jī)電一體化、熱能工程等多個(gè)專業(yè)（年均約460人）開設(shè)了這一課程。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是工程材料及熱處理課程的重要教學(xué)手段之一，是理論聯(lián)系實(shí)踐的重要環(huán)節(jié)，通過課程實(shí)驗(yàn)，能夠更好的認(rèn)識(shí)工程材料的性質(zhì)及其應(yīng)用，掌握熱處理的方法和方案設(shè)計(jì)，為后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)及工程實(shí)踐奠定基礎(chǔ)。開放性實(shí)驗(yàn)是在學(xué)生自主開放的前提下，結(jié)合課程內(nèi)容及自身興趣，查閱大量課堂知識(shí)相關(guān)的資料、選取實(shí)驗(yàn)課題、制訂實(shí)驗(yàn)方案，并在教師指導(dǎo)下完善方案、學(xué)習(xí)操作、反復(fù)探索以完成開放性實(shí)驗(yàn)，從中獲取理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能，彌補(bǔ)課堂教學(xué)不足，培養(yǎng)學(xué)生的科研素質(zhì)和創(chuàng)新精神。本文以開放性實(shí)驗(yàn)為工程材料及熱處理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的切入點(diǎn)，開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的優(yōu)化設(shè)計(jì)，教改與過程中以學(xué)生為主導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力，對(duì)工程材料及熱處理課程綜合教學(xué)改革做出探索。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)置現(xiàn)狀

工程材料及熱處理課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)為主，主要教學(xué)任務(wù)是使學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備和掌握試驗(yàn)操作方法，深化感性認(rèn)識(shí)。因此工程材料及熱處理課程在原實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱中側(cè)重實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)、基本操作的掌握，設(shè)計(jì)了金相試樣制備及金相顯微鏡使用、鐵碳合金的平衡組織顯微分析、金屬材料硬度試驗(yàn)、碳鋼熱處理共4個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（共計(jì)8實(shí)驗(yàn)課時(shí)），教學(xué)模式也主要表現(xiàn)為“灌輸式”，即教師根據(jù)教學(xué)大綱要求，依次講解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)操作步驟，學(xué)生則根據(jù)要求按部就班進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這一教學(xué)模式難以有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新欲望，一定程度上妨礙了大學(xué)生科技創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。同時(shí)，經(jīng)過修改教學(xué)大綱后，課程降低了課內(nèi)實(shí)驗(yàn)課時(shí)量，4個(gè)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)課時(shí)僅能保證完成兩個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

經(jīng)討論與研究，綜合分析各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：金相試樣制備及金相顯微鏡的使用、金屬材料硬度試驗(yàn)、鐵碳合金的平衡狀態(tài)組織顯微分析三個(gè)項(xiàng)目均為基礎(chǔ)性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容相對(duì)單薄，其教學(xué)過程相應(yīng)也較為簡單和相似，均以“教師講解、示范→學(xué)生按照規(guī)范進(jìn)行實(shí)驗(yàn)”的過程進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)教師在三個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中自由擇一教學(xué)。碳鋼熱處理則為內(nèi)涵相對(duì)豐富的綜合性實(shí)驗(yàn)，應(yīng)考慮優(yōu)先教學(xué)，被定為實(shí)驗(yàn)教學(xué)中必選的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。碳鋼熱處理實(shí)驗(yàn)綜合性高、開放度大、工作量飽滿并且富有挑戰(zhàn)性。由于實(shí)驗(yàn)自主度大、學(xué)生學(xué)習(xí)興趣濃，易于提高學(xué)生自學(xué)能力，鍛煉學(xué)生的工程能力和團(tuán)隊(duì)能力，在授課教師的問卷調(diào)查中，本實(shí)驗(yàn)是最受學(xué)生歡迎的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

2 開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)

教師最初認(rèn)為碳鋼的熱處理實(shí)驗(yàn)可以滿足工程材料及熱處理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求。但是在隨后的執(zhí)行過程中，學(xué)生不斷反映出存在問題：受課堂時(shí)間和課時(shí)數(shù)所限制，大部分學(xué)生只能機(jī)械操作、匆忙過場；因課時(shí)安排實(shí)驗(yàn)往往不能連續(xù)進(jìn)行，嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)效果；學(xué)生的自主性差、主體地位差等。

在此基礎(chǔ)上，全體教師糾正認(rèn)識(shí)偏差，認(rèn)識(shí)到應(yīng)在課程實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上增開開放性實(shí)驗(yàn)，緊密聯(lián)系實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，深化拓展課程實(shí)驗(yàn)。鼓勵(lì)創(chuàng)新思維，學(xué)生通過參與教師科研項(xiàng)目，在原有實(shí)驗(yàn)規(guī)范操作的基礎(chǔ)上，更深入了解實(shí)驗(yàn)方法和理論基礎(chǔ)知識(shí)，進(jìn)而大膽嘗試新的實(shí)驗(yàn)操作，強(qiáng)化學(xué)科基本知識(shí)；同時(shí)，教師精選科研課題一般反映本工程領(lǐng)域?qū)W科發(fā)展趨勢(shì)，這也使學(xué)生了解了學(xué)科前沿；最后，教師能夠在指導(dǎo)實(shí)踐教學(xué)的過程中培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度，提高學(xué)生實(shí)踐能力，增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)。

3 開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施及考核

目前實(shí)施的開放性實(shí)驗(yàn)分為計(jì)劃、準(zhǔn)備、立項(xiàng)、實(shí)施和結(jié)項(xiàng)五個(gè)不同階段。計(jì)劃階段可以是由學(xué)生發(fā)起立項(xiàng)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、文獻(xiàn)資料查閱均由學(xué)生自主完成，也可以由教師發(fā)起立項(xiàng)，并吸引鼓勵(lì)感興趣的學(xué)生參與其項(xiàng)目。通過雙方互動(dòng)，形成學(xué)生3～5人、指導(dǎo)教師1～2人為一組的開放性實(shí)驗(yàn)課程項(xiàng)目組。在準(zhǔn)備階段，教師充分鼓勵(lì)學(xué)生提出個(gè)性化設(shè)計(jì)及想法，實(shí)驗(yàn)中可能遇到的具體問題均由學(xué)生自己通過學(xué)習(xí)理解與掌握，教師只提供大體思路。在立項(xiàng)階段，由學(xué)生寫作項(xiàng)目申請(qǐng)報(bào)告，教師修改并提交主管部門，獲批后進(jìn)入實(shí)施階段。實(shí)施階段中，師生按照已經(jīng)掌握的知識(shí)和閱讀的參考文獻(xiàn)充分優(yōu)化方案，合理選用儀器設(shè)備，請(qǐng)實(shí)驗(yàn)教師充分準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)材料，按步驟完成開放性實(shí)驗(yàn)研究內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)學(xué)生難以獨(dú)立解決的問題時(shí)，教師應(yīng)啟發(fā)學(xué)生認(rèn)真觀察、討論分析、自主發(fā)現(xiàn)，以過程為核心、結(jié)果為基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)科學(xué)規(guī)律。實(shí)驗(yàn)完成后，教師主持小組討論，指導(dǎo)學(xué)生自主查找文獻(xiàn)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果及實(shí)驗(yàn)中的問題，并要求學(xué)生解決實(shí)驗(yàn)中的問題、提出實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化方法。結(jié)項(xiàng)階段以最后提交的開放性實(shí)驗(yàn)報(bào)告為主要結(jié)項(xiàng)文件，同時(shí)，學(xué)生實(shí)驗(yàn)記錄、產(chǎn)品實(shí)物、討論記錄、發(fā)表論文等也作為重要的評(píng)價(jià)依據(jù)。

開放性實(shí)驗(yàn)以學(xué)生的綜合能力為考核核心，實(shí)施多層面、全方位的評(píng)價(jià)。考核中充分認(rèn)識(shí)學(xué)生與教師知識(shí)結(jié)構(gòu)的差異性，不重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)知識(shí)的掌握程度，而是重點(diǎn)考察學(xué)生是否具有良好的學(xué)習(xí)能力，以及學(xué)生能否靈活利用所學(xué)的知識(shí)解決開放性實(shí)驗(yàn)中的科學(xué)/工程問題。考核不惟實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，主要考察學(xué)生創(chuàng)新思維能力、實(shí)驗(yàn)操作能力、解決問題能力及科研/工程能力，具體包括學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案是否具有創(chuàng)新性，學(xué)生是否具有在規(guī)定時(shí)間內(nèi)學(xué)習(xí)相關(guān)儀器設(shè)備的操作并正確使用儀器設(shè)備完成復(fù)雜實(shí)驗(yàn)的能力，學(xué)生是否具有主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問題與解決問題的能力，學(xué)生是否具有良好的科學(xué)精神、實(shí)驗(yàn)態(tài)度以及團(tuán)隊(duì)合作能力等重要內(nèi)容。結(jié)果表明，在開放性實(shí)驗(yàn)考核中表現(xiàn)優(yōu)秀的學(xué)生通常十分善于自主鍛煉工程實(shí)踐能力，積極主動(dòng)地進(jìn)行創(chuàng)新活動(dòng)，在大學(xué)生工程訓(xùn)練、大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新、大學(xué)生節(jié)能減排競賽及大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等科技活動(dòng)/競賽中表現(xiàn)優(yōu)秀。

4 教改效果

我校工程材料及熱處理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革從2012級(jí)機(jī)械制造及其自動(dòng)化、機(jī)電一體化、車輛工程等專業(yè)開始實(shí)施至今，已有超過450學(xué)生進(jìn)行了開放性實(shí)驗(yàn)的立項(xiàng)與實(shí)施。實(shí)施結(jié)果表明，參加開放性實(shí)驗(yàn)激發(fā)了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)工程材料及熱處理課程的積極性，培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力和創(chuàng)新意識(shí)。同時(shí)也推動(dòng)了工程材料及熱處理教學(xué)團(tuán)隊(duì)不斷進(jìn)行教學(xué)與科研創(chuàng)新，有利于工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力人才的培養(yǎng)。