工程材料課程實驗教學改革和探索研究

安 健 王淵博 李建忱

吉林大學材料科學與工程學院 吉林長春 130025

工程材料是面向我校工學部機械類專業(yè)(包括機械工程、車輛工程、交通工程、農(nóng)業(yè)機械工程)所開設的一門技術基礎課，主要講授材料科學的基礎理論、固態(tài)相變原理及工藝和典型的工程材料應用。目的是通過本課程學習，使學生獲得有關材料科學、熱處理的基本理論及工程材料應用的一般基礎知識，了解和掌握材料的成分、組織、性能、熱處理工藝之間的關系，具有合理選用工程材料，正確選定熱處理工藝方法，妥善安排工藝路線等方面的初步能力[1]。本課程理論教學為32學時，實驗教學為8學時。由于本課程具有理論性強、概念多、內(nèi)容跨度大等特點，同時材料科學本身是一門在實驗和實踐基礎上發(fā)展起來的學科，實驗教學作為課程教學的重要組成部分，承載著加深理解和鞏固理論教學內(nèi)容的任務。傳統(tǒng)的工程材料實驗教學與材料科學儀器設備發(fā)展脫節(jié)，教學內(nèi)容分散孤立，教學方式缺乏啟發(fā)性、參與性和創(chuàng)新性等諸多問題，不能激發(fā)學生實驗興趣，長期以來教學效果并不十分理想[2,3]，因此，對于工程材料課程的實驗教學進行深入改革和探索勢在必行。

1 儀器設備升級 拓展學生視野的實驗改革

高等院校是教學科研工作的主要領域，是培養(yǎng)人才的重要基地，儀器設備是認識世界的工具[4]?，F(xiàn)代科學儀器的發(fā)展促進了材料科學的進步。為了提高教學效果和介紹先進儀器設備，筆者對部分實驗設備進行系列升級改造，將傳統(tǒng)光學顯微鏡升級配備數(shù)碼金相顯微鏡圖像采集系統(tǒng)，用數(shù)字式硬度計替代指針式硬度計。例如，在實驗課顯微鏡光學原理及顯微組織分析的教學過程中，除講述原有試樣制備、金相顯微鏡成像和使用知識外，補充了“圖像采集系統(tǒng)和軟件”的相關內(nèi)容。學生在觀察金相組織的同時，掌握了圖像采集系統(tǒng)操作方法，能夠?qū)@微鏡下的圖像清晰采集在計算機屏幕上。這種實驗方式改革有助于學生了解現(xiàn)代主流顯微鏡的功能，提高觀察效率，增強與教師的互動性，學生能夠和教師就金相組織細節(jié)展開有效交流，加深感性認識和對顯微組織的理解，如圖1所示。

圖1 金相顯微鏡圖像采集系統(tǒng)

2 貫通理論教學內(nèi)容的實驗改革

傳統(tǒng)實驗教學內(nèi)容的設計范圍較狹窄，雖然每個實驗都具有較強的針對性，但是并未將相關理論教學內(nèi)容有機串聯(lián)起來，以致學生通過實驗不能獲得全面的感性認識，實驗課程沒有起到促進鞏固理論教學的目的。為此，筆者對實驗課內(nèi)容進行了再設計，力圖形成一個較為完整系統(tǒng)的有機體系。例如，在實驗課碳鋼及合金鋼的熱處理及組織分析的教學過程中，進行了兩方面改革：(1)在原實驗設定所用的中碳45鋼和中碳合金鋼40Cr基礎上，增加了40CrNi和40CrNiMo兩種合金鋼種；(2)在原實驗設定的所用顯微組織(硬度)檢測方法基礎上，增加了沖擊韌性實驗。為了不增加實驗學時，準備好預先處理過的沖擊韌性試樣。目的是使學生在掌握基本熱處理工藝基本過程和組織特征基礎上，通過自己實驗操作獲得沖擊韌性數(shù)據(jù)，能夠理解合金元素對高溫回火脆性的影響。具體實施時將原實驗進行45鋼和40Cr鋼高溫回火和硬度測試的兩組學生劃分為四組，分別進行45鋼、40Cr、40CrNi和40CrNiMo合金鋼的600℃高溫回火、硬度和沖擊韌性測試實驗，然后匯總實驗數(shù)據(jù)。通過比較四種鋼硬度的差別。學生能夠深入了解合金元素對回火穩(wěn)定性的影響；通過比較沖擊韌性的差別，學生能夠體會Cr-Ni鋼的高溫回火脆性以及合金元素Mo對消除高溫回火脆性的作用。實驗內(nèi)容改革后，學生普遍反映加深了對碳鋼和合金鋼的組織、熱處理工藝和力學性能等理論教學內(nèi)容的理解。

3 實例式實驗教學改革

針對我校每年約有80%以上機械類本科畢業(yè)生進入汽車整車和相關零部件行業(yè)就業(yè)的特點，為了進一步鞏固工程材料課程的課堂教學效果，搭建課程與就業(yè)領域之間的橋梁，實驗教學團隊收集整理了一些典型汽車零件，設立展臺展柜，就零件服役條件、材料選擇、加工路線及采用熱處理工藝等方面做出詳細說明，并且配備了相關金相組織照片。在第三個實驗課的熱處理保溫等待期間給學生講解和參觀。展品包括三類零件或材料：(1)汽車典型零部件：曲軸、凸輪軸、變速箱齒輪、活塞等；(2)汽車覆蓋件模具材料：Cr12MoV車身拉延模塊、QT700-3鑄造車身模具；(3)汽車零件加工用刃具和工具：高速鋼銑刀和鉆頭、硬質(zhì)合金刀塊、Cr12MoV搓絲板和滾絲模。通過實例式實驗教學改革，將學習內(nèi)容與零件實物聯(lián)系起來，開闊學生視野，為他們將來的職業(yè)發(fā)展打下堅實基礎。

4 競賽式實驗教學改革

為了調(diào)動學生學習積極性，加強工程材料實驗課程的趣味性和挑戰(zhàn)性，在不增加實驗學時基礎上，在每學年的工程材料授課期間，實驗教學團隊都將定期組織兩次面向機械類學生的實驗競賽活動，分別為金相試樣制備競賽和金相組織觀察辨別競賽，時間選定在周末。金相試樣制備競賽的評分標準為制備完成時間、表面質(zhì)量和采集圖像效果。在金相組織觀察辨別競賽中，選擇平衡態(tài)的鐵-碳合金、不同組織狀態(tài)(包含馬氏體、上貝氏體、下貝氏體)的碳鋼和合金鋼金相試樣，以學生通過顯微鏡觀察鑒別金相組織的準確性和使用附帶圖像采集系統(tǒng)定量分析碳鋼含碳量的結(jié)果為評分標準。對競賽獲獎學生頒發(fā)獎狀，并由任課教師在課堂上宣布競賽結(jié)果。實驗競賽在學生中引起強烈反響，喚起學生對工程材料課程的學習興趣，提高了學生的動手能力和實驗技能。

5 結(jié)語

我校在傳統(tǒng)工程材料實驗授課模式基礎上，采用裝備升級和拓展視野式實驗教學、貫通理論教學內(nèi)容的實驗教學、實例式實驗教學和競賽式實驗教學等多種改革形式，有效地輔助了工程材料課程的理論教學，增強了學生的動手能力，提高了學生的綜合素質(zhì)，使教學效果得到明顯提升。