材料力學性能開放實驗教學思考與探索*

趙漢卿 邸可新 胡明 高晶

摘? 要? 現有材料力學性能課內實驗大多為針對理論課而進行的演示性和驗證性實驗，不利于學生實踐創新能力的培養。為改善這一現狀，進行材料力學性能開放實驗教學思考與探索，實踐表明，開放實驗可以對課內實驗進行補充和擴展，激發學生的學習興趣，引導學生有效利用課外時間完成自主學習，提升綜合能力素養。

關鍵詞? 材料力學性能；開放實驗教學；綜合能力素養；實踐創新能力

中圖分類號：G642.423? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）22-0141-04

0? 引言

2018年6月21日，時任教育部黨組書記、部長陳寶生在新時代全國高等學校本科教育工作會議上提出：創新人才培養，要推進科教融合，讓學生盡早參與和融入科研工作，早進課題、早進實驗室、早進團隊，加大各級科研基地向本科生的開放力度，提高學生科研實踐能力和創新創業能力；要著力推動課堂革命，廣泛開展探究式、個性化、參與式教學，推廣翻轉課堂、混合式教學等新型教學模式，把沉默單向的課堂變成碰撞思想、啟迪智慧的互動場所[1]。講話強調大學生創新能力培養的重要性，指明科教融合是創新能力培養的重要途徑，提出課堂教學改革是創新能力培養的重要抓手。實驗環節是做好科教融合的基礎，實驗教學是實踐創新能力培養的重要載體，實驗課程改革勢在必行。

現有材料力學性能課程實驗受學時數的限制，僅能開設一些針對理論課程而進行的演示性和驗證性實驗，如硬度、拉伸、壓縮、沖擊和彎曲等實驗，這類實驗在培養學生的實驗操作技能和科學嚴謹的工作態度等方面是有效的，但由于學生參與度低，缺少自主分析和探索的機會，在一定程度上影響了學生實踐創新能力的培養[2]。

開放實驗不受時間和空間的限制，可以作為實驗教學環節的補充和擴展，是在實驗教學環節對學生實踐創新能力培養的有效手段。材料力學性能課程引入開放實驗環節，有利于提高學生的主體地位，發揮學生的主觀能動性，激勵學生自主學習，對提升學生的綜合能力素養具有重要意義。

1? 開放實驗教學總體設計

本開放實驗選取緊貼實際應用的科研項目作為實驗內容，以培養學生的綜合能力素養為導向，建立完整的實驗課程體系。開放實驗課程具有明確的課程目標，同時設置教學評價和改進環節，反饋課程目標的達成情況，并就教學活動中發現的各類問題做出針對性改進。教師圍繞課程目標編制實驗大綱和實驗指導書，實驗指導書的編制思想應體現啟發性和探索性，內容上減少操作層面的占比，強調關鍵點和注意事項，把學生的注意力從操作層面解放出來，改變重實驗操作、輕思考的僵化模式，留給學生更多思考和探索的空間。

開放實驗教學的總體設計如圖1所示，開放實驗指導教師按既定的實驗內容給學生布置實驗任務，并與學生就開放實驗內容涉及的應用背景、使用工況和失效形式等方面展開交流和討論，引導學生對實驗內容進行思考和探索。學生經查閱文獻和資料，結合自身的理論知識和實驗經驗制訂實驗方案，并就實驗方案與指導教師展開討論，改進和完善實驗方案，經指導教師認可后開展具體實驗。在實驗過程中，師生之間針對遇到的問題進行多次交流和討論，指導教師應及時啟發和指導學生解決問題。實驗完成后，學生撰寫實驗報告，指導教師及時做好總結、評價和歸檔，思考新一輪開放實驗改進的方向。通過參與材料力學性能開放實驗，學生的綜合能力素養得到提升。

2? 開放實驗教學內容

2.1? 結晶器銅板激光熔覆層的力學性能實驗

銅質結晶器是連鑄生產中的關鍵部件，但銅及銅合金具有硬度較低、強度差的特點，鑄坯生產過程中，結晶器銅板容易產生嚴重的磨損，銅元素會造成鑄坯表面出現星形裂紋缺陷[3]。目前，結晶器銅板表面多采用電鍍和熱噴涂工藝進行強化，但這兩種工藝制備的涂層與銅基體之間是機械結合，結合強度低，生產過程中涂層容易脫落失效。隨著高效連鑄工藝的發展，對結晶器性能的要求更為苛刻，激光熔覆技術因其制備的熔覆層與基體之間為冶金結合、稀釋率低等優勢，成為制備結晶器銅板涂層的理想選擇。

采用激光熔覆技術制備結晶器銅板涂層的研究持續開展，由于銅板熱導率高、對激光吸收率低，制備高性能的激光熔覆層仍較為困難。本實驗探究結晶器銅板激光熔覆層的力學性能，旨在優化結晶器銅板激光熔覆層的制備工藝。通過該實驗鍛煉學生的文獻檢索與分析運用技能，提升學生利用所學知識分析問題和解決問題的能力，提高學生學習的主動性，拓寬學生表面工程領域的視野，增強學生進行實踐創新的信心。

1）實驗設計。本實驗以結晶器銅板鎳基激光熔覆涂層為研究對象，給提供學生三種不同工藝參數（單一變量變化）的激光熔覆試樣，讓學生綜合分析結晶器使用工況和失效形式等信息，確定滿足結晶器涂層使用要求需要采用的力學性能測試方法，獨立制訂實驗方案并完成實驗。

2）實驗思考與討論。結晶器銅板激光熔覆層的力學性能實驗涉及的主要測試方法和內容以及部分思考和討論的內容如表1所示。

2.2? 表面強化齒輪鋼的力學性能實驗

齒輪作為機械設備中必不可少的零部件，在生產和生活中應用非常廣泛。齒輪工作環境惡劣，在運轉過程中執行傳遞扭矩、改變速度和方向等任務，齒輪之間的嚙合部位既存在相對滾動，又存在相對滑動，且齒根部位受到脈沖和交變彎曲應力作用，受力情況復雜[4]，主要的失效形式是齒面磨損、接觸疲勞以及齒根斷裂等。為改善齒輪服役性能，提高齒輪齒面接觸疲勞壽命和齒根彎曲疲勞壽命，常對齒輪表面進行強化。

本實驗通過研究兩種表面強化工藝處理齒輪鋼的力學性能，鍛煉學生的實驗操作技能和科學嚴謹的工作態度，引發學生對于齒輪表面強化工藝的深入思考，加強材料力學性能課程與金屬材料學、熱處理工藝學等其他專業課程之間的聯系，加深學生對淬透性和淬硬性等易混淆概念的理解，提高學生綜合利用各種力學性能檢測手段解決工程實際問題的能力，增強學生將理論應用于實踐的積極性。

1）實驗設計。以滲碳淬火的18CrNiMo7-6齒輪鋼和激光表面淬火的42CrMo齒輪鋼為研究對象，提供滲碳淬火和激光表面淬火的工藝參數。學生利用課程知識，通過對齒輪的使用工況和失效形式等信息的綜合分析，確定應該采用的力學性能測試方法，制訂實驗方案并完成實驗。

2）實驗思考與討論。表面強化齒輪鋼的力學性能實驗涉及的主要測試方法和內容以及部分思考和討論的內容如表2所示。

2.3? 60Si2Mn彈簧鋼的力學性能實驗

彈簧作為工業領域重要的零部件，被廣泛應用于各類機械設備。彈簧在使用過程中經受拉、壓、扭轉以及沖擊載荷的作用，而且是在周期交變載荷下持續工作，特別是一些重載機器和交通工具，彈簧服役工況惡劣、受力復雜，所以對彈簧鋼的綜合性能要求非常高[5]。

本實驗通過研究兩種熱處理工藝處理的60Si2Mn彈簧鋼的力學性能，鍛煉學生綜合利用材料力學性能測試手段解決實際問題的能力，進一步加深學生對于材料力學性能課程相關知識的理解；通過兩種熱處理工藝處理的60Si2Mn試樣的力學性能比較，激發學生探索60Si2Mn彈簧鋼熱處理新工藝的熱情，提高學生學習的主動性，培養學生的實踐創新能力，堅定學生學以致用的理想信念。

1）實驗設計。彈簧鋼常見的熱處理工藝為淬火+中溫回火處理，本實驗以Q-I-T（淬火+等溫+回火）和淬火+中溫回火兩種熱處理工藝處理的60Si2Mn彈簧鋼為研究對象，通過分析彈簧的使用工況和失效形式等信息，綜合相關文獻資料，確定表征60Si2Mn彈簧鋼力學性能需要采用的測試方法，制訂實驗方案并完成實驗。

2）實驗思考與討論。60Si2Mn彈簧鋼的力學性能實驗涉及的主要測試方法和內容以及部分思考和討論的內容如表3所示。

3? 開放式實驗教學評價

為更好地反饋課程目標的達成情況，開放實驗建立以過程與能力為核心，形成性評價為主、終結性評價為輔的教學評價方式。教學評價不僅關心學生對知識本身和操作技能的掌握熟練程度，更多的是關注和考查學生的綜合能力是否得到鍛煉與提升。教學評價不局限于實驗方案和實驗報告等紙質材料的考核，而是圍繞課程目標展開全方位的綜合考評，主要包括三個方面。

3.1? 文獻檢索與運用能力

教育部在《關于在高等學校開設<文獻檢索與利用>課的意見》中明確提出：“高等學校在給學生傳授基本知識的同時，必須注重培養學生的自學能力和獨立研究的能力，讓學生具有掌握知識情報的意識，具有獲取與利用文獻的技能，是培養學生能力的一個重要環節。”文獻檢索與運用是開展科學研究的基礎，貫穿科學研究的全過程，有效地利用文獻信息是取得科研創新的前提條件。開放實驗將文獻檢索與運用能力作為基礎的課程目標，可以為其他課程目標的順利實施提供有力保障，所以對學生的文獻檢索與運用能力展開評價是十分必要的。評價內容包括文獻檢索的速度和質量、分析和總結文獻獲取的信息、信息與目標研究內容的關聯性、實驗方案的合理性等。

3.2? 實踐創新能力

隨著科技不斷進步和發展，各行業對創新型人才的需求不斷增加，對用人要求和標準不斷提高[6]。《高等教育法》指出，創新精神培養是高等教育的基本任務之一，新工科建設和工程教育認證也進一步明確了創新能力培養的重要性。高校作為人才培養的主陣地，肩負學生創新能力的培養使命。實驗環節是學生將理論應用于實踐，培養創新能力的重要途徑。開放實驗將學生實踐創新能力的培養納入課程目標，并對其達成情況進行評價，有助于提升學生的實踐創新能力。評價內容包括實驗儀器操作的規范性和熟練程度、實驗數據處理的規范性和準確性、實驗過程中偶發問題的處理、實驗方案和實驗報告撰寫質量、實驗方案中的創新點、實驗結果分析和表述的創新性（原理圖和流程圖等）、實驗數據處理方法的創新性等。

3.3? 自主學習、溝通和表達能力

《教育部關于加快建設高水平本科教育 全面提高人才培養能力的意見》在“圍繞激發學生學習興趣和潛能深化教學改革”一項中提出“激勵學生主動學習，增強學習的主動性，增強學生表達溝通、團隊合作、組織協調、實踐操作、敢闖會創的能力”等內容，明確高等教育人才培養應該做好學生自主學習和溝通、創新能力的培養。開放實驗突出學生的主體地位，引導學生自主完成實驗，極大地體現學生學習的自主性，同時設置多層次的溝通和討論環節，使學生的溝通、表達能力得以提升。在教學評價環節，開放實驗也將自主學習和溝通、表達能力作為課程目標達成的重要指標。評價內容包括實驗過程的主動性、自主開展實驗相關內容的學習情況、采用科學規范的語言表達觀點、與指導教師和其他組員溝通情況、實驗各環節統籌協調情況等。

4? 結束語

開放式實驗對材料力學性能實驗教學進行補充和拔高，強調學生的主體地位，激發學生自主學習的意識。選取應用型科研項目作為實驗內容，增強理論和實踐之間的聯系；學生從應用出發，以課程理論知識為基礎，綜合文獻資料，獨立設計實驗方案并開展實驗，培養學生分析問題和解決問題的能力，增強學生的創新能力和工程實踐能力。同時，開放實驗對教師提出更高的要求，為了更好地實現教學目標，教師需要不斷改進實驗教學方法和手段，加深專業知識的理解，拓寬知識面，關注學科前沿動態，不斷提高自身素質。材料力學性能開放實驗經過初期的探索，已經取得一些良好成效，但仍需要開展更為深入的研究，為提升學生綜合能力素養保駕護航。

參考文獻

[1] 陳寶生.在新時代全國高等學校本科教育工作會議上的講話[J].中國高等教育，2018（Z3）：4-10.

[2] 徐敬堯，周小麗.工程教育專業認證背景下材料力學性能實驗課程教學改革與實踐[J].教育觀察，2021，10（34）：87-89，93.

[3] 曲聰凱.銅結晶器表面激光熔覆Ni基涂層的組織性能研究[D].沈陽：東北大學，2010.

[4] 龐科技.滲碳齒輪鋼材料力學表征及其疲勞壽命分析[D].北京：北京理工大學，2016.

[5] 趙源嫄.60Si2Mn鋼低溫拉伸及應力松弛行為研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2009.

[6] 殷亞杰，聶春雨，張國發，等.地方高校生物類專業學生創新實踐能力培養的探索與實踐[J].安徽農業科學，2021，49（14）：271-273.

*項目來源：佳木斯大學教育教學改革研究項目“材料力學性能課程思政探索”（基金編號：2020JY1-10）。

作者：趙漢卿、邸可新，佳木斯大學材料科學與工程學院，工程師，研究方向為金屬材料表面改性；胡明，佳木斯大學材料科學與工程學院，教授，研究方向為金屬基復合材料；高晶，佳木斯大學材料科學與工程學院，副教授，研究方向為金屬材料熱處理及失效分析（154007）。