材料基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)方法改革與實(shí)踐

(遼寧理工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，遼寧 錦州 121013)

實(shí)驗(yàn)課教學(xué)是高校教學(xué)工作的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)，也是工科專業(yè)學(xué)生深刻領(lǐng)悟?qū)I(yè)理論知識，掌握專業(yè)實(shí)踐技能，積累專業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的重要途徑，這一點(diǎn)已為各高校所認(rèn)知[1-3]。近年來，隨著國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，國內(nèi)市場經(jīng)濟(jì)對人才需求提出了更高要求,即要求高校畢業(yè)生既要有深厚的專業(yè)理論知識，又要具備較強(qiáng)的專業(yè)實(shí)踐技能和解決生產(chǎn)實(shí)際問題的能力。社會發(fā)展的現(xiàn)實(shí)要求高校必須轉(zhuǎn)變?nèi)瞬排囵B(yǎng)的傳統(tǒng)觀念與模式，縮短理論知識轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的周期。因此，高校的工科專業(yè)就必須使學(xué)生在校期間內(nèi)，依靠實(shí)踐環(huán)節(jié)，盡可能多的掌握專業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。這樣高校中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革就首當(dāng)其沖。改革實(shí)驗(yàn)課教學(xué)方法是工科高校共同面臨的重要工作。各高校根據(jù)自身辦學(xué)特點(diǎn)，因地制宜開設(shè)綜合設(shè)計(jì)性且?guī)в袆?chuàng)新內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)課就成為培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立創(chuàng)新能力的最佳途徑。關(guān)于高校開設(shè)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，在《普通高等學(xué)校本科專業(yè)類教學(xué)質(zhì)量國際標(biāo)準(zhǔn)》中已有明確規(guī)定，對于材料類專業(yè)的教學(xué)質(zhì)量要求是“綜合性、設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)課程占總實(shí)驗(yàn)課程的比例不少于60%[4]。遼寧理工學(xué)院（以下簡稱我校）是以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標(biāo)的省屬民辦高校。為培養(yǎng)學(xué)生在校期間就能掌握較多的專業(yè)實(shí)踐技能和解決企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際問題的能力，利用自身現(xiàn)有資源，鼓勵各理工科專業(yè)有計(jì)劃地在學(xué)科基礎(chǔ)課和專業(yè)課中，大比例地開設(shè)大型綜合設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)課，作為學(xué)校培養(yǎng)應(yīng)用型人才的重要途徑，且已積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。

一、開設(shè)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的初衷

焊接技術(shù)與工程專業(yè)是國家在高校材料類的特設(shè)專業(yè)，在其教學(xué)計(jì)劃中，材料基礎(chǔ)課程占有較大的比例，如 “工程力學(xué)”“材料工程基礎(chǔ)”“金屬學(xué)與熱處理”“材料力學(xué)性能”“焊接冶金學(xué)”等，這些課程同屬于焊接專業(yè)的材料基礎(chǔ)課程，既獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)與滲透。對于這些課程中的實(shí)驗(yàn)要求，過去都是依附于各門課開設(shè)一些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)課。一個(gè)實(shí)驗(yàn)僅僅是驗(yàn)證早已預(yù)知的理論課中的一兩個(gè)知識點(diǎn)，完全談不上掌握專業(yè)實(shí)踐技能問題，這對于培養(yǎng)生產(chǎn)應(yīng)用型人才極為不利。以金屬學(xué)與熱處理課為例，通過這門課學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)該充分理解“材料成分、熱處理工藝、組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能”四者之間的關(guān)系。使學(xué)生了解構(gòu)件的功能和使用壽命取決于其材料的性能；而材料的性能取決于其組織結(jié)構(gòu)；材料的組織結(jié)構(gòu)取決于其成分和熱處理工藝。還要讓學(xué)生知道，當(dāng)你設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)械零件時(shí)，你所選定的材料和設(shè)計(jì)的熱處理工藝正確與否關(guān)系到是否獲得理想的組織和性能，也就決定了零件使用功能和使用壽命。因此如何使學(xué)生掌握好材料的成分、工藝、組織、性能四者的關(guān)系就是學(xué)好這門課的關(guān)鍵。實(shí)踐證明，解決上述問題的最好方法之一就是結(jié)合理論課的學(xué)習(xí)，有計(jì)劃、有目的地開設(shè)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)課。為了達(dá)到應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)，我們在專業(yè)教學(xué)計(jì)劃中，將實(shí)驗(yàn)課從理論課中剝離出來，按照專業(yè)理論課教學(xué)的進(jìn)度和知識點(diǎn)次序，獨(dú)立設(shè)置了“材料基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”和“焊接綜合實(shí)驗(yàn)”兩門實(shí)驗(yàn)課，這為開設(shè)一定數(shù)量的綜合性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)課提供了時(shí)間保障。

在“材料基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”中，為使學(xué)生通過親手實(shí)踐達(dá)到對鋼鐵材料的成分、熱處理、組織、性能之間關(guān)系的掌握，決定開設(shè)題目為“鋼的典型組織設(shè)計(jì)制作及性能檢驗(yàn)”的大型綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)課，該實(shí)驗(yàn)課完成時(shí)間為6 學(xué)時(shí)，其內(nèi)容包括：查資料、選鋼號、設(shè)計(jì)熱處理工藝、爐前實(shí)操、硬度測試、沖擊試驗(yàn)、斷口分析、金相試樣制備、顯微鏡分析、結(jié)果點(diǎn)評等共十個(gè)主要操作環(huán)節(jié)，這十個(gè)操作環(huán)節(jié)中包含了金屬學(xué)與熱處理和材料力學(xué)性能兩門課中的過去傳統(tǒng)驗(yàn)證性試驗(yàn)中的大部分內(nèi)容。

二、綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐過程

“鋼的典型組織設(shè)計(jì)制作及性能檢驗(yàn)”大型綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)課先后在我校的焊接技術(shù)與工程17級和機(jī)械制造與自動化18 級兩個(gè)專業(yè)開設(shè)完成。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程分為三個(gè)階段，即預(yù)先布置階段、實(shí)驗(yàn)室實(shí)操階段、實(shí)驗(yàn)總結(jié)階段。

（一）預(yù)先布置階段

實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師根據(jù)學(xué)生在課堂上對相關(guān)課程的掌握程度、實(shí)驗(yàn)要達(dá)到的目標(biāo)、實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)條件，結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)中的典型工藝案例，分組制定若干不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)編制了綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)任務(wù)書。參加實(shí)驗(yàn)的學(xué)生每3 人為1 組，將編制好的實(shí)驗(yàn)任務(wù)書和參考書目錄在網(wǎng)上按小組群發(fā)給全班同學(xué)。任務(wù)書的內(nèi)容中包含對各小組的實(shí)驗(yàn)任務(wù)說明、配圖的典型組織要求、典型組織的性能要求（硬度、沖擊韌性要求）。要求各組同學(xué)在實(shí)驗(yàn)課前利用業(yè)余時(shí)間互相研究，查閱資料，選擇制備典型組織所需的材料牌號、繪出可執(zhí)行的熱處理工藝曲線圖、列出自己小組完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)操程序。

（二）實(shí)驗(yàn)室實(shí)操過程

指導(dǎo)教師首先講解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要求和操作注意事項(xiàng)，然后粗略審閱各組學(xué)生設(shè)計(jì)的熱處理工藝曲線，對學(xué)生設(shè)計(jì)的內(nèi)容盡量不進(jìn)行大的改動。然后按學(xué)生的選材要求發(fā)放金相試樣和沖擊試樣，分配與其設(shè)計(jì)相適合的熱處理爐和冷卻介質(zhì)。

指導(dǎo)教師講解硬度測試方法和熱處理操作方法，指導(dǎo)學(xué)生調(diào)試爐溫。然后各組分頭測試和記錄材料的原始硬度，再將各種試樣分別入爐按各組自行設(shè)計(jì)的工藝溫度和時(shí)間進(jìn)行加熱、保溫、冷卻、回火等一系列爐前熱處理操作。各組將經(jīng)過一系列不同熱處理后的試樣進(jìn)行砂輪機(jī)磨平，祛除其氧化脫碳層后，二次進(jìn)行硬度測試，記錄試樣經(jīng)不同熱處理后硬度的變化。

指導(dǎo)教師現(xiàn)場講授材料的沖擊試驗(yàn)原理和操作方法，指導(dǎo)各組學(xué)生分工進(jìn)行沖擊試驗(yàn)演練。然后完成45 號鋼原始樣、正火樣、淬火樣和不同溫度回火樣的一系列沖擊試驗(yàn)，使學(xué)生直觀地領(lǐng)悟鋼在淬火后隨其回火溫度的升高，其韌性明顯提高的現(xiàn)象。全部沖擊試驗(yàn)完成后，指導(dǎo)學(xué)生搜集全部沖擊斷口試樣，對各種沖擊斷口的特征進(jìn)行觀察、拍照和分析，從中領(lǐng)悟同一材料經(jīng)不同熱處理后，可形成各種不同斷口的道理（韌性斷口和脆性斷口），這正是“材料力學(xué)性能”課程中的重要且難以理解的知識點(diǎn)。指導(dǎo)教師指導(dǎo)學(xué)生對各自熱處理后的沖擊斷口試樣經(jīng)過磨、拋、蝕三個(gè)操作過程制備成金相樣品，然后用金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察與分析，看其是否達(dá)到任務(wù)書中的圖像要求。各組除觀察自己小組的金相試樣外還要觀察其他各組試樣的組織形貌，并繪出相應(yīng)的組織示意圖。

（三）實(shí)驗(yàn)總結(jié)階段

俗話說“編筐編簍全在收口”。總結(jié)就是綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)課的“收口”工作，實(shí)驗(yàn)總結(jié)就是指導(dǎo)教師與各組同學(xué)一道對各組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行技術(shù)分析和對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行技術(shù)點(diǎn)評的環(huán)節(jié)，是整個(gè)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的“點(diǎn)睛”之舉，十分必要。這在某些文獻(xiàn)中已有報(bào)道[5]。實(shí)驗(yàn)課結(jié)束后的總結(jié)或技術(shù)點(diǎn)評過程，就是在全部實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后，召集各組同學(xué)，將各自的任務(wù)要求、實(shí)驗(yàn)方案、測取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)或?qū)嶒?yàn)結(jié)果共同匯集書寫在課堂黑板上的《實(shí)驗(yàn)信息一覽表中》。然后由各組的同學(xué)代表分析自己小組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否符合任務(wù)書要求。如果與任務(wù)要求存在差距，就從選材、工藝設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)方案、操作過程、檢驗(yàn)方法等幾方面尋找和分析原因。

最后，由指導(dǎo)教師集中大家的分析結(jié)果，逐一對同學(xué)設(shè)計(jì)的工藝方案和操作方法等進(jìn)行技術(shù)點(diǎn)評，使每組同學(xué)都能理解自己從最初選材與工藝設(shè)計(jì)到具體工藝操作及各種組織與性能檢測，所做的工作哪些是成功的，哪些還存在問題。最終達(dá)到對本實(shí)驗(yàn)?zāi)康膹氐最I(lǐng)悟。圖1 為本實(shí)驗(yàn)課的全部程序。

圖1 綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)課總程序

三、綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的效果分析

（一）綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的實(shí)施效果

“鋼的典型組織設(shè)計(jì)制作及性能檢驗(yàn)”大型綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)開出后，我們通過課后調(diào)查，了解到兩個(gè)實(shí)驗(yàn)班同學(xué)對此種形式實(shí)驗(yàn)課的反應(yīng)，調(diào)查反饋結(jié)果證明，這種形式的實(shí)驗(yàn)課極受學(xué)生的歡迎和好評。其中有一名焊接專業(yè)的同學(xué)在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中寫道，“這種實(shí)驗(yàn)終于讓我們學(xué)了一年的金屬學(xué)熱處理知識有了應(yīng)用的地方。在這次實(shí)驗(yàn)中收獲的東西是書本上難以得到的。雖然很累，但是值得的。希望今后多開這樣的實(shí)驗(yàn)課?！庇行┩瑢W(xué)還提出了一些合理化建議：如建議“應(yīng)該提高實(shí)驗(yàn)時(shí)間利用率，縮短上課時(shí)間，使師生免于過度疲勞；建議增加實(shí)驗(yàn)儀器數(shù)量來提高每個(gè)學(xué)生的動手機(jī)會”等等。通過與學(xué)生座談和個(gè)別調(diào)查，我們總結(jié)出，在材料基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程中開設(shè)該綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，起到了以下作用和效果：

1.通過該實(shí)驗(yàn)課，多數(shù)學(xué)生對“金屬學(xué)與熱處理”“材料力學(xué)性能”兩門理論課中講過的“奧氏體化四階段”“馬氏體相變”“鋼的回火轉(zhuǎn)變”等多個(gè)專業(yè)理論知識點(diǎn)有了深刻認(rèn)識。

2.通過參加該實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生初步掌握了材料的“化學(xué)成分—熱處理工藝—組織結(jié)構(gòu)—力學(xué)性能”四者之間的相互影響和相互依存的關(guān)系。

3.通過該實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生在校期間就有機(jī)會以所學(xué)的金屬相變理論知識解決生產(chǎn)實(shí)際問題。

4.通過這種綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生了解了各門不同性質(zhì)的基礎(chǔ)課、專業(yè)課之間的關(guān)聯(lián)性，以及各門課程知識在專業(yè)生產(chǎn)中的地位與作用。

5.學(xué)生通過大量動手實(shí)踐，掌握了實(shí)驗(yàn)電爐、硬度計(jì)、沖擊機(jī)、顯微鏡等各種專業(yè)設(shè)備儀器的功能與操作技術(shù)，提高了專業(yè)實(shí)踐技能水平。

6.通過開設(shè)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，可調(diào)動和促進(jìn)學(xué)生獨(dú)立思考問題，大膽發(fā)揚(yáng)技術(shù)創(chuàng)新精神。

（二）實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新之處

本大型綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新之處是：

1.提前向?qū)W生分組布置實(shí)驗(yàn)任務(wù)，使其在課外進(jìn)行選材、工藝及實(shí)驗(yàn)程序設(shè)計(jì)，相當(dāng)是一次微型課程設(shè)計(jì)，并將設(shè)計(jì)結(jié)果通過實(shí)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)。

2.在實(shí)驗(yàn)程序設(shè)計(jì)中，巧妙地將選材—工藝設(shè)計(jì)—熱處理—檢測硬度—沖擊試驗(yàn)—斷口分析—金相制備—顯微分析—技術(shù)點(diǎn)評等九大技術(shù)環(huán)節(jié)銜接在一起，一氣呵成，使學(xué)生耳目一新。

3.在實(shí)驗(yàn)全部結(jié)束后，學(xué)生運(yùn)用自己測出的各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果，師生合作，共做技術(shù)分析與點(diǎn)評，鼓舞了學(xué)生學(xué)習(xí)材料科學(xué)知識的積極性。

（三）實(shí)驗(yàn)的不足之處

實(shí)驗(yàn)開出后，通過對相關(guān)教師和學(xué)生的調(diào)查，認(rèn)為存在下列問題需要改進(jìn)：即實(shí)驗(yàn)時(shí)間過長，學(xué)生和老師感到疲勞；實(shí)驗(yàn)設(shè)備儀器和試樣種類及數(shù)量不足，影響實(shí)驗(yàn)進(jìn)度；青年指導(dǎo)教師專業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足，使實(shí)驗(yàn)中突發(fā)的問題難以及時(shí)解答；實(shí)驗(yàn)后的技術(shù)總結(jié)和點(diǎn)評尚不能形成以學(xué)生為主體。這些問題在下一輪實(shí)驗(yàn)中將得到改進(jìn)。

四、結(jié)束語

根據(jù)焊接技術(shù)與工程專業(yè)對各門材料基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)的需求，培養(yǎng)學(xué)生具備理論聯(lián)系實(shí)際、獨(dú)立創(chuàng)新的意識和經(jīng)驗(yàn)，在獨(dú)立設(shè)置的“材料基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”中開設(shè)了“鋼的典型組織設(shè)計(jì)制作及性能檢驗(yàn)” 大型綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)課，獲得了理想的實(shí)驗(yàn)效果。在此課內(nèi)容中，學(xué)生以九個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的操作，直觀地驗(yàn)證和解釋了“金屬學(xué)與熱處理”“材料力學(xué)性能”兩門理論課中的多個(gè)重要知識點(diǎn)，使學(xué)生了解了各門學(xué)科基礎(chǔ)課之間的關(guān)系，也使學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)掌握了許多專業(yè)實(shí)驗(yàn)技能，向獨(dú)立創(chuàng)新思維、以所學(xué)專業(yè)理論知識解決生產(chǎn)實(shí)際問題的方向邁進(jìn)了一步。以后我們將接受學(xué)生合理化建議，不斷改進(jìn)課程內(nèi)涵，將這種性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)課經(jīng)驗(yàn)推廣到我校各個(gè)理工科專業(yè)中去，為我校培養(yǎng)高質(zhì)量的應(yīng)用型技術(shù)人才做出貢獻(xiàn)。