新工科背景下《工程材料》課程實驗教學改革探索

戴曉元 張健 華熳煜 寇麗麗

摘 ? 要：分析了新工科背景下機械大類專業(yè)對《工程材料》課程中金屬熱處理實驗課程的要求、特點，提出了課程實驗教學內容、方法、考核模式的有關改革措施，注重學生實踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，使課程的實驗教學更適合機械大類專業(yè)的發(fā)展要求。

關鍵詞：工程材料 ?材料成型及控制專業(yè) ?實驗教學改革

中圖分類號：G712 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）02（c）-0188-02

隨著應用型人才培養(yǎng)、卓越工程師培養(yǎng)、專業(yè)工程認證以及新工科計劃的提出，工科人才培養(yǎng)的教學理念不斷深化發(fā)展，各個高校都加強了對實驗/實踐課程的重視程度，加重了實驗/實踐課程的學分占比，也對課程中的實驗開設提出了新的要求。

《工程材料》課程是機械大類專業(yè)的專業(yè)基礎課程，具有理論性和實踐性都強的特點。課程涉及我院機械制造工程及其自動化、車輛工程、汽車服務工程和材料成型及控制工程四個專業(yè)，屬于必修課，主要講述鋼鐵材料的成分、加工工藝（主要是熱處理與塑形變形）、組織和性能之間的關系，為機械相關專業(yè)在零件選材、加工工藝安排打下理論基礎。課程的實驗教學一方面用來聯(lián)系工程材料特別是鋼鐵材料的相關理論知識，掌握鋼鐵材料的熱處理原理、方法和熱處理工藝的制定，為后續(xù)專業(yè)課學習及工程實踐中靈活運用工程材料知識選擇鋼鐵材料及制定鋼鐵材料的熱處理工藝奠定基礎。而現(xiàn)有《工程材料》課程的實驗教學部分，其實驗依然是驗證性實驗：鐵碳相圖的平衡組織觀察和不同碳鋼材料熱處理后硬度實驗，這種安排，一方面，學生積極性不高，另一方面，也不符合新工科培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和提高科研能力的要求。

1 ?原有驗證性實驗的利弊

《工程材料》課程中原來開設的是驗證性實驗：鐵碳平衡組織的觀察和硬度測試，主要側重于理論知識的傳播和實驗技能的訓練，屬集中授課，其教學模式主要表現(xiàn)為“灌輸式”，即教師根據(jù)教學大綱要求，依次講解實驗目的、實驗操作步驟，其實驗準備工作由實驗室老師在課前準備，學生的實驗操作也是按實驗指導書規(guī)定的步驟和要求完成的。這些驗證性實驗的開設，有利于學生加深對理論知識的理解和掌握，提高實驗操作的基本技能，為以后的綜合實驗打下基礎。但是，如果《工程材料》課程僅開設這些驗證性實驗，已經(jīng)跟不上卓越工程師培養(yǎng)的要求，更不用說新工科的要求。已有的驗證性實驗無法通過實驗手段使學生掌握通過熱處理實際操作的方法改善鋼的性能、對材料尤其使鋼鐵材料四面體（材料、加工（熱處理和塑形變形）、組織和性能）的關系停留在理論層面、脫離生產(chǎn)實際。這種教學模式不利于學生針對未知工程關于材料、材料加工方面問題的擴散思維，難以有效激發(fā)學生的學習興趣和創(chuàng)新欲望，一定程度上妨礙了大學生科技創(chuàng)新意思和科研能力的培養(yǎng)。

2 ?新實驗教學的幾種思路

（1）增加實驗學時，開設學生自主設計性/開放設計性（綜合性）實驗。為了培養(yǎng)學生的動手能力、學習能力和創(chuàng)新能力，在傳統(tǒng)驗證實驗的基礎上，增加實驗課時，開設工程材料的開放設計性實驗。教師只在課程初期提出機器設備某一零件/構件服役條件，學生通過課內課外的學習、資料查詢、組內討論，根據(jù)構件的服役條件推斷出構件使用狀態(tài)下的性能要求，選擇合適的鋼鐵材料，制定相應的熱處理方案并實施。通過這樣的開放設計性實驗，使學生不僅僅復習、掌握工程材料的相關理論知識，同時，也為以后工作中出現(xiàn)的未知問題的處理找到解決問題的方法和原則。也就是說，通過這樣的開放設計性實驗，學生不僅獲得了知識（魚），還獲得了解決相關問題的方法（漁）。這樣的安排，與驗證性實驗相比，調動了學生的主觀能動性，培養(yǎng)了創(chuàng)造性思維。

（2）聯(lián)合生產(chǎn)實際，豐富實驗內容。課程學習初期所提的開放設計性實驗課題要來源于實際生產(chǎn)或教師的科研課題，使其具有實際應用的意義。

（3）控制實驗小組人數(shù)，提供足夠多的動手機會。每組人數(shù)不超過5人，每個學生在實驗前期都要提出選材和熱處理方案及其選擇依據(jù)，然后再小組討論，或老師也參與討論，制定熱處理實驗具體工藝（溫度、保溫時間、冷卻方式等），預測每次熱處理后組織性能;在實驗實施階段，每個學生都參與實驗：熱處理操作、金相制樣、硬度測試等等;得到實驗數(shù)據(jù)后，再與預測結果進行對比分析，找出符合或不符合預測數(shù)據(jù)的原因，寫出實驗報告。

條件允許的話，每組進行兩次答辯，一次是實驗前就實驗方案進行答辯，一次是實驗后，就實驗結果與實驗前的預期是否一致進行說明和分析，預案答辯和實驗結果答辯需是組中不同成員承擔，小組討論后的實驗預案和實驗報告也需小組不同成員撰寫，這樣，每個組員不僅參與實驗操作，也要參與文字撰寫或PPT制作與答辯，提高學生的綜合能力。

3 設計性實驗的實施

（1）期初布置實驗。讓學生在《工程材料》課程一開始的時候帶著問題，思考所給服役環(huán)境下構件的力學性能、物理性能和化學性能要求，根據(jù)這些要求結合鐵碳相圖和熱處理基本原理和工藝，選擇合適的鋼鐵材料、熱處理方案及其選擇說明。

（2）進行實驗操作。一方面，實驗采用預約制度。小組實驗方案確定后，由小組長向實驗室老師提出申請并預約好實驗時間，這樣可增加學生進行實驗的自主性和設備的利用率;另一方面，實驗前小組內進行實驗操作的分工，并要求每個組員仔細查閱相關設備儀器的使用原理和操作規(guī)范，并在每一道熱處理結束后，進行硬度測試和金相組織制樣并觀察記錄。

（3）分析研究。根據(jù)理論知識結合實驗數(shù)據(jù)進行分析、組內討論并給出結論。

（4）撰寫實驗報告和總結。

按照這樣設計實施的《工程材料》開放設計性實驗課程包含了鋼鐵材料的熱處理理論和熱處理操作、金相試樣制備、顯微組織觀察和硬度測試（條件允許的話可以進行其他力學性能測試）。通過這樣的綜合實驗，可以很好地培養(yǎng)學生運用理論知識解決實踐問題的能力，同時，還能較好地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新實踐能力和團體協(xié)作能力，符合新工科的要求。

4 ?新試驗的考核

考核成績需要改變原來單純依靠實驗報告定成績的方式，采用過程考核，主要由三部分組成：實驗前的分析，包括根據(jù)構件服役條件選擇實驗材料的理論依據(jù)、熱處理方案設計說明;實驗操作，對實驗儀器和設備使用的熟練程度、金相試樣和力學性能試樣制備情況;實驗報告，實驗結果分析：符合服役條件下力學性能要求的，分析材料選擇和熱處理方案合理的原因，不符合服役條件下力學性能要求的，分析問題出在哪里以及改進方案。實驗報告占50%，其他兩部分各占25%。

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