《金屬熱處理實驗》課程的教學改革與實踐

秦海英 倪華良 李陽陽 段星

摘要：《金屬熱處理實驗》是本校功能材料專業本科生的專業必修課，本文從課程特點和教學現狀出發，結合功能材料專業特點和金屬熱處理實驗課程內容，探討了《金屬熱處理實驗》課程教學改革的基本思路，提出了課程教學實踐的切實可行的具體措施。

關鍵詞：金屬熱處理實驗；教學改革；教學實踐

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）24-0126-02

一、引言

隨著當今科學技術的蓬勃發展，對大學生綜合素質的培養和創新能力的提高是當代本科生教育改革的客觀要求。實驗教學是高等學校教學工作中的一個重要組成部分，對培養大學生創新能力、動手能力等具有重要意義。金屬熱處理是指通過調質、時效、淬火、回火、氮化、滲碳等工藝調控材料微觀結構或表面化學成分，從而改變材料的使用性能，比如可使材料提高硬度、韌性、耐磨、強度等。早在銅器和鐵器時代，金屬熱處理工藝就被人類所認識，現在仍然是機械制造中的重要工藝之一。鑒于金屬熱處理工藝的實踐性強，因此，作為一門專業基礎必修課程之一，金屬熱處理的實驗教學的創新和改革對于提高本科生教學質量具有重要意義。本文通過分析《金屬熱處理實驗》課程的教學現狀，初步探討了如何結合功能材料專業特點和金屬熱處理實驗教學內容，對教學內容和方法進行改革。

二、《金屬熱處理實驗》課程的教學現狀

《金屬熱處理實驗》課程的教學目標是：1）掌握碳鋼的常用熱處理工藝與鋼力學性能之間的關系；2）熟悉金相組織的制備和觀察；3）掌握熱處理工藝、微觀結構和力學性能之間的關系。通過這三大內容的學習旨在使學生掌握一定的金屬熱處理工藝的基礎知識，學會分析和解決金屬熱處理應用領域中的各種實際問題的能力，并著重培養學生創新、實踐和動手能力，為后續能夠在生產實踐中靈活應用熱處理工藝知識解決實際問題奠定基礎。

目前在實踐教學過程中存在以下問題：1）課程實踐中選取的實驗樣品隨機化，熱處理與微結構和力學測試三個環節所用的樣品往往不相同，使得學生對于熱處理工藝、微觀組織和力學性能的系統認識不夠；2）金相樣品制作過程中，機器自動化程度高，動眼多于動手，學生實際操作能力鍛煉不夠。金相樣品的磨制過程對動手能力要求很高，現有的全自動磨拋機剝奪了學生的實際動手機會，學生在使用儀器過程中對手工磨制金相樣品的過程理解不夠。以上兩個問題導致學生動手能力鍛煉不夠，教學效果差。因此，《金屬熱處理實驗》課程在本科教學中進行改革是十分必要的。

三、課程教學實踐策略

（一）課程實踐內容的構建

我校的功能材料專業主要是培養具有金屬功能材料、磁性材料、儲能材料和發光材料等新型功能材料專業背景，滿足能在新型功能材料制備、加工和測試等領域教學和技術開發的綜合性科學研究與工程技術人才。因而，在教學內容實踐中要綜合考慮金屬熱處理實驗課程內容對培養學生在材料加工領域的綜合性工程技術人才的必要性。本課程實踐教學是與功能材料專業的本科生專業必修課《金屬材料熱處理》相輔相成的，其目的在于通過本課程的實踐教學加深學生對于金屬材料熱處理工藝、微觀組織和力學性能之間的系統理解和應用。

基于以上教學目的，本課程采用直徑15mm，高度30mm的45#鋼圓柱形小試樣作為實驗對象。課程實踐持續8周，分為熱處理工藝、后續力學性能測試和金相制作觀察兩部分交替進行。在第一、三、五、七周的實驗課安排學生將45鋼小試樣分別進行退火、正火、淬火和回火熱處理實驗，在第二、四、六和八周的實驗課安排學生用洛氏硬度計對熱處理后的樣品去除表面氧化皮之后打磨，然后進行硬度測試。硬度測試后將樣品進行磨光、拋光和腐蝕，用金相顯微鏡觀察顯微組織并且繪制觀測到的金相顯微組織特征。

通過以上實踐內容引導學生將金屬材料熱處理工藝知識和金屬材料力學性能和微觀組織之間進行比較和整合，從而牢固地把握所學的金屬材料熱處理基礎知識，也為后繼生產實踐中的工程技術打下堅實的基礎。

（二）課程實踐方式的改革

往年實踐課程的內容都是老師制定實驗內容和方法，學生按照實驗說明完成實驗內容，撰寫實驗報告。為了進一步提高學生的積極性和獨立思考能力，在實驗課的前期先提出金屬材料所需要的力學性能，啟發學生思考什么樣的微觀組織可以獲得需要的力學性能，然后引導學生制定所需要的微觀組織的熱處理工藝。經過討論獲得課程的熱處理工藝，之后由學生獨立操作完成45#鋼材的熱處理、微觀組織的觀察和力學性能的測試。通過這樣的一個循環過程，可以加深學生對于熱處理工藝、微觀組織和力學性能之間關系的理解。

目前，金屬試樣的制備過程中機械化程度在逐漸提高，通過全自動磨拋機的使用極大地提高了金相樣品的制備效率，節省制樣時間，但是機械化程度的提高不容易讓學生掌握金相樣品制備過程中的重點和難點，尤其是遇到樣品制備過程中出現的多面、劃痕、拖尾等問題。所以，在實踐教學過程中，參考了全國大學生金相大賽的要求，在制備金相樣品的過程中僅保留了拋光機，用一套金相砂紙（包括200#，320#，400#，500#和600#）在玻璃板上先粗后細逐號磨光，每次更換下一道砂紙時，將磨光方向轉90o，以便于觀察原磨痕的消除情況，最后將樣品在拋光機上用絨布拋光。拋光后的樣品在光學顯微鏡下觀察是否有劃痕和拖尾。最后用硝酸酒精溶液進行化學浸蝕得到最終觀測微觀組織需要的樣品。選擇合適的觀察倍率觀察微觀組織，并且對主要特征進行繪制記錄。

四、結語

金屬熱處理實驗是一門與實踐結合緊密的課程，通過上述對《金屬熱處理工藝》課程的實踐內容和方式所采取的改革措施，有助于加深學生對金屬熱處理工藝的理解，明確了我校功能材料專業該課程的教學目的。使學生在掌握金屬材料熱處理的基本理論的同時加深實踐教學的認知，為將來的學習和工作奠定基礎。

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