《材料工程基础综合实验》教学改革探索
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作者:赵红利 张红霞 罗成
摘 要：针对我校《材料工程基础》课程实验教学过程存在的问题，以培养大学生高创新能力为目的，对实验教学环节中的管理模式和教学手段方法等进行了创新性的探索研究。通过实验教学改革，提高学生动手能力、加强开放性思维的综合训练，强化学生的工程意识和综合能力。
关键词：材料工程基础 工程意识 教学质量
中图分类号：G642 文獻标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）07（c）-0206-03
《材料工程基础综合实验》是结合《材料工程基础》课程开设的综合实验课，在实验教学中，通过改进实验教学手段和方法，调动学生积极性，提高学生的动手能力，培养学生工程意识，理论联系实际的工作能力。促进学生了解新材料、新工艺和新技术的应用情况，开发学生独立进行科研的综合素质。
综合实验改革的思路为：以具体的机械零件为实验方案设计对象，首先根据其具体的服役环境，分析零件使用性能要求，以此为依据，确定材料成分牌号，典型热处理强化方式，进一步制定热处理工艺参数， 并根据实验方案进行具体操作，并完成微观组织和性能检验。该实验通过对学生进行全过程地综合训练。将选材-热处理工艺制定-设备操作—性能测试-组织分析等内容有机地结合起来，通过实施理论联系实践的方法，让学生在实验设计中巩固理论知识，发挥自己的创造力，开阔视野，提高学生工程实践和创新能力。
1 教学改革的具体做法
1.1 实验前的准备
综合实验教学目标是运用相关理论知识和熟悉实验相关的技术，解决机械零件的热处理改性问题。实验教学中，涉及到一系列的设备、仪器、水电、耗材、工具等物品。要想做好实验教学，必须提前做好实验教学的准备工作。 一般来说， 实验前准备工作包括以下几项内容。
（1）学生在实验前， 认真学习实验指导书，查阅教材等有关资料，依据理论课教学内容， 结合生产实际，分析特定的机械零件使用性能要求;了解钢在热处理时，碳锰硅化学成分的含量、加热温度、加热时间、冷却速度及回火温度等主要因素对其热处理后组织与性能的影响，确定出其热处理技术要求以及应达到的技术指标， 以满足零件的使用性能要求。如传动类零件（ 汽车，拖拉机、摩托车轴，等） ， 要求具有优良的综合机械性能， 材质可选用中碳45钢或者40Cr钢， 热处理应进行调质， 以满足其使用性能要求。再如常接触到的承受振动与冲击载荷的工具类（如榔头、钻头等），要求具有足够的韧性和较高硬度，材质可选用高碳T8或T10钢，热处理采用淬火及低温回火处理方式，获得高硬度的细弥马氏体和碳化物，满足其使用性能要求。
（2）实验方案讨论。让学生提出达到零件使用性能指标的多种可行方案， 并分析讨论，给学生提供较大的发挥空间。对于学生提出的各种方案， 关于方案的合理性及优缺点，老师只做引导，让学生们在实验室通过具体的实验操作，获取实验数据，评判对与错、优与劣。通过实验，学生们可以很好地掌握所学的理论知识和实验技能，同时学到了解决工程实际问题的思路。
1.2 实验方案的实施及实验过程的指导
（1）实验时， 教师首先要针对包括仪器设备的使用必须规范操作， 安全注意事项等作讲解，力求重点突出，简明扼要。本实验操作包括热处理和金相制备，金相组织分析性能测试四个部分，热处理前让学生熟悉热处理加热炉的基本结构及原理、操作方法以及注意事项，比如怎样减少高温加热时材料表层的氧化脱碳。金相样品制备前， 让学生知道金相试样制备的流程及注意要点，金相显微镜的结构和操作方法。突出实验过程中的注意事项，如金相采用金相砂轮机粗磨采用水冷却，砂纸细磨和抛光过程中， 也不能过热， 防止温度过高导致金相组织及性能的改变。
老师讲解后， 需要学生独立进行实验各步骤，包括调试操作设备、记录实验中的原始数据等。
（2）学生在掌握设备的操作方法的前提下进行实验方案的具体实施。
热处理操作过程中，学生以组为单位，每组3～4人，根据所选用的材料和事先制定的实验方案，将实验所用的箱式电阻炉调节至工艺所规定的温度后，通电加热到所需温度，将待处理的零件放入电阻炉，加热至所设定温度， 保温至规定时间，冷却方式的选择也是参照实验方案进行快冷或慢冷。如果快冷淬火后的零件，还需按方案中设定的工艺流程，及时回火处理。
（3）对热处理后的零件，为了判断其是否达到要求的技术指标，需要做硬度检验和金相分析。 硬度检验时，要根据零件热处理后硬度的大致范围，选用合适的布洛维硬度计测试方法，并要保证测试面满足硬度测试的基本要求;金相样品的制备一般包括砂轮机粗磨、金相预磨机或手工方式各号砂纸由粗到细顺序磨制、抛光、侵蚀以及金相显微镜观察。每一个环节没做好，都影响到实验的最终成败。教师应强调规范操作，及时纠正违反操作规程的错误做法，引导学生操作中多思考。比如采用腐蚀剂侵蚀抛光好的试样时，为什么要及时冲洗，怎样才能使腐蚀程度合适，达到清晰显示材料的金相组织的效果？
实验过程中的重难点是观察分析热处理后的金相组织特征。金相试样制备好后， 应指导学生通过金相显微镜正确观察组织形貌，进行金相分析。因每人试样互不相同，通过对比观察， 熟悉不同热处理工艺下的金相形态特点，分析讨论各种金相组织的名称及金相组织与热处理之间的关系。同学们在相互对比过程中， 鉴定各自的金相样品制样效果，很好的激发金相制样的积极性。如果出现和理论分析有异常的金相组织种类，教师应引导学生根据实验过程或材料成分等来分析，查找原因， 尝试提出解决问题的办法。进一步完善自己所设计的实验方案，提高现场处理问题的能力，强化工程技术意识。 （4）撰写实验报告。这个环节要求学生结合文献检索运用理论知识，对实验中的各种数据进行综合分析， 对于同种材料来说，采用不同热处理后，组织和性能的存在着一定的差异，分析工艺对零件性能和使用寿命长短的影响，通过综合比较， 找出最佳的热处理工艺规范，有助于提高学生理论分析和解决实际工程问题的能力。
1.3 采用“显微图像系统”教学， 提高实验教学效果
我校金相实验室配置的多台套“显微图像系统”，有利于學生在实验过程中，组织分析出现的疑难问题在电脑显示屏显示出来，师生同时观察，教师的讲解与视觉形象相互配合， 有相似或类似疑问的学生亦可同时得到解答或启发。很好地将教与学有机的结合起来，解决了学生观察困难和教师不便指导的难题，提高实验教学的效果。
1.4 考核方式的改革
为进一步提高课程实验教学质量，考核实现了理论考试与实验评价联动机制。明确对学生实验态度、实验动手能力、实验分析能力进行综合评测。要求及时撰写实验报告，一周内提交实验报告。对不参加实验或参加试验后不提交实验报告的学生，规定不能参加该课程的考试。并将实验内容有机地嵌入到本课程考试的考题中。
实验考核内容包括考核实验操作过程中的规范性和实验报告撰写的完整性，必须条理清楚。实验报告首先要求详细地讲述的整个实验过程，这一部分包括实验方案的制定及参照依据、实验仪器的调节使用、实验过程中观察到的现象和实验结果的记录完整性、实验数据（包括金相组织）处理过程合理性。另外，在实验结果分析讨论中要将材料科学的四要素：成分-组织结果-热处理-性能这一主线贯穿始终，综合比较。为了鼓励学生多思考，对实验报告有创新点的适当加分。
通过这一系列的措施，学生的主观能动性大大提高，能自觉、认真地做好实验，在前期的方案制定及后期撰写实验报告过程中，主动查阅大量的资料。学生提交的实验报告不再敷衍，质量提升很多，内容完整性好，实验数据充分，分析详尽，杜绝了抄袭。
根据实验后的反馈情况调查，以具体零件进行实验设计的方式和与课程联动的考核方式有效激发了学习的主动性和创造性，学生对这样的综合实验教学形式认可度高，通过实验，增强学生动手能力，巩固了专业知识的掌握，有助于学生更好地理解理论知识并形成系统，从而产生学习的成就感。
1.5 完善实践教学文件
根据我院系的《材料工程基础》课程教学大纲和专业培养目标的特色，结合综合实验改革的内容和需要，整理完善“材料工程基础课程实践教学大纲”、“设备安全操作规程及注意事项”、“实验指导书及参考文献”和“实验报告要求及考核办法”等规范性实践教学文件，使该课程的实践教学环节有章可循， 有条不紊， 确保了实验的顺利开展和实施。
2 实验教学改革成效
通过实验教学内容和实验教学方法等方面深入的改革和创新， 教学质量明显提高， 学生的动手能力和创新意识均有了较大的提升。
2.1 培养学生的创新意识
以真实的机械零件为设计对象， 引导学生查阅资料，获得实验目标要求相关联的专业知识。学生如果专业知识欠缺， 会主动地根据实验指导书提供的参考书目到图书馆查询资料和自学专业课程，学生在文献阅读中，加深了对专业发展趋势的了解。
2.2 培养了学生的团队协作意识
实验中，组员分工合作，相互协调，锻炼了个人能力，并培养了学生团结协作的团队精神。学生在综合实验的操作实践中， 互帮互助加深了同学间的友情。
2.3 培养学生理论联系实际的工作能力
学生面对综合实验自拟实验方案的现实， 由于模拟生产，针对具体的零件， 要求学生综合运用已掌握的知识技能去解决实际问题， 实验目的较以往更加明确。促使学生主动充实专业知识，消化实验涉及的相关理论，在制订实验方案设计中兼顾考虑材料、设备、安全等各方面因素，并独立完成从试样准备到设备仪器使用的各个环节。充分调动了学生在实验过程中的主观能动性，培养学生独立思考和动手能力，为以后开展工程技术研究打下了良好的基础。
3 结语
实验教学是高等教育中培养大学生实践能力和创新精神的重要环节，提高实验教学质量是培养高水平应用型人才的重要保障，我校《材料工程基础综合实验》课程通过积极的改革探索，激发学生参与实验教学热情，营造良好的实验教学学习环境，提高实验教学质量，有效地培养学生的设计、分析和创新能力，使学生具备较强的工作适应能力，为学生未来成才打下了较好的工程基础。
参考文献
[1] 谢飞，潘建伟.“工程材料”课综合型实验教学探索[J].江苏工业学院学报，2005（6）：79-81.
[2] 王小槐，张照军.《材料科学基础》综合设计型实验教学的探索[J].实验室研究与探索，2004（1）：62-64.
[3] 阳生红，张曰理，欧阳红群.碳钢热处理及金相实验的点滴体会[J].实验室科学，2009（8）：150-151，155.
[4] 周雅，袁永瑞，王春霞.浅谈“材料科学综合实验”对学生能力和素质的培养[J].实验室研究与探索，2008（12）：82-85.
[5] 赵杰，邹龙江，程从前.金属材料工程专业实验教学的设想及实践[J].中国现代教育装备，2014（21）：1-2，5.
[6] 张礼华，廖其龙，陈其，等.材料工程基础设计型实验项目的开发研究[J].高校实验室工作研究，2010（4）：23-24.
[7] 吴海江，刘龙飞，唐果宁，等.金属材料工程专业综合创新实验教学改革研究[J].当代教育理论与实践，2013，5（7）：109-111.
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