新工科背景下《工程材料》课程实验教学改革探索
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摘 要：分析了新工科背景下机械大类专业对《工程材料》课程中金属热处理实验课程的要求、特点，提出了课程实验教学内容、方法、考核模式的有关改革措施，注重学生实践和创新能力的培养，使课程的实验教学更适合机械大类专业的发展要求。
关键词：工程材料 材料成型及控制专业 实验教学改革
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）02（c）-0188-02
随着应用型人才培养、卓越工程师培养、专业工程认证以及新工科计划的提出，工科人才培养的教学理念不断深化发展，各个高校都加强了对实验/实践课程的重视程度，加重了实验/实践课程的学分占比，也对课程中的实验开设提出了新的要求。
《工程材料》课程是机械大类专业的专业基础课程，具有理论性和实践性都强的特点。课程涉及我院机械制造工程及其自动化、车辆工程、汽车服务工程和材料成型及控制工程四个专业，属于必修课，主要讲述钢铁材料的成分、加工工艺（主要是热处理与塑形变形）、组织和性能之间的关系，为机械相关专业在零件选材、加工工艺安排打下理论基础。课程的实验教学一方面用来联系工程材料特别是钢铁材料的相关理论知识，掌握钢铁材料的热处理原理、方法和热处理工艺的制定，为后续专业课学习及工程实践中灵活运用工程材料知识选择钢铁材料及制定钢铁材料的热处理工艺奠定基础。而现有《工程材料》课程的实验教学部分，其实验依然是验证性实验：铁碳相图的平衡组织观察和不同碳钢材料热处理后硬度实验，这种安排，一方面，学生积极性不高，另一方面，也不符合新工科培养学生创新意识和提高科研能力的要求。
1 原有验证性实验的利弊
《工程材料》课程中原来开设的是验证性实验：铁碳平衡组织的观察和硬度测试，主要侧重于理论知识的传播和实验技能的训练，属集中授课，其教学模式主要表现为“灌输式”，即教师根据教学大纲要求，依次讲解实验目的、实验操作步骤，其实验准备工作由实验室老师在课前准备，学生的实验操作也是按实验指导书规定的步骤和要求完成的。这些验证性实验的开设，有利于学生加深对理论知识的理解和掌握，提高实验操作的基本技能，为以后的综合实验打下基础。但是，如果《工程材料》课程仅开设这些验证性实验，已经跟不上卓越工程師培养的要求，更不用说新工科的要求。已有的验证性实验无法通过实验手段使学生掌握通过热处理实际操作的方法改善钢的性能、对材料尤其使钢铁材料四面体（材料、加工（热处理和塑形变形）、组织和性能）的关系停留在理论层面、脱离生产实际。这种教学模式不利于学生针对未知工程关于材料、材料加工方面问题的扩散思维，难以有效激发学生的学习兴趣和创新欲望，一定程度上妨碍了大学生科技创新意思和科研能力的培养。
2 新实验教学的几种思路
（1）增加实验学时，开设学生自主设计性/开放设计性（综合性）实验。为了培养学生的动手能力、学习能力和创新能力，在传统验证实验的基础上，增加实验课时，开设工程材料的开放设计性实验。教师只在课程初期提出机器设备某一零件/构件服役条件，学生通过课内课外的学习、资料查询、组内讨论，根据构件的服役条件推断出构件使用状态下的性能要求，选择合适的钢铁材料，制定相应的热处理方案并实施。通过这样的开放设计性实验，使学生不仅仅复习、掌握工程材料的相关理论知识，同时，也为以后工作中出现的未知问题的处理找到解决问题的方法和原则。也就是说，通过这样的开放设计性实验，学生不仅获得了知识（鱼），还获得了解决相关问题的方法（渔）。这样的安排，与验证性实验相比，调动了学生的主观能动性，培养了创造性思维。
（2）联合生产实际，丰富实验内容。课程学习初期所提的开放设计性实验课题要来源于实际生产或教师的科研课题，使其具有实际应用的意义。
（3）控制实验小组人数，提供足够多的动手机会。每组人数不超过5人，每个学生在实验前期都要提出选材和热处理方案及其选择依据，然后再小组讨论，或老师也参与讨论，制定热处理实验具体工艺（温度、保温时间、冷却方式等），预测每次热处理后组织性能;在实验实施阶段，每个学生都参与实验：热处理操作、金相制样、硬度测试等等;得到实验数据后，再与预测结果进行对比分析，找出符合或不符合预测数据的原因，写出实验报告。
条件允许的话，每组进行两次答辩，一次是实验前就实验方案进行答辩，一次是实验后，就实验结果与实验前的预期是否一致进行说明和分析，预案答辩和实验结果答辩需是组中不同成员承担，小组讨论后的实验预案和实验报告也需小组不同成员撰写，这样，每个组员不仅参与实验操作，也要参与文字撰写或PPT制作与答辩，提高学生的综合能力。
3 设计性实验的实施
（1）期初布置实验。让学生在《工程材料》课程一开始的时候带着问题，思考所给服役环境下构件的力学性能、物理性能和化学性能要求，根据这些要求结合铁碳相图和热处理基本原理和工艺，选择合适的钢铁材料、热处理方案及其选择说明。
（2）进行实验操作。一方面，实验采用预约制度。小组实验方案确定后，由小组长向实验室老师提出申请并预约好实验时间，这样可增加学生进行实验的自主性和设备的利用率;另一方面，实验前小组内进行实验操作的分工，并要求每个组员仔细查阅相关设备仪器的使用原理和操作规范，并在每一道热处理结束后，进行硬度测试和金相组织制样并观察记录。 （3）分析研究。根据理论知识结合实验数据进行分析、组内讨论并给出结论。
（4）撰写实验报告和总结。
按照这样设计实施的《工程材料》开放设计性实验课程包含了钢铁材料的热处理理论和热处理操作、金相试样制备、显微组织观察和硬度测试（条件允许的话可以进行其他力学性能测试）。通过这样的综合实验，可以很好地培养学生运用理论知识解决实践问题的能力，同时，还能较好地培养学生的创新实践能力和团体协作能力，符合新工科的要求。
4 新试验的考核
考核成绩需要改变原来单纯依靠实验报告定成绩的方式，采用过程考核，主要由三部分组成：实验前的分析，包括根据构件服役条件选择实验材料的理论依据、热处理方案设计说明;实验操作，对实验仪器和设备使用的熟练程度、金相试样和力学性能试样制备情况;实验报告，实验结果分析：符合服役条件下力学性能要求的，分析材料选择和热处理方案合理的原因，不符合服役条件下力学性能要求的，分析问题出在哪里以及改进方案。实验报告占50%，其他两部分各占25%。
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