工程材料實驗教學中開展設計性實驗的探索與實踐

張明華　董新龍　陳江瑛

摘 要 工程材料課程設計性實驗教學內容的開設，能加深學生對常用工程材料的認識，拓展他們的知識面，提高學生的主動思考與實踐動手能力，激發學生學習和參加實驗的積極性和主觀能動性。學生的積極參與，也促使我們不斷改善實驗條件，改革實驗教學模式，提高實驗教學質量。

關鍵詞 工程材料 實驗教學 設計性實驗

中圖分類號：G424 文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2016.01.050

Research and Practice of Carrying out Designing Experiment

in Engineering Materials Experimental Teaching

ZHANG Minghua， DONG Xinlong， CHEN Jiangying

Abstract Engineering Materials courses design experiment teaching content， to deepen students 'understanding of common engineering materials， expand their knowledge and improve students' active thinking and practical ability to inspire students to learn and participate in the experiment enthusiasm and initiative. Active participation of students， but also prompted us to continue to improve the experimental conditions， the reform of experimental teaching model to improve the quality of teaching experiments.

Key words engineering materials; experimental teaching; designing experiment

國家對創新型人才培養的要求隨著高等教育的不斷發展而不斷提高，創新教育已成為高等教育在新時期發展的必經之路。在進一步推進制度創新、理念創新和文化創新的同時，要充分認識實踐的重要作用，理念創新引領實驗教學的改革和發展已經成為目前研究和探索的熱點。①②

能源、信息和材料是現代社會和現代科學技術的三大支柱，學習并掌握工程材料的基本知識對于工科院校學生來說有重要意義。工程材料從應用角度出發，講述了材料科學基本理論，使學生能充分認識材料的成分、加工工藝、組織、結構與性能之間的關系，了解材料牌號及這些材料組織狀態、力學性能等，對車輛工程、機械工程、航空航天等領域的各種金屬材料、高分子材料、復合材料等領域的設計研發工作具有重要意義。③④為拓展學生知識面，加強學生對基本工程材料的認識，培養其實踐動手能力，開設相應的工程材料課程和相關的實驗教學是必要的。并且實驗教學的效率也直接影響到學生的自主學習能力、實踐動手能力、綜合分析能力以及科研創新能力的提高。⑤⑥⑦

通過工程材料的學習，可以使學生在掌握材料的基本知識及基本理論的基礎上，具備對結構零件進行合理選材及制定零件工藝路線的初步能力。并且通過合理設置實驗提高學生的實際動手能力，加深并強化課堂理論教學的理解，提高實驗操作技能。

1 實驗任務書的制定

為了滿足實驗教學的需要，原有開設的實驗項目有： （1）硬度計及硬度試驗;（2）鐵碳合金平衡組織分析;（3）碳鋼經熱處理組織分析。本次設計性實驗（典型機械零件選材及熱處理）是在碳鋼熱處理實驗的基礎上進行改進，結合前述實驗以及教師講授的課堂理論，學生自己完成實驗方案的制定。

本次設計性實驗制定如下：

實驗目的：（1）了解正確選材的必要性，熟悉常用材料的結構、組織、性能和用途，能掌握按照使用性、工藝性、經濟及環境友好性等原則選用合適的材料;（2）能根據所選材料的合金組成、組織及性能關系，確定熱處理工藝路線并能進行熱處理操作;（3）能按步驟制備金相試樣，并掌握對金相試樣的浸蝕方法;（4）學會使用金相顯微鏡，掌握用金相顯微鏡觀察和辨識材料的的顯微組織的方法;（5）學會使用硬度計測試材料硬度。

實驗要求：（1）分組查閱相關文獻資料并討論確定實驗方案，將討論后的方案交給實驗教師審閱;（2）確定的方案中要詳細給出對熱處理工藝參數（加熱T、保溫t、冷卻方式等）;（3）按照實驗方案進行試驗;（4）撰寫實驗報告，分析實驗結果。

實驗儀器、材料及耗材：（1）熱處理爐;（2）45、40Cr、T10、T8等常用工程材料;（3）金相砂紙，拋光機，拋光膏，浸濕劑，金相顯微鏡;（4）硬度計。

該設計性實驗的需要學生能根據不同的使用條件正確選用材料，更重要的是還需要制定正確的熱處理工藝路線。根據本組確定的實驗方案進行實驗效果的檢驗，首先進行熱處理，并對熱處理后的試樣進行性能檢測，了解并掌握熱處理對試樣性能改變的重要作用，制備試樣熱處理前后的金相試樣，熱處理前后的組織和性能差異，讓同學深刻認識熱處理對材料的組織和性能改變的的因果關系。

2 設計實驗方案

依據學生自愿和教師指導的原則進行分組，每組3～5人。學生接到任務書選定題目后，按照實驗任務書的要求，查閱所學課程并查找相關文獻資料。然后對資料進行總結，選擇合適的材料，根據材料的制造工藝路線（如：毛坯→鍛造→預先熱處理→切削加工→最終熱處理（淬火，回火）→ 磨削），確定熱處理方案，將本組所選擇的材料以及確定的熱處理工藝路線交給教師審閱。

3 實驗過程

根據老師修改后的實驗方案，學生分組領取所需材料，在指導老師的講解下熟悉實驗用到的儀器和設備，然后按步驟進行實驗。要求對原材料和經過各種熱處理后的材料硬度進行測試并制備金相試樣觀察組織、拍出金相照片，比較熱處理前后組織和性能的差異。

4 實驗報告上交及答辯

所有實驗完成后，各小組的每位學生均需提交綜合實驗報告，報告中需要寫出心得體會。按照預先分組進行答辯，要求答辯的學生能清楚陳述整個實驗過程，包括材料的選擇、熱處理工藝的設計、實驗步驟、操作過程描述、實驗現象以及實驗結果，運用所學的材料科學的理論對實驗結果進行分析。

5 實驗考核

實驗指導老師根據以下指標進行考核：文獻查閱及閱讀情況，對文獻的綜述，所設計的實驗方案，實驗具體操作，實驗態度是否端正，實驗報告撰寫質量，答辯表述等。指導教師要指出實驗方案以及全過程的優缺點，實驗報告撰寫的問題所在，特別注意要注重對學生參與實驗的全過程的評價，同時要考慮學生的個體差異，根據前述指標以及學生個人的表現給出總評成績。

6 結語

工程材料實驗教學中設計性實驗的開設，加深了學生對常用工程材料的認識，拓展了他們的知識面，使學生能把所學的專業理論知識與具體的工程材料相結合，進一步鞏固了所學的專業理論知識，并加強了這些課程之間的有機聯系。開設工程材料實驗，可以提高學生的實踐動手能力，能激發學生學習課堂知識和參加實驗的積極性和主觀能動性，同時培養學生的團隊協作精神和溝通交流能力。

以演示驗證為主的實驗模式會降低學生對課程和實驗的興趣，忽略實驗過程中學生操作技能尤其是創新能力的展示，不利于調動主觀能動性，也不能激發學生對專業知識的探究。因此本實驗對傳統的實驗教學方法進行了如下改革和探索：

（1）引入多媒體教學形式：通過動畫以及電子圖譜等多媒體教學手段，使學生獲得更多的信息，加深有關內容的理解，動畫演示也可以使同學們更形象地了解到材料的微觀結構，幫助同學理解結構、組織和性能之間的關系。

（2）探究、啟發和討論式的教學方式：對學生所確定的實驗方案以及實驗過程中出現的問題或者不滿意的實驗結果，指導老師通過提問、討論等多種教學方式，啟發學生勇于發現問題，敢于探索問題，樂于分析問題并最終解決問題。

（3）改革工程材料課程考評方法：考核方式重視答辯陳述，淡化紙質報告;注重學生的實驗操作過程，弱化所得實驗結果。考評方式的改革提高了學生的積極性和創造性，也適應我校培養創新型和應用型人才的目標。

長三角是裝備制造業基地，機械學院學生主要在機械制造、模具開發、車輛零配件、電子器件等行業就業。工程材料課程及實驗的學習拓展了學生對常用材料的結構及性能認識，提高了在該行業的競爭力。同時，該課程的學習對提高學生的課程設計質量、培養學生的科研能力及創新能力也發揮了重要作用。

注釋

① 路勇，高峰，馬修真，韓偉，李淑英.能源動力專業“進階式”實驗教學探索與實踐[J].實驗科學與技術，2010.8（6）：59-60.

② 何照榮，王大成，鐵永亮，李寧.設計性實驗中特色創新的探索與實踐[J].實驗室科學，2015.18（1）：230-233.

③ 陳靈.金屬材料設計性實驗的實施與提高[J].長江大學學報（自然科學版），2009.6（2）：390-391.

④ 何峰，馮小平，謝峻林.材料專業設計性實驗教學改革與實踐[J].實驗室科學，2012.15（2）：9-12.

⑤ 張明坤.在驗證型與設計性試驗結合中提高實驗能力[J].邊疆經濟與文化，2012（8）：103-104.

⑥ 高慶華，王潔，寧培海.自主式綜合設計性實驗教學體系探索.教育教學論壇，2015.36：136-137.

⑦ 韓丹丹，祝波，徐鵬程.應用化學專業實驗教學模式探索[J].實驗科學與技術，2010.8（6）：69-70.