工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)探索*

梁 銀，陳 磊，龔靜芳

(杭州電子科技大學(xué)信息工程學(xué)院，浙江 杭州 311305)

近年來，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，尤其機(jī)械、信息、生物等學(xué)科對新材料的依賴性增強(qiáng)，以及國家對新材料產(chǎn)業(yè)的重視，使得材料相關(guān)專業(yè)得到快速發(fā)展，以材料為基礎(chǔ)的科研創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)越來越受到重視。《機(jī)械工程材料與熱加工工藝》是我院機(jī)械類專業(yè)一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是一門全面介紹工程材料專業(yè)知識的課程。通過該門課程的學(xué)習(xí)可使學(xué)生獲得常用工程材料的基本理論知識，使學(xué)生能具備根據(jù)機(jī)械零件的工作條件和失效方式，合理的對零件進(jìn)行選材并制訂合理的加工工藝方法的能力。就目前機(jī)械類專業(yè)的課程設(shè)置情況，《機(jī)械工程材料與熱加工工藝》迎合目前對材料學(xué)科發(fā)展的重視，是機(jī)械類專業(yè)主要涉及相關(guān)工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課程，因此，在工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中建立適合創(chuàng)新人才的培養(yǎng)模式，提高學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，增強(qiáng)學(xué)生社會競爭能力顯得尤其重要。

1 現(xiàn)階段實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

傳統(tǒng)的工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，都是老師事先準(zhǔn)備好儀器設(shè)備，在講述試驗(yàn)過程方法后，學(xué)生按要求操作實(shí)驗(yàn)，最后提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。在此過程中學(xué)生處于一種被動學(xué)習(xí)的狀態(tài)，缺乏主動性、積極性，這顯然不利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動手能力和創(chuàng)新思維[1]。《機(jī)械工程材料與熱加工工藝》該門課程的基礎(chǔ)性、理論性、實(shí)踐性和綜合性都很強(qiáng)，僅通過學(xué)生課堂學(xué)習(xí)會感覺抽象、難理解，學(xué)習(xí)的積極性和主動性受到很大的影響，僅僅通過課堂教學(xué)難以達(dá)到該課程的教學(xué)目的，須將理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合起來。而工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)其直觀性、實(shí)踐性、綜合性和創(chuàng)造性等特點(diǎn)最為突出，是培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的重要教學(xué)內(nèi)容，因此，創(chuàng)建具有創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法以適應(yīng)現(xiàn)代高等教育發(fā)展已經(jīng)成為了工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的迫切要求。

結(jié)合工程材料實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)，以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力為目標(biāo)，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、教學(xué)方法及考核方式；建立實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的探索性、趣味性；注重學(xué)生基本技能、綜合能力和創(chuàng)新能力的循序漸進(jìn)地培養(yǎng)；構(gòu)建創(chuàng)新能力培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理模式，培養(yǎng)專業(yè)知識扎實(shí)、動手能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)的應(yīng)用型人才在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中尤為重要[2-4]。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中創(chuàng)新能力培養(yǎng)措施

(1)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。要改變以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)單一模式，變實(shí)驗(yàn)教學(xué)以學(xué)生為主體，設(shè)計(jì)多層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)行獨(dú)立實(shí)驗(yàn)、團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)分開展，設(shè)計(jì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的多層次實(shí)驗(yàn)課程體系；采取老師指導(dǎo)、學(xué)生互動的模式；開展獨(dú)立實(shí)驗(yàn)與團(tuán)隊(duì)合作實(shí)驗(yàn)雙模式；開展以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的創(chuàng)新項(xiàng)目競賽；鼓勵學(xué)生積極參與教師科研項(xiàng)目。要放開手，讓學(xué)生自己進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在保證安全的情況下自己進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。當(dāng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中遇到困難時(shí)，老師不要立即告訴答案，而是要積極引導(dǎo)、啟發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，解決問題的能力。

(2)更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程。針對目前《機(jī)械工程材料與熱加工工藝》、《材料力學(xué)》等專業(yè)基礎(chǔ)課程及有關(guān)理論知識，以及掌握的有關(guān)實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)技能，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，獨(dú)立查找相關(guān)資料，制定實(shí)驗(yàn)方案，學(xué)生在仔細(xì)分析查找資料數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，在實(shí)驗(yàn)方案中詳細(xì)標(biāo)明選用設(shè)備、工藝方法，以達(dá)到預(yù)期的金相組織和機(jī)械性能指標(biāo)。在制定實(shí)驗(yàn)方案時(shí)，應(yīng)根據(jù)材料達(dá)到的最終性能指標(biāo)，制定兩個(gè)以上的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行分析比較，最終確定出較為理想的方案，自己獨(dú)立動手完成設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)全過程。在儀器設(shè)備使用方面，不明確的地方隨時(shí)向老師提問，確保學(xué)生人身安全，確保實(shí)驗(yàn)設(shè)備的安全正常使用。允許學(xué)生實(shí)驗(yàn)失敗，允許重新做實(shí)驗(yàn)，但必須首先弄清楚失敗的原因，弄清楚錯(cuò)誤產(chǎn)生的原因本身就是難得的收獲和提高，這樣才有可能找到改正錯(cuò)誤的方法，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，解決問題的能力，正是培養(yǎng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的主要目的。

(3)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程的獨(dú)立性和互動性。除前文提到的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式外，重點(diǎn)需要進(jìn)行獨(dú)立實(shí)驗(yàn)、團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)分開展，獨(dú)立實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生必須獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程，獨(dú)自動手親自操作，獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)的全過程，獨(dú)立地總結(jié)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的全過程，獨(dú)立地書寫綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)必須分工明確，共同完成，在完成實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生可根據(jù)材料學(xué)科發(fā)展前沿的新技術(shù)、新工藝以及熱點(diǎn)問題提出自己的見解和探索性的實(shí)驗(yàn)方案，提出自己的創(chuàng)性研究，而不要僅僅局限于課本和已有的工藝方法。

(4)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中先開展基礎(chǔ)性和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)學(xué)生的理論知識，待完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告積累了一定的專業(yè)基礎(chǔ)知識后，再開展綜合性、應(yīng)用型和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，其中綜合性和應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)是必修內(nèi)容，以提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和專業(yè)技能。對學(xué)有余力而且對科研競賽有濃厚興趣愛好的學(xué)生，鼓勵其積極開展創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，且嚴(yán)格實(shí)驗(yàn)報(bào)告和論文格式，樹立學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)科態(tài)度。每年從興趣強(qiáng)烈、創(chuàng)新能力強(qiáng)的學(xué)生里挑選一些理論基礎(chǔ)好、有科研競賽興趣的學(xué)生參與到創(chuàng)新競賽和教師的科研項(xiàng)目中。學(xué)生可申請加入教師的課題組，并在教師的引導(dǎo)和幫助下，查閱資料文獻(xiàn)，開展工程材料相關(guān)實(shí)驗(yàn)。這樣更有利于提高學(xué)生在工程材料的試樣制備、性能測試與結(jié)果分析等方面的創(chuàng)新能力。

3 創(chuàng)新能力培養(yǎng)實(shí)踐

我院機(jī)械類專業(yè)依據(jù)目前實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的設(shè)備情況，學(xué)生設(shè)計(jì)并開展了鋁合金、銅合金以及鑄鐵的布氏硬度實(shí)驗(yàn)，代替常規(guī)的碳鋼布氏硬度實(shí)驗(yàn)，鋁合金采用學(xué)生熟悉的金工實(shí)習(xí)所用的切邊料，既降低實(shí)驗(yàn)成本又提高材料的利用率，并且能將課程的硬度知識內(nèi)容和鋁合金以及銅合金章節(jié)內(nèi)容有效銜接，使學(xué)生對整個(gè)課程的學(xué)習(xí)有更好的掌握；對于《機(jī)械工程材料與熱加工工藝》課程的重要內(nèi)容鋼的熱處理，學(xué)生通過理論課所學(xué)，自行設(shè)計(jì)并開展了一系列的熱處理實(shí)驗(yàn)，如增加淬火冷卻介質(zhì)，除使用常規(guī)的淬火介質(zhì)水和油外，增加了5%、10%的鹽(NaCl)水溶液；新增了水油雙液淬火法；在水油雙液淬火法的基礎(chǔ)上，學(xué)生設(shè)計(jì)了雙液淬火裝置，淬火介質(zhì)為水和油，創(chuàng)新點(diǎn)是先油淬、再水淬后油淬，淬火3次使得淬火冷卻速度更加接近鋼的理想淬火冷卻速度；增加了低碳鋼不同淬火溫度對硬度的影響實(shí)驗(yàn)；增添了回火溫度對鋼的硬度影響實(shí)驗(yàn)，這些極大地?cái)U(kuò)充了熱處理內(nèi)容的開放創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)；對非金屬材料及新型材料章節(jié)，學(xué)生開展了常見材料的認(rèn)知討論，如3D打印使用的ABS塑料，眼鏡使用的形狀記憶合金等；還有學(xué)生猜想利用電磁感應(yīng)細(xì)化晶粒的實(shí)驗(yàn)；采用“鑲套”工藝，代替感應(yīng)電流表面淬火使材料表面硬度提高，心部仍具有一定的塑性，通過該設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來模擬表面淬火效果的猜想方案，總之，學(xué)生提出了很多新的想法和方案，有些方案由于經(jīng)驗(yàn)不足，設(shè)備受限未能在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)踐創(chuàng)新，但學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐的熱情絲毫未減退，他們又結(jié)合實(shí)際情況設(shè)計(jì)了其他的實(shí)驗(yàn)。下表1列出了工程材料及熱加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生設(shè)計(jì)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)實(shí)踐內(nèi)容和實(shí)施效果等一覽表。

表1 工程材料及熱加工創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目一覽表

通過2020年開始在學(xué)院內(nèi)實(shí)施工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)生開放性的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，學(xué)生深刻認(rèn)識到熱處理溫度、淬火介質(zhì)、回火溫度選用的嚴(yán)謹(jǐn)性，工業(yè)用鋼選材及熱處理工藝的科學(xué)性，通過創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)開展培養(yǎng)了學(xué)生對待工業(yè)生產(chǎn)細(xì)致、科學(xué)的態(tài)度，通過學(xué)院三屆的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐實(shí)施，學(xué)生從最初開展的常規(guī)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，到目前擴(kuò)展到多個(gè)可操作的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，分別對硬度、熱處理等的理論知識進(jìn)行了創(chuàng)新性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)擴(kuò)充，經(jīng)過學(xué)生實(shí)踐反饋，學(xué)生普遍認(rèn)為在工程材料基本實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行開放創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)非常有意義，能自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并實(shí)踐讓其收獲頗豐，讓大家構(gòu)建起對工程材料及熱加工課程完整的理論與技術(shù)體系[5]。通過這些教學(xué)措施，學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)熱情，表達(dá)和創(chuàng)新能力都得到了極大地提升，使學(xué)生逐步形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲兴季S和創(chuàng)新意識[6]。

4 結(jié) 語

通過工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)探索，能改變目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中的現(xiàn)狀，讓學(xué)生主動探索新的知識，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。作為教育的實(shí)施者，在后期和學(xué)生及時(shí)溝通，多聽聽學(xué)生對課程學(xué)習(xí)的見解和想法，不斷改進(jìn)教學(xué)方法和內(nèi)容，讓學(xué)生有知識的獲得感和實(shí)踐創(chuàng)新能力的提升。