工程材料课程实验教学改革和探索研究

2019-11-07王渊博李建忱

中国现代教育装备 2019年19期

安健王渊博李建忱

吉林大学材料科学与工程学院吉林长春 130025

工程材料是面向我校工学部机械类专业(包括机械工程、车辆工程、交通工程、农业机械工程)所开设的一门技术基础课，主要讲授材料科学的基础理论、固态相变原理及工艺和典型的工程材料应用。目的是通过本课程学习，使学生获得有关材料科学、热处理的基本理论及工程材料应用的一般基础知识，了解和掌握材料的成分、组织、性能、热处理工艺之间的关系，具有合理选用工程材料，正确选定热处理工艺方法，妥善安排工艺路线等方面的初步能力[1]。本课程理论教学为32学时，实验教学为8学时。由于本课程具有理论性强、概念多、内容跨度大等特点，同时材料科学本身是一门在实验和实践基础上发展起来的学科，实验教学作为课程教学的重要组成部分，承载着加深理解和巩固理论教学内容的任务。传统的工程材料实验教学与材料科学仪器设备发展脱节，教学内容分散孤立，教学方式缺乏启发性、参与性和创新性等诸多问题，不能激发学生实验兴趣，长期以来教学效果并不十分理想[2,3]，因此，对于工程材料课程的实验教学进行深入改革和探索势在必行。

1 仪器设备升级拓展学生视野的实验改革

高等院校是教学科研工作的主要领域，是培养人才的重要基地，仪器设备是认识世界的工具[4]。现代科学仪器的发展促进了材料科学的进步。为了提高教学效果和介绍先进仪器设备，笔者对部分实验设备进行系列升级改造，将传统光学显微镜升级配备数码金相显微镜图像采集系统，用数字式硬度计替代指针式硬度计。例如，在实验课显微镜光学原理及显微组织分析的教学过程中，除讲述原有试样制备、金相显微镜成像和使用知识外，补充了“图像采集系统和软件”的相关内容。学生在观察金相组织的同时，掌握了图像采集系统操作方法，能够将显微镜下的图像清晰采集在计算机屏幕上。这种实验方式改革有助于学生了解现代主流显微镜的功能，提高观察效率，增强与教师的互动性，学生能够和教师就金相组织细节展开有效交流，加深感性认识和对显微组织的理解，如图1所示。

图1 金相显微镜图像采集系统

2 贯通理论教学内容的实验改革

传统实验教学内容的设计范围较狭窄，虽然每个实验都具有较强的针对性，但是并未将相关理论教学内容有机串联起来，以致学生通过实验不能获得全面的感性认识，实验课程没有起到促进巩固理论教学的目的。为此，笔者对实验课内容进行了再设计，力图形成一个较为完整系统的有机体系。例如，在实验课碳钢及合金钢的热处理及组织分析的教学过程中，进行了两方面改革：(1)在原实验设定所用的中碳45钢和中碳合金钢40Cr基础上，增加了40CrNi和40CrNiMo两种合金钢种；(2)在原实验设定的所用显微组织(硬度)检测方法基础上，增加了冲击韧性实验。为了不增加实验学时，准备好预先处理过的冲击韧性试样。目的是使学生在掌握基本热处理工艺基本过程和组织特征基础上，通过自己实验操作获得冲击韧性数据，能够理解合金元素对高温回火脆性的影响。具体实施时将原实验进行45钢和40Cr钢高温回火和硬度测试的两组学生划分为四组，分别进行45钢、40Cr、40CrNi和40CrNiMo合金钢的600℃高温回火、硬度和冲击韧性测试实验，然后汇总实验数据。通过比较四种钢硬度的差别。学生能够深入了解合金元素对回火稳定性的影响；通过比较冲击韧性的差别，学生能够体会Cr-Ni钢的高温回火脆性以及合金元素Mo对消除高温回火脆性的作用。实验内容改革后，学生普遍反映加深了对碳钢和合金钢的组织、热处理工艺和力学性能等理论教学内容的理解。

3 实例式实验教学改革

针对我校每年约有80%以上机械类本科毕业生进入汽车整车和相关零部件行业就业的特点，为了进一步巩固工程材料课程的课堂教学效果，搭建课程与就业领域之间的桥梁，实验教学团队收集整理了一些典型汽车零件，设立展台展柜，就零件服役条件、材料选择、加工路线及采用热处理工艺等方面做出详细说明，并且配备了相关金相组织照片。在第三个实验课的热处理保温等待期间给学生讲解和参观。展品包括三类零件或材料：(1)汽车典型零部件：曲轴、凸轮轴、变速箱齿轮、活塞等；(2)汽车覆盖件模具材料：Cr12MoV车身拉延模块、QT700-3铸造车身模具；(3)汽车零件加工用刃具和工具：高速钢铣刀和钻头、硬质合金刀块、Cr12MoV搓丝板和滚丝模。通过实例式实验教学改革，将学习内容与零件实物联系起来，开阔学生视野，为他们将来的职业发展打下坚实基础。

4 竞赛式实验教学改革

为了调动学生学习积极性，加强工程材料实验课程的趣味性和挑战性，在不增加实验学时基础上，在每学年的工程材料授课期间，实验教学团队都将定期组织两次面向机械类学生的实验竞赛活动，分别为金相试样制备竞赛和金相组织观察辨别竞赛，时间选定在周末。金相试样制备竞赛的评分标准为制备完成时间、表面质量和采集图像效果。在金相组织观察辨别竞赛中，选择平衡态的铁-碳合金、不同组织状态(包含马氏体、上贝氏体、下贝氏体)的碳钢和合金钢金相试样，以学生通过显微镜观察鉴别金相组织的准确性和使用附带图像采集系统定量分析碳钢含碳量的结果为评分标准。对竞赛获奖学生颁发奖状，并由任课教师在课堂上宣布竞赛结果。实验竞赛在学生中引起强烈反响，唤起学生对工程材料课程的学习兴趣，提高了学生的动手能力和实验技能。