应用型本科院校金属学原理课程实验改革和实践

张小立 徐玉松 金云学 张 超 秦 亮

江苏科技大学苏州理工学院冶金与材料工程学院 江苏张家港 215600

应用型本科院校，是一种以应用型人才培养为主要任务和目标的办学层次[1]，其培养的应用型人才是能够将科学理论转化为可操作应用的工程方案或设计图纸的人才[2]。而具有工程意识是实现这一转化的最重要和最基本的素质之一，同时也是高等院校工程教育的薄弱环节[3]。工程实践是培养学生工程意识的唯一途径，同时也是孕育创新能力的基础。

江苏科技大学苏州理工学院位于苏南新兴工业城市张家港市，是一所地方性应用型本科院校，依托地方制造业优势，材料加工专业实行三年完成本科理论教学和一年工程实践的“3+1”教学模式。作为材料加工工程专业的基础平台课程金属学原理是基于人类认识、使用和研究金属材料所积累的信息所形成的一门跨领域、系统性发展的学科，其相关知识来源于实践、应用于实践并在实践中得到发展。结合金属学原理课程特点和现有实验教学经验，从实验教学模式、时间以及内容等方面进行改革和探索，以期培养学生基础性的工程意识：材料科学的基本素养和材料工程的基本认知，具有专业兴趣和工程实践经验。

1 金属学原理教学现状

金属学原理作为材料科学与工程专业的基础课程，以学习金属材料的基础知识为目的，从材料的成分由相图和金相分析其平衡态组织，揭示材料结构与性能的内在联系及规律，为认识和改进材料的性能提供必备的基础知识[4]。课程由3个模块组成(如图1所示)。第一模块是基础理论，讲授56学时，其中实验课时为12学时；第二模块为钢的热处理原理和工艺，讲授32学时，其中实验课时为6学时；第三模块为金属材料学，讲授16学时，一般与热处理模块同一学期授课。理论教学上教师照本宣科，学生也较难接受，很难引起学生的学习兴趣。目前的课内实验设置仅仅是让学生了解较为基础的名词概念等，而对专业由感性认识上升到理性认识需要一段丰富的实践过程。

第一模块的课内实验课时设置为12学时，实验内容包括NH4Cl结晶过程观察、金相显微镜的构造和使用、典型碳钢的试样制备与金相组织观察、塑性变形金属和再结晶组织观察等；第二模块的课内实验为6学时，实验内容包括碳钢各种热处理工艺、微观组织及硬度测试等。原有实验教学内容设置具有重复性和陈旧性[4]，学生仅仅是对试样的观察和分析，并不知晓其历史过程，因此对材料加工工艺与组织和性能之间的关系无法衔接。钢的加工在宏观上其实是“热”的施加历史，或同时伴以“力”的复合作用。目前的课内实验仅仅是辅助学生理解相和组织以及与成分之间的关系，体现了材料科学的部分内涵，无法体现工程应用性。

图1 金属学原理课程原有设置

综上，金属学原理是一门极富理论性、实践性和工程应用性的课程，为达到应用型本科院校培养目的，更好地培养学生工程意识，在实验教学中做出了初步改革和实践探索。

2 改革措施

2.1 教学模式

面向工程技术发展和终身教育的需要，苏州理工学院材料加工专业“3+1”教学模式[6]中实践环节是将理论知识转变成自身科技能力的必要过程。金属学原理是材料对加工专业的支柱性课程，利用学分制的灵活性，将原有课内实验性教学改变为实践课程，与理论教学并重，根据课程内容分段教学，教学学分为4分，总课时为4周，相当于64学时，其中3周为必修课时，1周作为选修课时，实验教学时间安排与理论教学内容相配合。

2.2 教学内容

金属学原理课程教学由理论教学和实践教学两个部分组成(如图2所示)。理论教学中“三元相图”部分作为选修课程，为准备读研同学设置，授课24学时，原有“材料学”模块纳入金属材料学课程中，实验教学中的基础技能“显微镜构造与使用”在近代材料分析方法课内实验中学习。实践教学内容以铁碳合金为材料，以“热”作为关键外因，通过改变物质的体系自由能达到“相”变 和“组织”的形成，从而得到相应的材料力学性能；现代钢铁加工过程中，基本都是在“外力”作用下成形并提高力学性能；因此，实践教学内容基本上是围绕“热”为主、“力”为辅对铁碳合金的作用进行实验教学。

图2 金属学原理课程内容构成

(1)导入性实验：课时为8学时，作为本课程的“绪论”传授；主要包括录像教学《钢铁是怎样炼成的》和钢铁熔铸实验。实验内容包括：砂型两箱造型、多种成分的碳素钢和铸铁的配比计算、熔炼和浇铸实验、冷却曲线测试。

教学目的：认识和熟悉中频感应炉熔炼设备，了解砂型造型、合金熔炼和浇注过程，在冷却过程中铸坯不同部位温度的变化和热量传输方向。

(2)基础性实验：课时为16学时，实验内容分别和基础理论与热处理教学内容相对应，包括铸坯宏观组织观察；不同成分铁碳合金的微观组织观察；塑性变形及再结晶组织观察； 钢“四把火”热处理实验：工艺过程、工艺参数与微观组织和性能的测试和分析；钢的渗碳、渗氮表面热处理试验等。

教学目的：促进学生对相、组织和固态相变等基础概念的理解，物质的相组成和组织结构之间的区别和联系；学生根据导入性实验中自己所获得的材料进行试样制备、宏观和微观组织观察和分析，逻辑分析成分、组织以及加工工艺(铸造、拉拔、轧制及热处理)之间的关系等。

(3)综合性实验：课时为8学时，“热”和“力”对碳素钢组织和性能影响的综合性实验，主要内容是碳钢在不同热加工条件下金相组织观察试验、力学性能测试等；热加工条件包括铸态、焊态、热轧状态、热轧退火态、调质态等。

教学目的：培养学生材料的工程应用基础能力，了解常见热加工组织对碳钢性能的影响，知晓提高材料力学性能的一些常用方法。

(4)工程设计实验：教学课时为16学时，根据常用零件的服役条件选择铁碳合金成分、加工工艺等，主要内容包括查阅资料、拟定加工路线、制定工艺规程等；常用零件包括连杆、传动轴、齿轮以及减速箱体等。

教学目的：由学生自己查阅资料、制定实验方案和步骤，促使学生具有初步的专业工程实践意识；增强学生专业学习积极性与主动性，提高动手能力。

(5)研究性实验：教学课时为16学时，作为大学生创新实践的一部分，学生结合教师的科研项目，在教师指导下进行试验性研究，成果以实际的金相组织照片、相分析图谱及数学模型等形式予以展示。

教学目的：在深化学生对基础理论、基本知识的真正理解与掌握的同时，达到综合性专业技能训练目的。这项是选修内容，学生可以依据自己将来考研或工作的需要进行选择。

2.3 改革目标

金属学原理课程实验改革有两个目标。

(1)金属学原理实践教学自成体系，服务于理论教学的同时，培养学生的专业兴趣，积累工程意识，开发创新潜能。

(2)培养学生具有分析材料科学问题的基本逻辑和材料工程应用的基础能力。一是通过实践教学提高学生兴趣，深化学生对基本理论、基本知识的理解与掌握；二是对学生进行长程的、综合的专业技能训练，培养学生运用所学基本知识解决问题的能力，提高学生动手能力；三是针对铸、锻、焊专业的不同特点，培养学生的专业基础技能。

3 实践和总结

针对2012级和2013级材料成形专业学生实施了新的金属学原理课程实践教学方案。

(1)长程管理：针对压力加工专业60人左右的2个班级进行分组：8～10人为一组，组长负责制，每组对应于一个铁碳合金成分，从浇注试样和保存、冷却温度曲线测试、金相组织观察、热处理以及力学性能测试实验都采用同一种合金成分，每一阶段结束后做课堂交流汇报。

(2)保障机制：实验室建设平台主要以金属学原理实验内容和目的构建实验教师组成和设备购置，理论教学3人和实验教学3人，有针对性负责实验管理、计划、操作和安全。

(3)考核机制：每个学生都必须动手实验、总结，组内成员轮流汇报，教师考核学生实验表现和总结报告，考核成绩占70%；汇报答辩成绩由全体学生考核，考核成绩占30%。

经过两届专业学生的教学实践，取得了如下成效：

一是学生对课程的兴趣大大提高，具有参与感和真实性；二是学生对于铁碳合金中成分、相、组织和固态相变等概念的认识由抽象转变为具体；三是培养了学生科学素质、动手能力和工程实践意识；四是增加了师生、学生间的学术交流机会，同时也培养了教师的教学能力。

综上所述，该实验教学改革的内容具有工程实践性，管理上具有继承性，在教学起始阶段培养学生兴趣，在教学过程中提高学生的材料科学素养和材料工程素质，在综合实践中培养学生设计和创新能力。

[1]齐平,朱家勇.应用型本科院校人才培养目标调整及其实现之策略[J].高教论坛,2010(6): 51-53,69.

[2]张长森,吴其胜,侯贵华.应用型本科院校毕业设计团队培养模式的构建[J].理工高教研究,2009,28(6):118-121.

[3]左延红,张克仁.工科院校应注重培养学生的工程意识[J].高等建筑教育,2010,19(2):14-15.

[4]雷源源,张晓燕,田琴.《材料科学基础》教学方法的改革[J].新课程研究,2012(6):117-118.

[5]丁满堂.材料工程专业金属学方向的综合性实验教学[J].中国冶金教育,2011(3):63-65.

[6]李震,朱昌平,范新南,郭铁峥.“3+1”教学模式与学生创新实践能力培养[J].实验室技术与管理,2007,24(1):128-130.