优化设计工程材料课程实验内容培养工程实践能力

2015-10-15石志强王彦芳何艳玲蒋淑英

中国现代教育装备 2015年21期

石志强王彦芳何艳玲蒋淑英

中国石油大学(华东)机电工程学院山东青岛 266580

工程材料课程是机械类和近机械类专业的一门综合性、应用性很强的专业技术基础课。作为工程技术人员，必须具有合理选择、正确使用材料的能力。本课程的学习目的是使学生掌握必要的工程材料的基本理论和基础知识，了解常用工程材料的成分、组织、性能之间的内在关系，在工程实践中具备根据零件的使用性能要求，合理选用材料、正确选择热处理方法、合理安排工艺路线等问题的能力。

由于工程材料课程的基础理论比较抽象、知识点繁杂，学生在学习过程中普遍感觉不容易理解和枯燥乏味，导致学习兴趣下降，影响学习积极性。根据该课程工程实践性强的特点，合理安排实践教学环节可以从某种程度上弥补课堂内理论教学的不足，提高教学效果。因此，实验课作为工程材料课程实践教学的主要形式，在工程材料课程的整个教学过程中占有非常重要的地位。工程材料课程的传统的实验课都属于验证性实验，实验内容单一，教学效果欠佳。基于工程材料课程的理论与实践结合密切的特点，为了提高该课程的教学效果，培养学生的工程意识，强化工程实践能力，本文就工程材料课程的实验课内容的创新设计进行探讨。[1-8]

1 完善基础实验内容

工程材料课程的基础实验内容主要包括金相显微镜的使用和试样制备、铁碳合金平衡组织观察、钢的非平衡组织观察、钢的热处理及硬度测定等。这些实验的内容都是为了配合课堂教学，以验证工程材料的基本原理和理论为目的，传统上一般把这些实验内容以单一独立实验的形式安排在课内实验课上进行教学，由于受课程教学学时的限制，一般无法做完全部的实验内容，通常只选择做其中的1～3个实验。因此，如何在有限的实验教学时间内，尽量多地完成一些实验内容，强化实验基础，以保持工程材料课程实验内容的完整性，就变成了一个亟须解决的问题。

近几年，随着多媒体技术的发展，虚拟实验室的开发越来越普遍，技术也越来越成熟。利用多媒体技术开发工程材料虚拟实验系统可望将工程材料课程的大部分实验内容制作成一个个的虚拟实验项目，学生做实验时就可以在计算机上完成一部分实验内容，而不容易制作成虚拟实验的那部分实验内容则仍然采用现场实验的形式完成，这样就可以实现现场实验和虚拟实验的有机结合，能够做到在有限的实验教学环节，使学生完成更多的实验内容，提高实验教学的效率。

2 优化创新性综合实验内容

由于传统的单一实验主要是为了验证教材中的某些结论而设计的，实验指导书中一般都列出了详尽的实验步骤和数据表格。上实验课时指导教师按照实验指导书按部就班地讲解演示，很容易导致学生不主动思考，被动接受实验内容和结论的现象，不利于培养学生的良好学习习惯和学习积极性。

尽管传统的工程材料课程的实验内容被设计成了一个个的单一独立实验，但是这些实验内容之间都存在着很强的内在关联性，因此把几个存在内在关联但独立开设的实验项目进行优化设计，剔除各单一实验中的重复内容，整合成一个综合性实验，无疑会提高教学效率，同时也有利于提高学生的学习兴趣，对他们理解、掌握工程材料的整体知识架构很有帮助。

例如，把金相显微镜的使用和试样制备、碳钢的热处理及硬度测定、钢的非平衡组织观察3个独立实验的内容可以设计成一个创新性的综合实验。这3个实验涉及工程材料课程相关章节的多个基础知识点，把这3个传统的独立实验设计成为一套完整的、连贯性很强的综合性创新试验，对于提高实验效率和实验效果很有意义。

具体实验时，可选择20，45(或60)，T8，T12四种典型的碳钢作为实验材料，每4名学生组成一个实验小组，每人负责一个试样。第一步每个实验小组首先针对4种碳钢试样进行不同的常规热处理工艺实验(退火、正火、淬火、回火)；第二步把热处理之后的试样进行磨制、抛光、浸蚀，制作金相试样；第三步对自己制作的金相试样进行组织观察和采集电子图片；第四步对金相组织观察后的试样进行硬度测定；第五步每个实验小组的实验数据共享后撰写各自的综合实验报告。

工程材料实验中学生使用金相显微镜观察显微组织

经过优化设计的这个综合实验项目，实验室只提供必要的原材料和实验设备，实验过程中指导教师只提供必要的指导，各个实验小环节均由学生独立完成，包括实验方案制定、实验操作、金相照片采集、实验数据处理、编写实验报告等，这种实验教学模式真正做到了以学生为主体参与设计整个实验过程，大大提高了他们做实验的兴趣，能够大幅度改善教学效果。

3 合理设计研究性实验内容

工程材料作为一门工程应用性很强的课程，需要充分挖掘实验课教学的潜能才能进一步提升实践教学效果。以上所述的基础性实验和综合性实验都属于验证性实验范畴，这类实验一般都是课程的必做实验，实验室都要求学生在规定的实验时间内完成规定的实验项目，学生的实验内容和实验时间受到严格限制，这也在很大程度上禁锢了学生的工程意识和创新能力。为了锻炼学生综合能力，鼓励创新，工程材料课程有必要设计一些研究性、应用性实验项目。

单一的独立实验项目的主要目的是为了配合工程材料基础理论知识的学习，综合实验项目则可以做到以学生为主体进一步提高学生的学习兴趣。但这两种实验的内容设计在培养学生的研究能力和解决实际工程能力方面仍然欠缺，需要设计一些新的研究性、应用性实验项目。

工程材料课程的教学最终目标，是培养学生具备合理选用零件材料、正确选择热处理方法、合理安排工艺路线等问题的能力。设计制造的机械零件的使用性能和服役表现可作为检验学生学习工程材料课程之后，是否真正具有这方面的工程实践能力的一个重要指标。在工程材料的教学中，机械零件的失效分析实验有望设计成一个研究性、应用性实验，在提高学生的研究能力、培养工程意识和解决实际问题的能力方面发挥重要的作用。

材料的失效分析实验可采用案例教学法进行，选择一些具有代表性的、相对简单的典型零件失效案例作为实验内容。例如，轴类零件、齿轮类零件、发动机连杆、弹簧、刃具、锅炉管、压力容器等的典型失效案例，或者选择一些热加工缺陷(铸造、锻造、热处理、焊接)引起的失效案例。也可以根据各自高校的行业特色有针对性地选择一些失效案例作为实验内容，例如石油高校可以选择一些石油钻杆、油套管、抽油杆的失效案例进行实验分析。

具体实验过程采用分小组进行，指导教师为每个实验小组指定一个失效案例作为实验内容，学生根据题目进行查阅资料、确定实验方法、整理分析实验数据、撰写实验报告(失效分析报告)等实验工作。指导教师对于实验进程中学生提出的问题进行答疑和指导，实验室的设备对学生预约开放，可要求学生在3周内完成实验，学生能够自由安排实验的时间。实验完成后，每个实验小组选出一名代表参加材料的失效分析实验答辩，根据实验报告和答辩成绩给出最后的实验成绩。

材料的失效分析实验同时具备研究性和应用性的特点，学生做实验的过程就是完成一个小科研课题的过程，接受的是科学研究方法的基础训练，这对于他们今后进行科研活动和毕业论文实验具有很好的帮助。由于实验内容选择的都是一些工程上常见的零件和设备，与生产实践结合紧密，能够让学生亲身感受到学好工程材料课程的重要性和迫切性，可以进一步提高他们学习该课程的积极性和目的性。