材料基础实验课的教学方法改革与实践

(辽宁理工学院 机电工程学院，辽宁 锦州 121013)

实验课教学是高校教学工作的重要实践环节，也是工科专业学生深刻领悟专业理论知识，掌握专业实践技能，积累专业生产经验的重要途径，这一点已为各高校所认知[1-3]。近年来，随着国家经济建设的飞速发展，国内市场经济对人才需求提出了更高要求,即要求高校毕业生既要有深厚的专业理论知识，又要具备较强的专业实践技能和解决生产实际问题的能力。社会发展的现实要求高校必须转变人才培养的传统观念与模式，缩短理论知识转化为生产力的周期。因此，高校的工科专业就必须使学生在校期间内，依靠实践环节，尽可能多的掌握专业实践经验。这样高校中的实验教学改革就首当其冲。改革实验课教学方法是工科高校共同面临的重要工作。各高校根据自身办学特点，因地制宜开设综合设计性且带有创新内容的实验课就成为培养学生独立创新能力的最佳途径。关于高校开设综合设计性实验，在《普通高等学校本科专业类教学质量国际标准》中已有明确规定，对于材料类专业的教学质量要求是“综合性、设计性和创新性实验课程占总实验课程的比例不少于60%[4]。辽宁理工学院（以下简称我校）是以培养应用型人才为目标的省属民办高校。为培养学生在校期间就能掌握较多的专业实践技能和解决企业生产实际问题的能力，利用自身现有资源，鼓励各理工科专业有计划地在学科基础课和专业课中，大比例地开设大型综合设计性、创新型实验课，作为学校培养应用型人才的重要途径，且已积累了一定的经验。

一、开设综合设计性实验的初衷

焊接技术与工程专业是国家在高校材料类的特设专业，在其教学计划中，材料基础课程占有较大的比例，如 “工程力学”“材料工程基础”“金属学与热处理”“材料力学性能”“焊接冶金学”等，这些课程同属于焊接专业的材料基础课程，既独立又相互关联与渗透。对于这些课程中的实验要求，过去都是依附于各门课开设一些验证性实验课。一个实验仅仅是验证早已预知的理论课中的一两个知识点，完全谈不上掌握专业实践技能问题，这对于培养生产应用型人才极为不利。以金属学与热处理课为例，通过这门课学习，学生应该充分理解“材料成分、热处理工艺、组织结构、力学性能”四者之间的关系。使学生了解构件的功能和使用寿命取决于其材料的性能；而材料的性能取决于其组织结构；材料的组织结构取决于其成分和热处理工艺。还要让学生知道，当你设计一个机械零件时，你所选定的材料和设计的热处理工艺正确与否关系到是否获得理想的组织和性能，也就决定了零件使用功能和使用寿命。因此如何使学生掌握好材料的成分、工艺、组织、性能四者的关系就是学好这门课的关键。实践证明，解决上述问题的最好方法之一就是结合理论课的学习，有计划、有目的地开设综合设计性实验课。为了达到应用型人才培养的目标，我们在专业教学计划中，将实验课从理论课中剥离出来，按照专业理论课教学的进度和知识点次序，独立设置了“材料基础实验”和“焊接综合实验”两门实验课，这为开设一定数量的综合性、设计性、创新性实验课提供了时间保障。

在“材料基础实验”中，为使学生通过亲手实践达到对钢铁材料的成分、热处理、组织、性能之间关系的掌握，决定开设题目为“钢的典型组织设计制作及性能检验”的大型综合设计性实验课，该实验课完成时间为6 学时，其内容包括：查资料、选钢号、设计热处理工艺、炉前实操、硬度测试、冲击试验、断口分析、金相试样制备、显微镜分析、结果点评等共十个主要操作环节，这十个操作环节中包含了金属学与热处理和材料力学性能两门课中的过去传统验证性试验中的大部分内容。

二、综合设计性实验的实践过程

“钢的典型组织设计制作及性能检验”大型综合设计性实验课先后在我校的焊接技术与工程17级和机械制造与自动化18 级两个专业开设完成。整个实验过程分为三个阶段，即预先布置阶段、实验室实操阶段、实验总结阶段。

（一）预先布置阶段

实验指导教师根据学生在课堂上对相关课程的掌握程度、实验要达到的目标、实验室的实验条件，结合企业生产中的典型工艺案例，分组制定若干不同的实验项目，设计编制了综合设计性实验任务书。参加实验的学生每3 人为1 组，将编制好的实验任务书和参考书目录在网上按小组群发给全班同学。任务书的内容中包含对各小组的实验任务说明、配图的典型组织要求、典型组织的性能要求（硬度、冲击韧性要求）。要求各组同学在实验课前利用业余时间互相研究，查阅资料，选择制备典型组织所需的材料牌号、绘出可执行的热处理工艺曲线图、列出自己小组完成整个实验的实操程序。

（二）实验室实操过程

指导教师首先讲解实验内容要求和操作注意事项，然后粗略审阅各组学生设计的热处理工艺曲线，对学生设计的内容尽量不进行大的改动。然后按学生的选材要求发放金相试样和冲击试样，分配与其设计相适合的热处理炉和冷却介质。

指导教师讲解硬度测试方法和热处理操作方法，指导学生调试炉温。然后各组分头测试和记录材料的原始硬度，再将各种试样分别入炉按各组自行设计的工艺温度和时间进行加热、保温、冷却、回火等一系列炉前热处理操作。各组将经过一系列不同热处理后的试样进行砂轮机磨平，祛除其氧化脱碳层后，二次进行硬度测试，记录试样经不同热处理后硬度的变化。

指导教师现场讲授材料的冲击试验原理和操作方法，指导各组学生分工进行冲击试验演练。然后完成45 号钢原始样、正火样、淬火样和不同温度回火样的一系列冲击试验，使学生直观地领悟钢在淬火后随其回火温度的升高，其韧性明显提高的现象。全部冲击试验完成后，指导学生搜集全部冲击断口试样，对各种冲击断口的特征进行观察、拍照和分析，从中领悟同一材料经不同热处理后，可形成各种不同断口的道理（韧性断口和脆性断口），这正是“材料力学性能”课程中的重要且难以理解的知识点。指导教师指导学生对各自热处理后的冲击断口试样经过磨、抛、蚀三个操作过程制备成金相样品，然后用金相显微镜进行显微组织观察与分析，看其是否达到任务书中的图像要求。各组除观察自己小组的金相试样外还要观察其他各组试样的组织形貌，并绘出相应的组织示意图。

（三）实验总结阶段

俗话说“编筐编篓全在收口”。总结就是综合设计性实验课的“收口”工作，实验总结就是指导教师与各组同学一道对各组的实验数据进行技术分析和对实验结果进行技术点评的环节，是整个综合设计性实验的“点睛”之举，十分必要。这在某些文献中已有报道[5]。实验课结束后的总结或技术点评过程，就是在全部实验结束之后，召集各组同学，将各自的任务要求、实验方案、测取的试验数据或实验结果共同汇集书写在课堂黑板上的《实验信息一览表中》。然后由各组的同学代表分析自己小组的实验结果是否符合任务书要求。如果与任务要求存在差距，就从选材、工艺设计、实验方案、操作过程、检验方法等几方面寻找和分析原因。

最后，由指导教师集中大家的分析结果，逐一对同学设计的工艺方案和操作方法等进行技术点评，使每组同学都能理解自己从最初选材与工艺设计到具体工艺操作及各种组织与性能检测，所做的工作哪些是成功的，哪些还存在问题。最终达到对本实验目的彻底领悟。图1 为本实验课的全部程序。

图1 综合设计性实验课总程序

三、综合设计性实验的效果分析

（一）综合设计性实验的实施效果

“钢的典型组织设计制作及性能检验”大型综合设计性实验开出后，我们通过课后调查，了解到两个实验班同学对此种形式实验课的反应，调查反馈结果证明，这种形式的实验课极受学生的欢迎和好评。其中有一名焊接专业的同学在实验报告中写道，“这种实验终于让我们学了一年的金属学热处理知识有了应用的地方。在这次实验中收获的东西是书本上难以得到的。虽然很累，但是值得的。希望今后多开这样的实验课。”有些同学还提出了一些合理化建议：如建议“应该提高实验时间利用率，缩短上课时间，使师生免于过度疲劳；建议增加实验仪器数量来提高每个学生的动手机会”等等。通过与学生座谈和个别调查，我们总结出，在材料基础实验课程中开设该综合设计性实验项目，起到了以下作用和效果：

1.通过该实验课，多数学生对“金属学与热处理”“材料力学性能”两门理论课中讲过的“奥氏体化四阶段”“马氏体相变”“钢的回火转变”等多个专业理论知识点有了深刻认识。

2.通过参加该实验，使学生初步掌握了材料的“化学成分—热处理工艺—组织结构—力学性能”四者之间的相互影响和相互依存的关系。

3.通过该实验，使学生在校期间就有机会以所学的金属相变理论知识解决生产实际问题。

4.通过这种综合设计性实验，使学生了解了各门不同性质的基础课、专业课之间的关联性，以及各门课程知识在专业生产中的地位与作用。

5.学生通过大量动手实践，掌握了实验电炉、硬度计、冲击机、显微镜等各种专业设备仪器的功能与操作技术，提高了专业实践技能水平。

6.通过开设综合设计性实验，可调动和促进学生独立思考问题，大胆发扬技术创新精神。

（二）实验的创新之处

本大型综合设计性实验的创新之处是：

1.提前向学生分组布置实验任务，使其在课外进行选材、工艺及实验程序设计，相当是一次微型课程设计，并将设计结果通过实验来实现。

2.在实验程序设计中，巧妙地将选材—工艺设计—热处理—检测硬度—冲击试验—断口分析—金相制备—显微分析—技术点评等九大技术环节衔接在一起，一气呵成，使学生耳目一新。

3.在实验全部结束后，学生运用自己测出的各种实验数据和结果，师生合作，共做技术分析与点评，鼓舞了学生学习材料科学知识的积极性。

（三）实验的不足之处

实验开出后，通过对相关教师和学生的调查，认为存在下列问题需要改进：即实验时间过长，学生和老师感到疲劳；实验设备仪器和试样种类及数量不足，影响实验进度；青年指导教师专业实践经验不足，使实验中突发的问题难以及时解答；实验后的技术总结和点评尚不能形成以学生为主体。这些问题在下一轮实验中将得到改进。

四、结束语

根据焊接技术与工程专业对各门材料基础课程学习的需求，培养学生具备理论联系实际、独立创新的意识和经验，在独立设置的“材料基础实验”中开设了“钢的典型组织设计制作及性能检验” 大型综合设计性实验课，获得了理想的实验效果。在此课内容中，学生以九个实验环节的操作，直观地验证和解释了“金属学与热处理”“材料力学性能”两门理论课中的多个重要知识点，使学生了解了各门学科基础课之间的关系，也使学生通过实验掌握了许多专业实验技能，向独立创新思维、以所学专业理论知识解决生产实际问题的方向迈进了一步。以后我们将接受学生合理化建议，不断改进课程内涵，将这种性质的实验课经验推广到我校各个理工科专业中去，为我校培养高质量的应用型技术人才做出贡献。