材料科学基础实验教学改革探究

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摘要：目前，在专业工程认证导向下，机械类专业开设的材料科学基础实验课程是培养机械工程相关的技术人才形成良好的实践能力和创新能力的关键学科核心课程之一。为了避免实验问题的继续延伸和提升学生的综合实验素质，笔者结合多年的教学实施情况，总结出实验教学中存在的问题，提出了以团队协作模式进行实验教学，从实验项目的设计、试样的选择、实验理论知识的提炼、团队协作实验等方面阐述材料科学基础实验教学改革，学生在实践过程中不仅获得重要的实验理论知识，而且还提升在实验过程中的问题思考、分析、解决能力，培养团队协作意识，实现以“学生为中心，教师引领”的教学方式，从而达到提高并优化材料科学基础实验的教学效果的目的。

关键词：材料科学基础实验；团队协作；机械工程专业；教学改革

机械类专业工程教育认证标准（2015版）明确指出，机械类专业开设的工程基础类科目要求“以数学与自然科学为基础，培养学生应用数学或数值方法，发现并解决实际工程问题的能力。包括理论力学、材料力学、热流体、电工电子学、材料科学基础等知识领域。”为此，河北大学机械设计制造及其自动化专业为了适应工程认证标准要求，在2019版本科专业人才培养方案修订中设置了材料科学基础（含实验）课程，课程性质为学科基础课程—学科核心课，实验学时由原有的6学时延长为9学时。材料科学基础实验主要对材料科学基础理论知识的运用，主要验证材料成分、组织结构、性能等要素之间的相互关联[1]，也是检验学生对理论知识的掌握以及提升学生的实践能力。

1实验教学中的问题

原有实验项目（见表1）设计与内容不合理：（1）理论与实践脱节。学生在实验时，主要针对某一种碳钢或某一种热处理后的碳钢进行试样制备、显微组织的观察、硬度的测试，实验结果比较单一、无法比较，理论依据也难以找到。在该情况下，学生比较盲目，不能判断实验结果是否正确；（2）学生在实验过程中全程交流甚少，动手能力强的学生在较短时间内便完成实验，但动手能力弱的学生在规定时间内难以完成，导致学生的实验效果参差不齐；（3）教师全程参与学生的实验，这违背“以学生为中心”的教学思想。在实验过程中，个别学生掌握不了实验基本要领和操作，造成教师重复指导；（4）实验报告的撰写，实验报告千篇一律，没有结合自身实验状况和心得体会进行撰写；（5）考核方式简单。教师凭实验报告的结果对学生进行考核，但发现试样的显微组织图片和硬度指标互相借用，无法反映学生的实验能力、操作水平的高低。

2团体协作实验实施

基于以上存在的问题，引领学生从个体向团体转化进行实验，主要从制定实验项目、试样选择、提炼的实验理论知识和团队协作等角度进行实施。

2.1设计实验项目

为了避免单一验证型的实验项目，教师根据教学经验、学生的学情分析以及实验室的硬件条件，实验项目设计数量没有变化，但实验类型改变为综合性质，实验内容也进行了扩展，每一个实验项目包含至少四种不同成分或热处理工艺的试样，学生通过多种试样实验结果的对比，发现一定的实验规律和现象。如实验2，不同热处理方式对铁碳合金组织的影响，对于原有实验，学生只研究淬火对同一成分试样组织的影响，学生之间毫无对比性和分析性，而调整后，学生需要以团队协作形式进行不同热处理方式：淬火、退火、正火、回火等对同一成分试样的显微组织的影响，学生通过组织图片，观察不同热处理后的组织图片，分析试样的表面组织与物相，研究不同热处理方式对试样的显微组织的影响规律，探索出与显微组织相对应的组织理论知识和铁碳相图知识。

2.2试样的选择

根据实验内容和实验目的的需要，选择工业纯铁（含碳量低于0.0218wt.%）、Q235钢（0.14～0.22wt.%）、T8钢（0.75～0.84wt.%）、共晶铸铁（4.3wt.%）等铁碳合金为试样，这四类试样的含碳量由低到高的变化，相应的组织变化也比较明显，从铁素体→铁素体+珠光体→珠光体→莱氏体变化。

2.3提炼的实验理论知识

本课程实验涉及到的理论知识主要有5个[2-3]：（1）根据铁碳相图，随着含碳量的增加，室温下铁碳合金的组织变化为铁素体→铁素体+珠光体→珠光体+二次渗碳体→二次渗碳体→珠光体+二次渗碳体+低温莱氏体→低温莱氏体+一次渗碳体→一次渗碳体；室温下相含量变化为铁素体逐渐减少，而渗碳体逐渐增多。（2）珠光体和低温莱氏体均由铁素体和渗碳体组成的混合组织，其组织形貌由渗碳体的形状和分布决定。（3）根据铁碳相图，含碳量增加，铁碳合金的硬度增加，这与铁碳合金中渗碳体含量增加、而铁素体含量减少有关。铁素体的力学性能：硬度低（80HBS），而塑性韧性好（断后伸长率A为50%；断面收缩率Z为80%）；渗碳体的力学性能：比较大的硬度（950～1050HV（维氏硬度），断后伸长率A为0）。（4）热处理温度、冷却速率由铁碳相图和等温转变图（Temperature-Transformation-Time,TTT图）决定。如T8钢进行淬火处理，淬火温度选择Ac1（A1线为铁碳相图中的PSK线，加热时临界点，以加“c”区别，727℃）以上30～50℃；冷却速率：快冷（大于马氏体形成临界冷却速度）；冷却介质：盐水等。（5）退火—铁碳合金容易获得平衡组织，如珠光体；淬火—马氏体或下贝氏体组织，正火—索氏体（索氏体+铁素体），回火—回火马氏体（低温回火）、回火屈氏体（中温回火）、回火索氏体（高温回火）等。

2.4团队协作模式的实施

团队的组建。教师讲授材料科学基础实验内容、目的和安全操作要领与注意事项后，要求实验学生组建团队，每4人形成一组，同时推选出有责任心、团队意识和领导能力的小组长，各个小组长直接与教师沟通与协调，教师向小组长分派任务，小组长向成员分配实验任务，并引领成员实验操作。小组长负责实施实验。以实验1为例说明团队实施，其实验步骤主要有磨样—抛光—侵蚀—观察与分析等。首先说明每一步骤的注意事项[4-5]：（1）在磨样环节，先采用粗砂纸（砂纸号数比较小）进行磨样，然后依次采用砂纸号数增加进行磨样，在每换一种砂纸，试样磨面划痕旋转90o，在每一道次使用砂纸磨样过程中，需要把上一道次的试样划痕磨掉，方可再换另一道次的砂纸。直到最后采用比较细的砂纸（如1500#）磨样后方可抛光。在这过程中，学生因心里急躁或没有掌握实验要领，在每一道砂纸磨样后，均会留下上一道次的划痕，以此类推，最后在抛光前，发现试样的磨面划痕深浅不一，方向各异，划痕交叉严重。（2）抛光环节是试样制备好坏的关键。学生需手持试样稳固，否则试样在抛光中容易甩抛出去；试样划痕应与抛光机旋转方向尽量垂直；水量大小与流速需要适宜控制，做到试样与抛光布之间有摩擦力但不大；抛光膏涂抹试样抛光表面要薄、均匀且不定时涂抹，明确抛光膏的切削作用；抛光时前期需用力但后期却施力较小。（3）侵蚀阶段，对表面光滑的试样采用4%HNO3酒精侵蚀，侵蚀时，用镊子夹住脱脂棉蘸硝酸酒精，然后置于试样表面，待表面变成灰白色即可用清水清洗表面，用酒精擦拭，吹干待用。（4）观察金相组织环节。操作光学显微镜要领要先粗调，出现图像后再微调，注意控制试样与物镜的距离。基于以上步骤，学生以团队协作实施实验时，（1）小组长领取试样。一个小组实验的试样共四种，每个成员获取的试样是不一样的，小组长领取试样后，分发给小组成员，同时指导小组成员制备试样。（2）小组长负责统筹与协调成员使用的试样和砂纸用量，一旦出现问题，小组长总结出不规范的操作，结合实验教材内容检查试样表面划痕情况，合格者进入下一步实验步骤，不合格者继续操作。（3）团队成员、团队之间互相探讨，出现问题事先归类为哪一类问题，小组长引领成员进行讨论，探讨问题出现的根源，然后根据讨论的结果继续进行实验。（4）团队每一成员对该团队试样的显微组织进行拍照，对四种试样的显微组织发至微信群或QQ群进行共享，同时交流显微组织涉及的信息。成员获得四种显微组织图片后各自进行分析与探讨，探索出不同显微组织图片对应的理论依据，最后呈现于实验报告之中。（5）各个小组长根据各自小组的实验结果、收获与心得体会进行汇总，向指导教师提交，指导教师反馈于班级群，学生互相共享实验结果与实验效果。团队协作实验效果主要为（1）针对实验实施出现的问题，以小组长及时与指导教师沟通，指导教师及时纠正，这使逐渐形成遇到问题及时解决、寻找解决措施与办法的学习态度，从而提升自我处理问题的能力。（2）小组成员之间形成团队意识与合作共享意识，互帮互助，懂得一件事情的成功完成需要团队的合作与协商以及每一个成员的重要性。（3）教师从烦琐的指导中解放出来，使得教师更有精力对学生进行精准指导和经验的总结。（4）实现了以“学生为中心，教师为引领”的教学模式。

3结束语

实验教学对于工程类专业的学生来说是非常重要的，作为机械工程类专业的学生更是如此。材料科学基础实验不仅是学生从自然科学课程向专业课程学习的衔接，也是理论联系实际，提升实践能力的主要课程实验之一，本课程采用团队协作形式进行实验教学，使学生在实验实施过程中体会到团队协作的重要性，增强了他们的团队意识以及自我管理的能力，相信这种教学方式会对学生未来的工作起到潜移默化的影响。

作者:董小平 杨丽颖 李浩东 刘珏 苏丹丹 单位:河北大学质量技术监督学院