工程材料及熱處理課程實驗教學(xué)改革與實踐

鄒利華，吳海江，陳國新，郭文敏，王小明

（邵陽學(xué)院機(jī)械與能源工程學(xué)院，湖南 邵陽 422004）

工程材料及熱處理是普通高校機(jī)械類與近機(jī)械類專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，目前我校機(jī)械設(shè)計及自動化、機(jī)電一體化、熱能工程等多個專業(yè)（年均約460人）開設(shè)了這一課程。實驗教學(xué)是工程材料及熱處理課程的重要教學(xué)手段之一，是理論聯(lián)系實踐的重要環(huán)節(jié)，通過課程實驗，能夠更好的認(rèn)識工程材料的性質(zhì)及其應(yīng)用，掌握熱處理的方法和方案設(shè)計，為后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)及工程實踐奠定基礎(chǔ)。開放性實驗是在學(xué)生自主開放的前提下，結(jié)合課程內(nèi)容及自身興趣，查閱大量課堂知識相關(guān)的資料、選取實驗課題、制訂實驗方案，并在教師指導(dǎo)下完善方案、學(xué)習(xí)操作、反復(fù)探索以完成開放性實驗，從中獲取理論知識和實驗技能，彌補(bǔ)課堂教學(xué)不足，培養(yǎng)學(xué)生的科研素質(zhì)和創(chuàng)新精神。本文以開放性實驗為工程材料及熱處理課程實驗教學(xué)改革的切入點(diǎn)，開展實驗教學(xué)模式的優(yōu)化設(shè)計，教改與過程中以學(xué)生為主導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力及創(chuàng)新能力，對工程材料及熱處理課程綜合教學(xué)改革做出探索。

1 實驗教學(xué)設(shè)置現(xiàn)狀

工程材料及熱處理課程實驗設(shè)計以基礎(chǔ)性實驗為主，主要教學(xué)任務(wù)是使學(xué)生熟悉實驗儀器設(shè)備和掌握試驗操作方法，深化感性認(rèn)識。因此工程材料及熱處理課程在原實驗教學(xué)大綱中側(cè)重實驗基礎(chǔ)知識、基本操作的掌握，設(shè)計了金相試樣制備及金相顯微鏡使用、鐵碳合金的平衡組織顯微分析、金屬材料硬度試驗、碳鋼熱處理共4個實驗項目（共計8實驗課時），教學(xué)模式也主要表現(xiàn)為“灌輸式”，即教師根據(jù)教學(xué)大綱要求，依次講解實驗?zāi)康摹嶒灢僮鞑襟E，學(xué)生則根據(jù)要求按部就班進(jìn)行實驗，這一教學(xué)模式難以有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新欲望，一定程度上妨礙了大學(xué)生科技創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。同時，經(jīng)過修改教學(xué)大綱后，課程降低了課內(nèi)實驗課時量，4個課內(nèi)實驗課時僅能保證完成兩個實驗項目。

經(jīng)討論與研究，綜合分析各個實驗項目：金相試樣制備及金相顯微鏡的使用、金屬材料硬度試驗、鐵碳合金的平衡狀態(tài)組織顯微分析三個項目均為基礎(chǔ)性驗證實驗，內(nèi)容相對單薄，其教學(xué)過程相應(yīng)也較為簡單和相似，均以“教師講解、示范→學(xué)生按照規(guī)范進(jìn)行實驗”的過程進(jìn)行，實驗教師在三個實驗項目中自由擇一教學(xué)。碳鋼熱處理則為內(nèi)涵相對豐富的綜合性實驗，應(yīng)考慮優(yōu)先教學(xué)，被定為實驗教學(xué)中必選的實驗項目。碳鋼熱處理實驗綜合性高、開放度大、工作量飽滿并且富有挑戰(zhàn)性。由于實驗自主度大、學(xué)生學(xué)習(xí)興趣濃，易于提高學(xué)生自學(xué)能力，鍛煉學(xué)生的工程能力和團(tuán)隊能力，在授課教師的問卷調(diào)查中，本實驗是最受學(xué)生歡迎的實驗內(nèi)容。

2 開放性實驗教學(xué)

教師最初認(rèn)為碳鋼的熱處理實驗可以滿足工程材料及熱處理課程實驗教學(xué)的要求。但是在隨后的執(zhí)行過程中，學(xué)生不斷反映出存在問題：受課堂時間和課時數(shù)所限制，大部分學(xué)生只能機(jī)械操作、匆忙過場；因課時安排實驗往往不能連續(xù)進(jìn)行，嚴(yán)重影響實驗效果；學(xué)生的自主性差、主體地位差等。

在此基礎(chǔ)上，全體教師糾正認(rèn)識偏差，認(rèn)識到應(yīng)在課程實驗的基礎(chǔ)上增開開放性實驗，緊密聯(lián)系實驗教學(xué)內(nèi)容，深化拓展課程實驗。鼓勵創(chuàng)新思維，學(xué)生通過參與教師科研項目，在原有實驗規(guī)范操作的基礎(chǔ)上，更深入了解實驗方法和理論基礎(chǔ)知識，進(jìn)而大膽嘗試新的實驗操作，強(qiáng)化學(xué)科基本知識；同時，教師精選科研課題一般反映本工程領(lǐng)域?qū)W科發(fā)展趨勢，這也使學(xué)生了解了學(xué)科前沿；最后，教師能夠在指導(dǎo)實踐教學(xué)的過程中培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度，提高學(xué)生實踐能力，增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新意識。

3 開放性實驗教學(xué)實施及考核

目前實施的開放性實驗分為計劃、準(zhǔn)備、立項、實施和結(jié)項五個不同階段。計劃階段可以是由學(xué)生發(fā)起立項，實驗設(shè)計、文獻(xiàn)資料查閱均由學(xué)生自主完成，也可以由教師發(fā)起立項，并吸引鼓勵感興趣的學(xué)生參與其項目。通過雙方互動，形成學(xué)生3～5人、指導(dǎo)教師1～2人為一組的開放性實驗課程項目組。在準(zhǔn)備階段，教師充分鼓勵學(xué)生提出個性化設(shè)計及想法，實驗中可能遇到的具體問題均由學(xué)生自己通過學(xué)習(xí)理解與掌握，教師只提供大體思路。在立項階段，由學(xué)生寫作項目申請報告，教師修改并提交主管部門，獲批后進(jìn)入實施階段。實施階段中，師生按照已經(jīng)掌握的知識和閱讀的參考文獻(xiàn)充分優(yōu)化方案，合理選用儀器設(shè)備，請實驗教師充分準(zhǔn)備實驗材料，按步驟完成開放性實驗研究內(nèi)容。實驗中出現(xiàn)學(xué)生難以獨(dú)立解決的問題時，教師應(yīng)啟發(fā)學(xué)生認(rèn)真觀察、討論分析、自主發(fā)現(xiàn)，以過程為核心、結(jié)果為基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)科學(xué)規(guī)律。實驗完成后，教師主持小組討論，指導(dǎo)學(xué)生自主查找文獻(xiàn)分析實驗結(jié)果及實驗中的問題，并要求學(xué)生解決實驗中的問題、提出實驗的優(yōu)化方法。結(jié)項階段以最后提交的開放性實驗報告為主要結(jié)項文件，同時，學(xué)生實驗記錄、產(chǎn)品實物、討論記錄、發(fā)表論文等也作為重要的評價依據(jù)。

開放性實驗以學(xué)生的綜合能力為考核核心，實施多層面、全方位的評價。考核中充分認(rèn)識學(xué)生與教師知識結(jié)構(gòu)的差異性，不重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生對實驗所設(shè)計知識的掌握程度，而是重點(diǎn)考察學(xué)生是否具有良好的學(xué)習(xí)能力，以及學(xué)生能否靈活利用所學(xué)的知識解決開放性實驗中的科學(xué)/工程問題。考核不惟實驗設(shè)計及實驗結(jié)果，主要考察學(xué)生創(chuàng)新思維能力、實驗操作能力、解決問題能力及科研/工程能力，具體包括學(xué)生設(shè)計的實驗方案是否具有創(chuàng)新性，學(xué)生是否具有在規(guī)定時間內(nèi)學(xué)習(xí)相關(guān)儀器設(shè)備的操作并正確使用儀器設(shè)備完成復(fù)雜實驗的能力，學(xué)生是否具有主動發(fā)現(xiàn)問題與解決問題的能力，學(xué)生是否具有良好的科學(xué)精神、實驗態(tài)度以及團(tuán)隊合作能力等重要內(nèi)容。結(jié)果表明，在開放性實驗考核中表現(xiàn)優(yōu)秀的學(xué)生通常十分善于自主鍛煉工程實踐能力，積極主動地進(jìn)行創(chuàng)新活動，在大學(xué)生工程訓(xùn)練、大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新、大學(xué)生節(jié)能減排競賽及大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等科技活動/競賽中表現(xiàn)優(yōu)秀。

4 教改效果

我校工程材料及熱處理課程實驗教學(xué)改革從2012級機(jī)械制造及其自動化、機(jī)電一體化、車輛工程等專業(yè)開始實施至今，已有超過450學(xué)生進(jìn)行了開放性實驗的立項與實施。實施結(jié)果表明，參加開放性實驗激發(fā)了學(xué)生主動學(xué)習(xí)工程材料及熱處理課程的積極性，培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力和創(chuàng)新意識。同時也推動了工程材料及熱處理教學(xué)團(tuán)隊不斷進(jìn)行教學(xué)與科研創(chuàng)新，有利于工程實踐和創(chuàng)新能力人才的培養(yǎng)。