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工程材料实验教学中开展设计性实验的探索与实践

论文作者:工程论文
发表时间:2017-1-23

摘 要 工程材料课程设计性实验教学内容的开设,能加深学生对常用工程材料的认识,拓展他们的知识面,提高学生的主动思考与实践动手能力,激发学生学习和参加实验的积极性和主观能动性。学生的积极参与,也促使我们不断改善实验条件,改革实验教学模式,提高实验教学质量。
  关键词 工程材料 实验教学 设计性实验
  中图分类号:G424 文献标识码:A DOI:10.16400/j.cnki.kjdks.2016.01.050
  Research and Practice of Carrying out Designing Experiment
  in Engineering Materials Experimental Teaching
  ZHANG Minghua, DONG Xinlong, CHEN Jiangying
  Abstract Engineering Materials courses design experiment teaching content, to deepen students 'understanding of common engineering materials, expand their knowledge and improve students' active thinking and practical ability to inspire students to learn and participate in the experiment enthusiasm and initiative. Active participation of students, but also prompted us to continue to improve the experimental conditions, the reform of experimental teaching model to improve the quality of teaching experiments.
  Key words engineering materials; experimental teaching; designing experiment
  国家对创新型人才培养的要求随着高等教育的不断发展而不断提高,创新教育已成为高等教育在新时期发展的必经之路。在进一步推进制度创新、理念创新和文化创新的同时,要充分认识实践的重要作用,理念创新引领实验教学的改革和发展已经成为目前研究和探索的热点。①②
  能源、信息和材料是现代社会和现代科学技术的三大支柱,学习并掌握工程材料的基本知识对于工科院校学生来说有重要意义。工程材料从应用角度出发,讲述了材料科学基本理论,使学生能充分认识材料的成分、加工工艺、组织、结构与性能之间的关系,了解材料牌号及这些材料组织状态、力学性能等,对车辆工程、机械工程、航空航天等领域的各种金属材料、高分子材料、复合材料等领域的设计研发工作具有重要意义。③④为拓展学生知识面,加强学生对基本工程材料的认识,培养其实践动手能力,开设相应的工程材料课程和相关的实验教学是必要的。并且实验教学的效率也直接影响到学生的自主学习能力、实践动手能力、综合分析能力以及科研创新能力的提高。⑤⑥⑦
  通过工程材料的学习,可以使学生在掌握材料的基本知识及基本理论的基础上,具备对结构零件进行合理选材及制定零件工艺路线的初步能力。并且通过合理设置实验提高学生的实际动手能力,加深并强化课堂理论教学的理解,提高实验操作技能。
  1 实验任务书的制定
  为了满足实验教学的需要,原有开设的实验项目有: (1)硬度计及硬度试验;(2)铁碳合金平衡组织分析;(3)碳钢经热处理组织分析。本次设计性实验(典型机械零件选材及热处理)是在碳钢热处理实验的基础上进行改进,结合前述实验以及教师讲授的课堂理论,学生自己完成实验方案的制定。
  本次设计性实验制定如下:
  实验目的:(1)了解正确选材的必要性,熟悉常用材料的结构、组织、性能和用途,能掌握按照使用性、工艺性、经济及环境友好性等原则选用合适的材料;(2)能根据所选材料的合金组成、组织及性能关系,确定热处理工艺路线并能进行热处理操作;(3)能按步骤制备金相试样,并掌握对金相试样的浸蚀方法;(4)学会使用金相显微镜,掌握用金相显微镜观察和辨识材料的的显微组织的方法;(5)学会使用硬度计测试材料硬度。
  实验要求:(1)分组查阅相关文献资料并讨论确定实验方案,将讨论后的方案交给实验教师审阅;(2)确定的方案中要详细给出对热处理工艺参数(加热T、保温t、冷却方式等);(3)按照实验方案进行试验;(4)撰写实验报告,分析实验结果。
  实验仪器、材料及耗材:(1)热处理炉;(2)45、40Cr、T10、T8等常用工程材料;(3)金相砂纸,抛光机,抛光膏,浸湿剂,金相显微镜;(4)硬度计。
  该设计性实验的需要学生能根据不同的使用条件正确选用材料,更重要的是还需要制定正确的热处理工艺路线。根据本组确定的实验方案进行实验效果的检验,首先进行热处理,并对热处理后的试样进行性能检测,了解并掌握热处理对试样性能改变的重要作用,制备试样热处理前后的金相试样,热处理前后的组织和性能差异,让同学深刻认识热处理对材料的组织和性能改变的的因果关系。
  2 设计实验方案
  依据学生自愿和教师指导的原则进行分组,每组3~5人。学生接到任务书选定题目后,按照实验任务书的要求,查阅所学课程并查找相关文献资料。然后对资料进行总结,选择合适的材料,根据材料的制造工艺路线(如:毛坯→锻造→预先热处理→切削加工→最终热处理(淬火,回火)→ 磨削),确定热处理方案,将本组所选择的材料以及确定的热处理工艺路线交给教师审阅。   3 实验过程
  根据老师修改后的实验方案,学生分组领取所需材料,在指导老师的讲解下熟悉实验用到的仪器和设备,然后按步骤进行实验。要求对原材料和经过各种热处理后的材料硬度进行测试并制备金相试样观察组织、拍出金相照片,比较热处理前后组织和性能的差异。
  4 实验报告上交及答辩
  所有实验完成后,各小组的每位学生均需提交综合实验报告,报告中需要写出心得体会。按照预先分组进行答辩,要求答辩的学生能清楚陈述整个实验过程,包括材料的选择、热处理工艺的设计、实验步骤、操作过程描述、实验现象以及实验结果,运用所学的材料科学的理论对实验结果进行分析。
  5 实验考核
  实验指导老师根据以下指标进行考核:文献查阅及阅读情况,对文献的综述,所设计的实验方案,实验具体操作,实验态度是否端正,实验报告撰写质量,答辩表述等。指导教师要指出实验方案以及全过程的优缺点,实验报告撰写的问题所在,特别注意要注重对学生参与实验的全过程的评价,同时要考虑学生的个体差异,根据前述指标以及学生个人的表现给出总评成绩。
  6 结语
  工程材料实验教学中设计性实验的开设,加深了学生对常用工程材料的认识,拓展了他们的知识面,使学生能把所学的专业理论知识与具体的工程材料相结合,进一步巩固了所学的专业理论知识,并加强了这些课程之间的有机联系。开设工程材料实验,可以提高学生的实践动手能力,能激发学生学习课堂知识和参加实验的积极性和主观能动性,同时培养学生的团队协作精神和沟通交流能力。
  以演示验证为主的实验模式会降低学生对课程和实验的兴趣,忽略实验过程中学生操作技能尤其是创新能力的展示,不利于调动主观能动性,也不能激发学生对专业知识的探究。因此本实验对传统的实验教学方法进行了如下改革和探索:
  (1)引入多媒体教学形式:通过动画以及电子图谱等多媒体教学手段,使学生获得更多的信息,加深有关内容的理解,动画演示也可以使同学们更形象地了解到材料的微观结构,帮助同学理解结构、组织和性能之间的关系。
  (2)探究、启发和讨论式的教学方式:对学生所确定的实验方案以及实验过程中出现的问题或者不满意的实验结果,指导老师通过提问、讨论等多种教学方式,启发学生勇于发现问题,敢于探索问题,乐于分析问题并最终解决问题。
  (3)改革工程材料课程考评方法:考核方式重视答辩陈述,淡化纸质报告;注重学生的实验操作过程,弱化所得实验结果。考评方式的改革提高了学生的积极性和创造性,也适应我校培养创新型和应用型人才的目标。
  长三角是装备制造业基地,机械学院学生主要在机械制造、模具开发、车辆零配件、电子器件等行业就业。工程材料课程及实验的学习拓展了学生对常用材料的结构及性能认识,提高了在该行业的竞争力。同时,该课程的学习对提高学生的课程设计质量、培养学生的科研能力及创新能力也发挥了重要作用。
  注释
  ① 路勇,高峰,马修真,韩伟,李淑英.能源动力专业“进阶式”实验教学探索与实践[J].实验科学与技术,2010.8(6):59-60.
  ② 何照荣,王大成,铁永亮,李宁.设计性实验中特色创新的探索与实践[J].实验室科学,2015.18(1):230-233.
  ③ 陈灵.金属材料设计性实验的实施与提高[J].长江大学学报(自然科学版),2009.6(2):390-391.
  ④ 何峰,冯小平,谢峻林.材料专业设计性实验教学改革与实践[J].实验室科学,2012.15(2):9-12.
  ⑤ 张明坤.在验证型与设计性试验结合中提高实验能力[J].边疆经济与文化,2012(8):103-104.
  ⑥ 高庆华,王洁,宁培海.自主式综合设计性实验教学体系探索.教育教学论坛,2015.36:136-137.
  ⑦ 韩丹丹,祝波,徐鹏程.应用化学专业实验教学模式探索[J].实验科学与技术,2010.8(6):69-70.
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