工程材料課程實驗改革與實踐

張先菊 楊眉 王斌

[摘 要]開放實驗室讓學(xué)生提前預(yù)習(xí)實驗，對實驗的操作和步驟充分熟悉，清楚地知道實驗的難點和重點，即做到心中有數(shù)，增加了他們做實驗的信心。通過導(dǎo)生制讓組長帶動小組成員實驗，增強了這部分學(xué)生的責(zé)任感，同時也降低了教師的工作量，有利于實驗室的管理。讓學(xué)生獨立查閱資料并自主設(shè)計實驗方案直至完成實驗和寫出實驗報告，綜合訓(xùn)練了他們的自學(xué)能力和動手能力，同時也開闊了他們的專業(yè)視野，極大地激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)興趣。對各個小組實驗結(jié)果的展示和評比，增強了他們的競爭意識和團(tuán)隊合作精神，提高了學(xué)生運用所學(xué)的理論知識分析和解決實際問題的能力。

[關(guān)鍵詞]實驗教學(xué) 改革與實踐 工程材料

[中圖分類號] G642.423[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A[文章編號] 2095-3437（2015）07-0153-02

工程材料課程是高等學(xué)校機械類和近機類專業(yè)的一門主要的技術(shù)基礎(chǔ)課程。該門課程的任務(wù)是從工程材料應(yīng)用角度出發(fā)，闡明工程材料的基本理論;使學(xué)生了解材料的化學(xué)成分、加工工藝、組織結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，介紹常用工程材料及應(yīng)用等基本知識，使學(xué)生通過學(xué)習(xí)，在掌握工程材料的基本理論知識基礎(chǔ)上，具備根據(jù)機械零件的服役條件和性能要求，進(jìn)行合理選材、正確制訂零件加工工藝路線及工藝規(guī)范的初步能力。因此要求學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識的同時，需要與實際工程相結(jié)合，但是對于只進(jìn)行過金工實習(xí)的他們來說有一定的難度。工程材料實驗教學(xué)作為理論聯(lián)系實際的紐帶和橋梁，是培養(yǎng)學(xué)生工程意識、動手能力和實踐能力不可缺少的教學(xué)環(huán)節(jié)。因此如何改進(jìn)該課程的實驗教學(xué)質(zhì)量，一直是講授工程材料課程的教師普遍關(guān)心的問題。[1] [2] [3] 本文針對該門課程實驗教學(xué)中存在的問題，就教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實驗室建設(shè)等方面進(jìn)行了教學(xué)改革探討與實踐。

一、實驗教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題

一直以來，我校的工程材料實驗課都是根據(jù)教學(xué)計劃的要求開出“鐵碳合金的平衡組織觀察”和“碳鋼熱處理及力學(xué)性能的測定”兩個實驗。實驗總學(xué)時為4學(xué)時，均為驗證性實驗。通常做法是：學(xué)生實驗之前不預(yù)習(xí)，也不進(jìn)實驗室對實驗設(shè)備有所了解，實驗前教師提前將實驗儀器、實驗試樣準(zhǔn)備好，然后學(xué)生再按照實驗指導(dǎo)書規(guī)定的內(nèi)容、操作方法、實驗步驟進(jìn)行實驗，實驗完成之后學(xué)生完成實驗報告即可。由于是驗證性實驗，實驗結(jié)果都一樣，導(dǎo)致部分學(xué)生不做實驗或者抄寫實驗報告。再加上學(xué)生人數(shù)多學(xué)時少，實驗設(shè)備老舊，臺套數(shù)少，使得學(xué)校、教師、學(xué)生均對實驗教學(xué)不夠重視，把實驗課當(dāng)成理論課的附屬。這種教師為主學(xué)生為輔的做法，給學(xué)生在自主學(xué)習(xí)方面的機會和空間很少，沒有激發(fā)起學(xué)生創(chuàng)新的欲望，他們只是被動的接受老師設(shè)計好的實驗過程和實驗結(jié)果，難以達(dá)到良好的教學(xué)效果，不僅不能適應(yīng)現(xiàn)代化的人才培養(yǎng)模式，在培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、分析問題和解決問題的能力、創(chuàng)新能力，提高學(xué)生綜合素質(zhì)方面也無法起到積極的作用。因此，進(jìn)行工程材料實驗教學(xué)改革勢在必行。

二、實驗教學(xué)的改革措施

（一）實驗前開放實驗室。以往實驗時，學(xué)生拿到實驗指導(dǎo)書到實驗室來，聽老師介紹實驗內(nèi)容和實驗步驟，再按照實驗指導(dǎo)書上的要求進(jìn)行實驗，用什么設(shè)備和怎么操作設(shè)備完全由老師講解，導(dǎo)致學(xué)生有依賴心理，實驗前不預(yù)習(xí)，預(yù)習(xí)了也只是照實驗指導(dǎo)書學(xué)習(xí)，甚至操作完了很快就忘了，沒有激發(fā)他們的興趣和主動性。本次改革在實驗之前提前開放實驗室，學(xué)生可根據(jù)自己的時間安排到實驗室預(yù)習(xí)實驗內(nèi)容，了解與掌握實驗設(shè)備的原理及構(gòu)造，初步掌握設(shè)備的操作步驟，查閱資料，制訂出實驗方案并寫出預(yù)習(xí)報告，由實驗教師簽字通過后方能進(jìn)入實驗室進(jìn)行實驗。

（二）導(dǎo)生制。工程材料實驗相對集中，平常實驗設(shè)備閑置，到用時往往又不夠用。由于學(xué)生人數(shù)多，集中實驗時教師指導(dǎo)不過來，導(dǎo)致學(xué)生動手機會少，或者對實驗?zāi)康暮驮O(shè)備的操作掌握不夠。再加上實驗前開放實驗室，需要足夠的時間讓學(xué)生預(yù)習(xí)，使得教師的工作量極大地增加。針對這種情況，在實驗過程中采用導(dǎo)生制，解決指導(dǎo)教師少的問題。具體做法是：在班級中，先把學(xué)生分成若干個小組，每個小組中選一個思想進(jìn)步、樂于奉獻(xiàn)的同學(xué)作為組長，實驗之前教師先把教學(xué)的內(nèi)容傳授給這部分學(xué)生，包括實驗的準(zhǔn)備、實驗的步驟和設(shè)備的操作，再由各組組長帶領(lǐng)該小組成員進(jìn)入實驗室預(yù)習(xí)，制訂合理可行的實驗步驟完成預(yù)習(xí)報告。到做實驗時各個小組分別進(jìn)行實驗，組長與指導(dǎo)教師一起指導(dǎo)學(xué)生做實驗，使每個學(xué)生的動手能力得到充分的鍛煉。

（三）實驗平臺的建設(shè)。目前實驗室建設(shè)有金相實驗室（30臺金相顯微鏡）、熱處理實驗室（10臺熱處理爐）、金相試樣制備實驗室（拋光機10臺）和硬度測試實驗室（數(shù)顯顯微硬度計2臺、洛氏硬度計2臺、布氏硬度機2臺）。為了增加學(xué)生對實驗課的興趣，擴(kuò)充學(xué)生的專業(yè)視野，建立實驗室網(wǎng)站，通過網(wǎng)絡(luò)課件展示工程材料的發(fā)展，典型材料的制備、組織及熱處理工藝，材料分析和測試儀器的原理及其使用方法等。除此之外，精心布置實驗室的陳列展品，比如增加一些實際檢測過硬度的齒輪、工具，不同熱處理工藝的軸承，典型材料的金相組織掛圖，各種失效形式的工程實物等。建立多種形式教學(xué)的實驗平臺，增強學(xué)生對材料的感性認(rèn)識，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。另外，針對在顯微鏡上進(jìn)行金相組織觀察時只能一個人觀察，不便于演示、講解與分析的難題，實驗室建成了數(shù)字網(wǎng)絡(luò)顯微互動實驗室。教師機（配有帶攝像頭的顯微鏡）控制著教室內(nèi)的20臺電腦（均配備顯微鏡和攝像頭），教師可以在教師端操作顯微鏡，將所觀察到的組織通過大屏幕顯示出來，可在學(xué)生端直接演示，使學(xué)生很容易理解實驗內(nèi)容，這就避免了原始的教學(xué)方法上的不利之處。通過教師機還可以監(jiān)控整個教室中學(xué)生的電腦操作，或者直接操作某一個學(xué)生機。另外，教師端還具備作業(yè)分發(fā)、監(jiān)控轉(zhuǎn)播、學(xué)生演示、教學(xué)錄音等重要功能。在學(xué)生端，學(xué)生可以將觀察到的金相組織進(jìn)行拍照，并保存在電腦中，還可與存放在電腦里的標(biāo)準(zhǔn)金相圖片進(jìn)行對比分析。在電腦上可以進(jìn)行分組討論，展示自己的金相照片，極大地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

（四）實驗內(nèi)容的改革。通常，實驗安排是按照理論講課進(jìn)度逐個進(jìn)行的，實驗內(nèi)容是對這部分理論知識的驗證，學(xué)生只能對局部內(nèi)容有所理解，并沒有對整門課程形成一個完整的體系。特別是工程材料強調(diào)材料—工藝—組織—性能之間的關(guān)系，單個實驗時把組織、工藝和性能分開，學(xué)生在做實驗時很茫然，不知道這樣做的原因，實驗報告中對實驗結(jié)果的分析也不盡如人意。針對這種情況，我們對實驗內(nèi)容進(jìn)行了改革和擴(kuò)充，把原來的單個實驗串起來形成一個綜合實驗，具體做法是：教師先設(shè)計一系列不同的任務(wù)，如將退火態(tài)的45鋼或T12鋼分別在不同的環(huán)境下使用并要求獲得某一類型的組織，要求學(xué)生自己選材，進(jìn)行熱處理工藝、硬度檢驗及金相試樣的制備及觀察。6-8個學(xué)生為一組，拿到任務(wù)后在組長的帶領(lǐng)下進(jìn)實驗室預(yù)習(xí)，熟悉實驗流程、實驗設(shè)備，并查閱資料，制訂實驗方案，完成預(yù)習(xí)報告交教師檢查是否合理，若方案合理則準(zhǔn)許這個組進(jìn)入實驗室開始實驗。在整個實驗過程中，熱處理操作，硬度檢測，金相試樣的制備（包括磨制、拋光、浸蝕），金相組織觀察與拍照均由學(xué)生自己動手完成，最后的金相結(jié)果還需與標(biāo)準(zhǔn)組織照片對比，并對組織缺陷進(jìn)行分析，最后完成實驗報告。接下來要求每個組把自己拍攝最好的一張金相組織照片在全班展示出來，并配以相應(yīng)的圖片說明，讓全班同學(xué)投票進(jìn)行評比，選出最佳組織照片，這類似于一場小型的金相大賽，增強了他們的競爭意識并且讓他們熟悉了材料在其他熱處理條件下的組織，進(jìn)一步加深了工藝、組織、性能之間關(guān)系的印象。通過在少部分班級中的實施發(fā)現(xiàn)：學(xué)生對這個實驗表現(xiàn)出空前高漲的熱情，比平常多花幾倍的時間來準(zhǔn)備實驗，實驗過程中也非常認(rèn)真、嚴(yán)謹(jǐn)。為了獲得最佳組織照片獎，小組成員之間相互幫助，相互監(jiān)督，團(tuán)結(jié)一致。他們的實驗報告幾乎在沒有要求的情況下都采用了電子版本，精心進(jìn)行了書寫、排版和圖片處理。

三、成效與不足

這次工程材料實驗教學(xué)改革的實施，在老師和同學(xué)們的共同努力下，取得了較好的成效。開放實驗室讓學(xué)生提前預(yù)習(xí)實驗，對實驗的操作和步驟充分熟悉，清楚地知道實驗的難點和重點，即做到心中有數(shù)，增加了他們做實驗的信心。通過導(dǎo)生制讓組長帶動小組成員實驗，增強了這部分學(xué)生的責(zé)任感，同時也降低了教師的工作量，有利于實驗室的管理。讓學(xué)生獨立查閱資料并自主設(shè)計實驗方案直至完成實驗并寫出實驗報告，綜合訓(xùn)練了他們的自學(xué)能力和動手能力，同時也開闊了他們的專業(yè)視野，極大地激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)興趣。對各個小組實驗結(jié)果的展示和評比，增強了他們的競爭意識和團(tuán)隊合作精神。在實驗過程中，難免會遇到各種問題，學(xué)生學(xué)會了耐心的反復(fù)試驗或者重新查閱資料來解決，與以往試驗中遇到不會就找老師截然不同，獨立分析問題和解決問題的能力得到很大的提升。當(dāng)然，目前的實驗教學(xué)改革仍存在較多的不足，比如學(xué)生學(xué)習(xí)能力及動手能力參差不齊，要完成整個實驗有的小組需要教師更多指導(dǎo);學(xué)生的預(yù)實驗和分散綜合實驗，增加了實驗室的管理難度，任課教師和實驗室人員也需投入更多的時間和精力。學(xué)校可考慮增加研究生參與指導(dǎo)，或者增加教師工作量等激勵措施來改善不足，以進(jìn)一步提升我院的辦學(xué)質(zhì)量。

[ 注 釋 ]

[1] 謝飛，潘建偉.“工程材料”課綜合型實驗教學(xué)探索[J].江蘇工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2005（2）：79-81.

[2] 徐小明，張湘?zhèn)ィ≌?開放型實驗教學(xué)管理模式與系統(tǒng)實現(xiàn)[J].實驗室研究與探索，2007（8）：81-82.

[3] 林峰.《工程材料》綜合設(shè)計性實驗教學(xué)改革[J].廣東技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)），2009（2）：80-82.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]