材料科學基礎實驗教學改革探究

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摘要：目前，在專業(yè)工程認證導向下，機械類專業(yè)開設的材料科學基礎實驗課程是培養(yǎng)機械工程相關的技術人才形成良好的實踐能力和創(chuàng)新能力的關鍵學科核心課程之一。為了避免實驗問題的繼續(xù)延伸和提升學生的綜合實驗素質(zhì)，筆者結(jié)合多年的教學實施情況，總結(jié)出實驗教學中存在的問題，提出了以團隊協(xié)作模式進行實驗教學，從實驗項目的設計、試樣的選擇、實驗理論知識的提煉、團隊協(xié)作實驗等方面闡述材料科學基礎實驗教學改革，學生在實踐過程中不僅獲得重要的實驗理論知識，而且還提升在實驗過程中的問題思考、分析、解決能力，培養(yǎng)團隊協(xié)作意識，實現(xiàn)以“學生為中心，教師引領”的教學方式，從而達到提高并優(yōu)化材料科學基礎實驗的教學效果的目的。

關鍵詞：材料科學基礎實驗；團隊協(xié)作；機械工程專業(yè)；教學改革

機械類專業(yè)工程教育認證標準（2015版）明確指出，機械類專業(yè)開設的工程基礎類科目要求“以數(shù)學與自然科學為基礎，培養(yǎng)學生應用數(shù)學或數(shù)值方法，發(fā)現(xiàn)并解決實際工程問題的能力。包括理論力學、材料力學、熱流體、電工電子學、材料科學基礎等知識領域。”為此，河北大學機械設計制造及其自動化專業(yè)為了適應工程認證標準要求，在2019版本科專業(yè)人才培養(yǎng)方案修訂中設置了材料科學基礎（含實驗）課程，課程性質(zhì)為學科基礎課程—學科核心課，實驗學時由原有的6學時延長為9學時。材料科學基礎實驗主要對材料科學基礎理論知識的運用，主要驗證材料成分、組織結(jié)構(gòu)、性能等要素之間的相互關聯(lián)[1]，也是檢驗學生對理論知識的掌握以及提升學生的實踐能力。

1實驗教學中的問題

原有實驗項目（見表1）設計與內(nèi)容不合理：（1）理論與實踐脫節(jié)。學生在實驗時，主要針對某一種碳鋼或某一種熱處理后的碳鋼進行試樣制備、顯微組織的觀察、硬度的測試，實驗結(jié)果比較單一、無法比較，理論依據(jù)也難以找到。在該情況下，學生比較盲目，不能判斷實驗結(jié)果是否正確；（2）學生在實驗過程中全程交流甚少，動手能力強的學生在較短時間內(nèi)便完成實驗，但動手能力弱的學生在規(guī)定時間內(nèi)難以完成，導致學生的實驗效果參差不齊；（3）教師全程參與學生的實驗，這違背“以學生為中心”的教學思想。在實驗過程中，個別學生掌握不了實驗基本要領和操作，造成教師重復指導；（4）實驗報告的撰寫，實驗報告千篇一律，沒有結(jié)合自身實驗狀況和心得體會進行撰寫；（5）考核方式簡單。教師憑實驗報告的結(jié)果對學生進行考核，但發(fā)現(xiàn)試樣的顯微組織圖片和硬度指標互相借用，無法反映學生的實驗能力、操作水平的高低。

2團體協(xié)作實驗實施

基于以上存在的問題，引領學生從個體向團體轉(zhuǎn)化進行實驗，主要從制定實驗項目、試樣選擇、提煉的實驗理論知識和團隊協(xié)作等角度進行實施。

2.1設計實驗項目

為了避免單一驗證型的實驗項目，教師根據(jù)教學經(jīng)驗、學生的學情分析以及實驗室的硬件條件，實驗項目設計數(shù)量沒有變化，但實驗類型改變?yōu)榫C合性質(zhì)，實驗內(nèi)容也進行了擴展，每一個實驗項目包含至少四種不同成分或熱處理工藝的試樣，學生通過多種試樣實驗結(jié)果的對比，發(fā)現(xiàn)一定的實驗規(guī)律和現(xiàn)象。如實驗2，不同熱處理方式對鐵碳合金組織的影響，對于原有實驗，學生只研究淬火對同一成分試樣組織的影響，學生之間毫無對比性和分析性，而調(diào)整后，學生需要以團隊協(xié)作形式進行不同熱處理方式：淬火、退火、正火、回火等對同一成分試樣的顯微組織的影響，學生通過組織圖片，觀察不同熱處理后的組織圖片，分析試樣的表面組織與物相，研究不同熱處理方式對試樣的顯微組織的影響規(guī)律，探索出與顯微組織相對應的組織理論知識和鐵碳相圖知識。

2.2試樣的選擇

根據(jù)實驗內(nèi)容和實驗目的的需要，選擇工業(yè)純鐵（含碳量低于0.0218wt.%）、Q235鋼（0.14～0.22wt.%）、T8鋼（0.75～0.84wt.%）、共晶鑄鐵（4.3wt.%）等鐵碳合金為試樣，這四類試樣的含碳量由低到高的變化，相應的組織變化也比較明顯，從鐵素體→鐵素體+珠光體→珠光體→萊氏體變化。

2.3提煉的實驗理論知識

本課程實驗涉及到的理論知識主要有5個[2-3]：（1）根據(jù)鐵碳相圖，隨著含碳量的增加，室溫下鐵碳合金的組織變化為鐵素體→鐵素體+珠光體→珠光體+二次滲碳體→二次滲碳體→珠光體+二次滲碳體+低溫萊氏體→低溫萊氏體+一次滲碳體→一次滲碳體；室溫下相含量變化為鐵素體逐漸減少，而滲碳體逐漸增多。（2）珠光體和低溫萊氏體均由鐵素體和滲碳體組成的混合組織，其組織形貌由滲碳體的形狀和分布決定。（3）根據(jù)鐵碳相圖，含碳量增加，鐵碳合金的硬度增加，這與鐵碳合金中滲碳體含量增加、而鐵素體含量減少有關。鐵素體的力學性能：硬度低（80HBS），而塑性韌性好（斷后伸長率A為50%；斷面收縮率Z為80%）；滲碳體的力學性能：比較大的硬度（950～1050HV（維氏硬度），斷后伸長率A為0）。（4）熱處理溫度、冷卻速率由鐵碳相圖和等溫轉(zhuǎn)變圖（Temperature-Transformation-Time,TTT圖）決定。如T8鋼進行淬火處理，淬火溫度選擇Ac1（A1線為鐵碳相圖中的PSK線，加熱時臨界點，以加“c”區(qū)別，727℃）以上30～50℃；冷卻速率：快冷（大于馬氏體形成臨界冷卻速度）；冷卻介質(zhì)：鹽水等。（5）退火—鐵碳合金容易獲得平衡組織，如珠光體；淬火—馬氏體或下貝氏體組織，正火—索氏體（索氏體+鐵素體），回火—回火馬氏體（低溫回火）、回火屈氏體（中溫回火）、回火索氏體（高溫回火）等。

2.4團隊協(xié)作模式的實施

團隊的組建。教師講授材料科學基礎實驗內(nèi)容、目的和安全操作要領與注意事項后，要求實驗學生組建團隊，每4人形成一組，同時推選出有責任心、團隊意識和領導能力的小組長，各個小組長直接與教師溝通與協(xié)調(diào)，教師向小組長分派任務，小組長向成員分配實驗任務，并引領成員實驗操作。小組長負責實施實驗。以實驗1為例說明團隊實施，其實驗步驟主要有磨樣—拋光—侵蝕—觀察與分析等。首先說明每一步驟的注意事項[4-5]：（1）在磨樣環(huán)節(jié)，先采用粗砂紙（砂紙?zhí)枖?shù)比較小）進行磨樣，然后依次采用砂紙?zhí)枖?shù)增加進行磨樣，在每換一種砂紙，試樣磨面劃痕旋轉(zhuǎn)90o，在每一道次使用砂紙磨樣過程中，需要把上一道次的試樣劃痕磨掉，方可再換另一道次的砂紙。直到最后采用比較細的砂紙（如1500#）磨樣后方可拋光。在這過程中，學生因心里急躁或沒有掌握實驗要領，在每一道砂紙磨樣后，均會留下上一道次的劃痕，以此類推，最后在拋光前，發(fā)現(xiàn)試樣的磨面劃痕深淺不一，方向各異，劃痕交叉嚴重。（2）拋光環(huán)節(jié)是試樣制備好壞的關鍵。學生需手持試樣穩(wěn)固，否則試樣在拋光中容易甩拋出去；試樣劃痕應與拋光機旋轉(zhuǎn)方向盡量垂直；水量大小與流速需要適宜控制，做到試樣與拋光布之間有摩擦力但不大；拋光膏涂抹試樣拋光表面要薄、均勻且不定時涂抹，明確拋光膏的切削作用；拋光時前期需用力但后期卻施力較小。（3）侵蝕階段，對表面光滑的試樣采用4%HNO3酒精侵蝕，侵蝕時，用鑷子夾住脫脂棉蘸硝酸酒精，然后置于試樣表面，待表面變成灰白色即可用清水清洗表面，用酒精擦拭，吹干待用。（4）觀察金相組織環(huán)節(jié)。操作光學顯微鏡要領要先粗調(diào)，出現(xiàn)圖像后再微調(diào)，注意控制試樣與物鏡的距離。基于以上步驟，學生以團隊協(xié)作實施實驗時，（1）小組長領取試樣。一個小組實驗的試樣共四種，每個成員獲取的試樣是不一樣的，小組長領取試樣后，分發(fā)給小組成員，同時指導小組成員制備試樣。（2）小組長負責統(tǒng)籌與協(xié)調(diào)成員使用的試樣和砂紙用量，一旦出現(xiàn)問題，小組長總結(jié)出不規(guī)范的操作，結(jié)合實驗教材內(nèi)容檢查試樣表面劃痕情況，合格者進入下一步實驗步驟，不合格者繼續(xù)操作。（3）團隊成員、團隊之間互相探討，出現(xiàn)問題事先歸類為哪一類問題，小組長引領成員進行討論，探討問題出現(xiàn)的根源，然后根據(jù)討論的結(jié)果繼續(xù)進行實驗。（4）團隊每一成員對該團隊試樣的顯微組織進行拍照，對四種試樣的顯微組織發(fā)至微信群或QQ群進行共享，同時交流顯微組織涉及的信息。成員獲得四種顯微組織圖片后各自進行分析與探討，探索出不同顯微組織圖片對應的理論依據(jù)，最后呈現(xiàn)于實驗報告之中。（5）各個小組長根據(jù)各自小組的實驗結(jié)果、收獲與心得體會進行匯總，向指導教師提交，指導教師反饋于班級群，學生互相共享實驗結(jié)果與實驗效果。團隊協(xié)作實驗效果主要為（1）針對實驗實施出現(xiàn)的問題，以小組長及時與指導教師溝通，指導教師及時糾正，這使逐漸形成遇到問題及時解決、尋找解決措施與辦法的學習態(tài)度，從而提升自我處理問題的能力。（2）小組成員之間形成團隊意識與合作共享意識，互幫互助，懂得一件事情的成功完成需要團隊的合作與協(xié)商以及每一個成員的重要性。（3）教師從煩瑣的指導中解放出來，使得教師更有精力對學生進行精準指導和經(jīng)驗的總結(jié)。（4）實現(xiàn)了以“學生為中心，教師為引領”的教學模式。

3結(jié)束語

實驗教學對于工程類專業(yè)的學生來說是非常重要的，作為機械工程類專業(yè)的學生更是如此。材料科學基礎實驗不僅是學生從自然科學課程向?qū)I(yè)課程學習的銜接，也是理論聯(lián)系實際，提升實踐能力的主要課程實驗之一，本課程采用團隊協(xié)作形式進行實驗教學，使學生在實驗實施過程中體會到團隊協(xié)作的重要性，增強了他們的團隊意識以及自我管理的能力，相信這種教學方式會對學生未來的工作起到潛移默化的影響。

作者:董小平 楊麗穎 李浩東 劉玨 蘇丹丹 單位:河北大學質(zhì)量技術監(jiān)督學院