新工科背景下《材料科學(xué)與工程綜合實驗》的教學(xué)改革

趙曉華，王 雙，周 明

(江蘇大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

深入學(xué)習(xí)貫徹習(xí)近平新時代中國特色社會主義思想和黨的十九大精神，教育部2018年首批認定612個“新工科”研究與實踐項目，系統(tǒng)推動和引領(lǐng)高等教育深層次改革[1-2]。提高學(xué)生對工程背景和工程實踐的清晰認識，培養(yǎng)學(xué)生解決實際工程問題能力是新工科建設(shè)發(fā)展的根本需求，也是培養(yǎng)復(fù)合材料與工程專業(yè)優(yōu)秀人才的重要方法。在工科人才培養(yǎng)中，實踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生工程能力和工程素養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)[3-6]。材料科學(xué)與工程綜合實驗是材料類專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，其任務(wù)是讓學(xué)生掌握材料科學(xué)與工程專業(yè)基礎(chǔ)實驗的基礎(chǔ)實驗技術(shù)，加深對專業(yè)理論知識的理解和掌握，提高分析和解決實際問題的能力。教學(xué)效果將直接影響學(xué)生對“材料科學(xué)基礎(chǔ)”、“材料力學(xué)性能”、“材料物理性能”等專業(yè)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)質(zhì)量。在國家新工科建設(shè)的指導(dǎo)下，材料科學(xué)與工程綜合實驗教學(xué)需要更好地融入“需求為導(dǎo)向，培養(yǎng)應(yīng)用型復(fù)合人才”的新工科建設(shè)。

1 材料科學(xué)與工程綜合實驗教學(xué)存在的不足

1.1 實驗課程設(shè)置過于獨立

現(xiàn)有的實驗課程內(nèi)容設(shè)計單一，實驗課程設(shè)置過于獨立，實驗大多圍繞理論教學(xué)某個知識點展開，實驗項目之間沒有承前啟后，且與其他專業(yè)實驗的橫向聯(lián)系較少，缺乏對學(xué)生所學(xué)知識進行融會貫通能力的培養(yǎng)。同時缺乏綜合實驗設(shè)計能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。學(xué)生僅僅完成某個實驗項目的實驗，缺乏對實驗課程的總體認識，不利于學(xué)生科學(xué)思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

1.2 教學(xué)方式陳舊

本課程的內(nèi)容大部分為單一的驗證性實驗，沒有引入開發(fā)和設(shè)計類實驗項目，基本只注重理論知識的講授和典型材料性能的驗證分析，難以適應(yīng)復(fù)雜的工程實際。例如，對于材料的沖擊實驗，只開展了低碳鋼和鑄鐵的常溫沖擊實驗，其他材料如陶瓷材料、新型復(fù)合材料、焊接件等，其沖擊性能與金屬材料差異明顯，而在沖擊性能測試實驗中并沒有與現(xiàn)實工程實踐很好地結(jié)合起來。因此，學(xué)生在課堂上學(xué)到的實驗知識與實際工程問題聯(lián)系不緊密，難以實現(xiàn)理想的教學(xué)效果。

1.3 考核方式單一

本課程的考核方式主要包括學(xué)生操作表現(xiàn)和實驗報告，以實驗報告為主要參考依據(jù)，導(dǎo)致一些同學(xué)相互抄襲實驗報告。這樣的考核方式在一定程度上抑制了學(xué)生主動參與實驗的積極性，很難對學(xué)生分析問題、解決問題的能力進行綜合考評。因此，需要采取更加全面的過程評價考核方式對學(xué)生進行考核，提高學(xué)生的實驗技能和實踐創(chuàng)新能力。

2 新工科背景下實驗教學(xué)改革的主要措施

本文針對材料科學(xué)與工程綜合實驗課程中存在的問題，從課程設(shè)置、教學(xué)方法和考核方式等方面進行優(yōu)化，為“材料科學(xué)與工程綜合實驗”課程的教學(xué)改革提供新思路。

2.1 調(diào)整課程設(shè)置

減少驗證性實驗課時，增加創(chuàng)新型綜合實驗課時，實驗結(jié)構(gòu)上盡量做到相關(guān)聯(lián)系、環(huán)環(huán)相扣。比如材料力學(xué)性能的很多知識點都可以通過具體的工程案例進行實驗驗證和分析。通過這些實際案例分析，給學(xué)生建立清晰的工程目標，有理由提高學(xué)生分析和解決實際工程問題的能力。本課程實驗項目設(shè)置調(diào)整見表1，打破原有的沖擊韌度測定、金相技能基礎(chǔ)實驗等單獨的驗證性實驗的局限性，設(shè)置“35MnBM圓鋼沖擊試驗實例”、“低碳鋼變形度—再結(jié)晶—熱處理對顯微組織與硬度的影響”共2個研究性和綜合性實驗，通過綜合性實驗的設(shè)置，使學(xué)生熟練掌握材料的系統(tǒng)分析方法以及材料的成分-工藝-組織-性能的內(nèi)在關(guān)系。

表1 《材料科學(xué)與工程綜合實驗》課程設(shè)置調(diào)整實驗項目Table 1 The experimental project adjustments of Comprehensive Experiments of Material Science and Engineering

2.2 教學(xué)方式改革

(1)從工程上的實例出發(fā)，比如我國東北礦山用的進口大型機械，在冬季出現(xiàn)過低溫脆性引起的大梁、車架斷裂等斷裂現(xiàn)象；日本汽車在東北冬季出現(xiàn)過低溫脆斷問題等。1912 年4月14日晚，著名“泰坦尼克號”沉沒事故分析表明：工程師為了增加鋼的強度而添加了大量的硫化物，鋼鐵含硫量高增加了鋼鐵的強度，但是含硫量過高使材料的質(zhì)地松脆，就像陶瓷，特別是低溫呈現(xiàn)脆性，即在-40～0 ℃的溫度下，船體鋼會變脆。在當時的低溫環(huán)境下航行時，鋼材由韌性變成脆性，這使得在冰山的撞擊中船體鋼發(fā)生了災(zāi)難性的“脆性斷裂”。此外，在固定船殼鋼板的鉚釘里含有很多玻璃狀渣粒，使得鉚釘異常脆弱、很容易斷裂。因此，在冰山的撞擊下，可能是鉚釘斷裂導(dǎo)致船體解體。因此，可以說這一場悲劇可能是由于當時鋼鐵業(yè)的技術(shù)缺陷問題所導(dǎo)致的[7]。

(2)探索傳統(tǒng)課程實驗與仿真實驗相結(jié)合的實踐教學(xué)模式，豐富實驗課程，增加課程趣味性，并實現(xiàn)“線上”“線下”共同教學(xué)。仿真實驗可以進行高低溫沖擊實驗(-196～350 ℃)，用來測試產(chǎn)品在周圍大氣溫度急劇變化時候的適應(yīng)性以及被破壞性。使實踐教學(xué)不在拘泥于傳統(tǒng)實驗室，不受時間、地點、硬件措施的限制。

(3)建立實驗課程群組，分享相關(guān)的優(yōu)秀線上教學(xué)資源和知名大學(xué)的開放視頻資源，引導(dǎo)學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)平臺對實驗理論知識進行預(yù)習(xí)。在實驗教學(xué)過程中根據(jù)學(xué)生的情況適當?shù)剡M行拓展，使學(xué)生更加方便地掌握知識。

2.3 建立能力導(dǎo)向型實踐教學(xué)體系

教學(xué)過程中注重理論知識的綜合運用，將實驗內(nèi)容嵌入科研項目，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，提高工程意識、團隊精神和材料知識綜合運用的能力。35MnBM圓鋼的淬透性非常好，是鏈軌節(jié)的常用原材料，廣泛用于挖掘機、推土機等各種大型工程機械和坦克等軍工機械所用履帶中鏈軌節(jié)的生產(chǎn)。這些設(shè)備工作環(huán)境惡劣，需要承受很大的交變載荷和沖擊，因此工程上要求鏈軌節(jié)必須具備良好的組織結(jié)構(gòu)和機械性能[8]。本實驗課程根據(jù)案例“某公司生產(chǎn)的履帶鏈軌節(jié)用35MnBM圓鋼為例，分析其產(chǎn)品的低溫沖擊韌性過低，影響銷售和生產(chǎn)的原因”，形成以具體科研生產(chǎn)任務(wù)為依托，嵌入基礎(chǔ)理論知識的課外實踐教學(xué)模式[9]。材料的沖擊力學(xué)行為與其晶體結(jié)構(gòu)、成分、微觀組織、外界條件變化等密切相關(guān)。教師帶領(lǐng)學(xué)生通過化學(xué)成分分析、金相組織檢測、微觀硬度檢測、掃描電鏡分析等方法，積極動手參與各項實驗的開展，分析該產(chǎn)品低溫沖擊性能過低的原因，并提出對應(yīng)的解決措施。主要涉及幾個實驗：

(1)低溫沖擊性能測試；

(2)化學(xué)成分分析：用X射線衍射方法分析化學(xué)成分及非金屬夾雜物的結(jié)構(gòu)類型等；

(3)金相組織檢測；取樣檢驗金相組織，經(jīng)過磨樣、拋光及3%硝酸酒精腐蝕后，用金相顯微鏡進行微觀組織觀察；

(4)微觀硬度檢測：用微觀維氏硬度計進行不同部位的微觀硬度檢測；

(5)晶粒度檢驗：測試產(chǎn)品的奧氏體晶粒度尺寸是否滿足鏈軌節(jié)的晶粒度標準要求；

(6)斷口分析：用掃描電子顯微鏡觀察鏈軌節(jié)的沖擊斷口形貌，判斷其斷口是否韌性斷裂的韌窩形態(tài)還是準解理斷裂的脆斷特征。

基于以上系統(tǒng)的實驗分析方法，查閱相關(guān)文獻，得出鏈軌節(jié)低溫沖擊韌性過低的主要原因并提出改善其低溫韌性的方法。在整個實驗過程中，以學(xué)生為主體，實驗由3～5人結(jié)合成實驗小組，小組成員在查閱文獻、實驗方案的設(shè)計、實驗材料的購買、金相試樣的制備、性能測試與分析等過程進行溝通和討論、分工協(xié)作共同完成。案例式教學(xué)使學(xué)生既掌握了基本的實驗理論知識，同時培養(yǎng)了學(xué)生的實踐能力、創(chuàng)新能力和團隊協(xié)作能力。這一案例使學(xué)生對“低溫脆性”問題有了非常深刻的理解，對材料科學(xué)與工程綜合實驗課程教學(xué)效果起到了明顯的改善作用。

2.4 建立過程學(xué)習(xí)的評價體系

考核方式由操作技能、實踐能力和實驗報告三方面組成。在驗證性實驗過程中對每位同學(xué)的實驗操作水平進行評分，督促學(xué)生改進儀器操作技能。在案例式實驗教學(xué)中加大對學(xué)生實踐能力的考核，包括文獻查閱、實驗方案設(shè)計、準備實驗材料、整理分析實驗數(shù)據(jù)等，學(xué)生完成實驗后可自由發(fā)揮撰寫實驗報告。教師也能從過程考核中找出學(xué)生學(xué)習(xí)過程中存在的問題，改進教學(xué)方法。通過對不同類型的實驗進行科學(xué)合理的考核方式，給優(yōu)秀的學(xué)生提供充分發(fā)揮的空間，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3 結(jié) 語

為了滿足現(xiàn)代社會對“新工科”人才的需求，針對傳統(tǒng)材料科學(xué)與工程綜合實驗教學(xué)中存在的問題，本文主要從課程設(shè)置、教學(xué)方法、能力導(dǎo)向型實踐教學(xué)體系的建立、建立過程學(xué)習(xí)的評價體系四個方面進行改革。在教學(xué)環(huán)節(jié)中引入綜合性創(chuàng)新型實驗；從材料學(xué)發(fā)展史的角度，引入人文科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)模式，增強學(xué)生的工程職業(yè)道德和社會責(zé)任感；教學(xué)過程中通過科研實踐問題的分析、實驗方案的設(shè)計、動手操作等環(huán)節(jié)，提高學(xué)生主動學(xué)習(xí)、團隊合作意識、利用實驗技術(shù)和理論知識相結(jié)合解決實際工程問題的能力等。另一方面，增強材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)實驗與現(xiàn)有材料科學(xué)研究前沿的聯(lián)系，對培養(yǎng)創(chuàng)新型復(fù)合材料專業(yè)人才發(fā)揮了重要作用。