新工科背景下《材料科學與工程綜合實驗》的教學改革

趙曉華，王 雙，周 明

(江蘇大學材料科學與工程學院，江蘇 鎮江 212013)

深入學習貫徹習近平新時代中國特色社會主義思想和黨的十九大精神，教育部2018年首批認定612個“新工科”研究與實踐項目，系統推動和引領高等教育深層次改革[1-2]。提高學生對工程背景和工程實踐的清晰認識，培養學生解決實際工程問題能力是新工科建設發展的根本需求，也是培養復合材料與工程專業優秀人才的重要方法。在工科人才培養中，實踐教學是培養學生工程能力和工程素養的重要環節[3-6]。材料科學與工程綜合實驗是材料類專業的一門重要專業基礎課，其任務是讓學生掌握材料科學與工程專業基礎實驗的基礎實驗技術，加深對專業理論知識的理解和掌握，提高分析和解決實際問題的能力。教學效果將直接影響學生對“材料科學基礎”、“材料力學性能”、“材料物理性能”等專業基礎課程的學習質量。在國家新工科建設的指導下，材料科學與工程綜合實驗教學需要更好地融入“需求為導向，培養應用型復合人才”的新工科建設。

1 材料科學與工程綜合實驗教學存在的不足

1.1 實驗課程設置過于獨立

現有的實驗課程內容設計單一，實驗課程設置過于獨立，實驗大多圍繞理論教學某個知識點展開，實驗項目之間沒有承前啟后，且與其他專業實驗的橫向聯系較少，缺乏對學生所學知識進行融會貫通能力的培養。同時缺乏綜合實驗設計能力和創新意識的培養。學生僅僅完成某個實驗項目的實驗，缺乏對實驗課程的總體認識，不利于學生科學思維和創新能力的培養。

1.2 教學方式陳舊

本課程的內容大部分為單一的驗證性實驗，沒有引入開發和設計類實驗項目，基本只注重理論知識的講授和典型材料性能的驗證分析，難以適應復雜的工程實際。例如，對于材料的沖擊實驗，只開展了低碳鋼和鑄鐵的常溫沖擊實驗，其他材料如陶瓷材料、新型復合材料、焊接件等，其沖擊性能與金屬材料差異明顯，而在沖擊性能測試實驗中并沒有與現實工程實踐很好地結合起來。因此，學生在課堂上學到的實驗知識與實際工程問題聯系不緊密，難以實現理想的教學效果。

1.3 考核方式單一

本課程的考核方式主要包括學生操作表現和實驗報告，以實驗報告為主要參考依據，導致一些同學相互抄襲實驗報告。這樣的考核方式在一定程度上抑制了學生主動參與實驗的積極性，很難對學生分析問題、解決問題的能力進行綜合考評。因此，需要采取更加全面的過程評價考核方式對學生進行考核，提高學生的實驗技能和實踐創新能力。

2 新工科背景下實驗教學改革的主要措施

本文針對材料科學與工程綜合實驗課程中存在的問題，從課程設置、教學方法和考核方式等方面進行優化，為“材料科學與工程綜合實驗”課程的教學改革提供新思路。

2.1 調整課程設置

減少驗證性實驗課時，增加創新型綜合實驗課時，實驗結構上盡量做到相關聯系、環環相扣。比如材料力學性能的很多知識點都可以通過具體的工程案例進行實驗驗證和分析。通過這些實際案例分析，給學生建立清晰的工程目標，有理由提高學生分析和解決實際工程問題的能力。本課程實驗項目設置調整見表1，打破原有的沖擊韌度測定、金相技能基礎實驗等單獨的驗證性實驗的局限性，設置“35MnBM圓鋼沖擊試驗實例”、“低碳鋼變形度—再結晶—熱處理對顯微組織與硬度的影響”共2個研究性和綜合性實驗，通過綜合性實驗的設置，使學生熟練掌握材料的系統分析方法以及材料的成分-工藝-組織-性能的內在關系。

表1 《材料科學與工程綜合實驗》課程設置調整實驗項目Table 1 The experimental project adjustments of Comprehensive Experiments of Material Science and Engineering

2.2 教學方式改革

(1)從工程上的實例出發，比如我國東北礦山用的進口大型機械，在冬季出現過低溫脆性引起的大梁、車架斷裂等斷裂現象；日本汽車在東北冬季出現過低溫脆斷問題等。1912 年4月14日晚，著名“泰坦尼克號”沉沒事故分析表明：工程師為了增加鋼的強度而添加了大量的硫化物，鋼鐵含硫量高增加了鋼鐵的強度，但是含硫量過高使材料的質地松脆，就像陶瓷，特別是低溫呈現脆性，即在-40～0 ℃的溫度下，船體鋼會變脆。在當時的低溫環境下航行時，鋼材由韌性變成脆性，這使得在冰山的撞擊中船體鋼發生了災難性的“脆性斷裂”。此外，在固定船殼鋼板的鉚釘里含有很多玻璃狀渣粒，使得鉚釘異常脆弱、很容易斷裂。因此，在冰山的撞擊下，可能是鉚釘斷裂導致船體解體。因此，可以說這一場悲劇可能是由于當時鋼鐵業的技術缺陷問題所導致的[7]。

(2)探索傳統課程實驗與仿真實驗相結合的實踐教學模式，豐富實驗課程，增加課程趣味性，并實現“線上”“線下”共同教學。仿真實驗可以進行高低溫沖擊實驗(-196～350 ℃)，用來測試產品在周圍大氣溫度急劇變化時候的適應性以及被破壞性。使實踐教學不在拘泥于傳統實驗室，不受時間、地點、硬件措施的限制。

(3)建立實驗課程群組，分享相關的優秀線上教學資源和知名大學的開放視頻資源，引導學生利用網絡平臺對實驗理論知識進行預習。在實驗教學過程中根據學生的情況適當地進行拓展，使學生更加方便地掌握知識。

2.3 建立能力導向型實踐教學體系

教學過程中注重理論知識的綜合運用，將實驗內容嵌入科研項目，發揮學生的主觀能動性，提高工程意識、團隊精神和材料知識綜合運用的能力。35MnBM圓鋼的淬透性非常好，是鏈軌節的常用原材料，廣泛用于挖掘機、推土機等各種大型工程機械和坦克等軍工機械所用履帶中鏈軌節的生產。這些設備工作環境惡劣，需要承受很大的交變載荷和沖擊，因此工程上要求鏈軌節必須具備良好的組織結構和機械性能[8]。本實驗課程根據案例“某公司生產的履帶鏈軌節用35MnBM圓鋼為例，分析其產品的低溫沖擊韌性過低，影響銷售和生產的原因”，形成以具體科研生產任務為依托，嵌入基礎理論知識的課外實踐教學模式[9]。材料的沖擊力學行為與其晶體結構、成分、微觀組織、外界條件變化等密切相關。教師帶領學生通過化學成分分析、金相組織檢測、微觀硬度檢測、掃描電鏡分析等方法，積極動手參與各項實驗的開展，分析該產品低溫沖擊性能過低的原因，并提出對應的解決措施。主要涉及幾個實驗：

(1)低溫沖擊性能測試；

(2)化學成分分析：用X射線衍射方法分析化學成分及非金屬夾雜物的結構類型等；

(3)金相組織檢測；取樣檢驗金相組織，經過磨樣、拋光及3%硝酸酒精腐蝕后，用金相顯微鏡進行微觀組織觀察；

(4)微觀硬度檢測：用微觀維氏硬度計進行不同部位的微觀硬度檢測；

(5)晶粒度檢驗：測試產品的奧氏體晶粒度尺寸是否滿足鏈軌節的晶粒度標準要求；

(6)斷口分析：用掃描電子顯微鏡觀察鏈軌節的沖擊斷口形貌，判斷其斷口是否韌性斷裂的韌窩形態還是準解理斷裂的脆斷特征。

基于以上系統的實驗分析方法，查閱相關文獻，得出鏈軌節低溫沖擊韌性過低的主要原因并提出改善其低溫韌性的方法。在整個實驗過程中，以學生為主體，實驗由3～5人結合成實驗小組，小組成員在查閱文獻、實驗方案的設計、實驗材料的購買、金相試樣的制備、性能測試與分析等過程進行溝通和討論、分工協作共同完成。案例式教學使學生既掌握了基本的實驗理論知識，同時培養了學生的實踐能力、創新能力和團隊協作能力。這一案例使學生對“低溫脆性”問題有了非常深刻的理解，對材料科學與工程綜合實驗課程教學效果起到了明顯的改善作用。

2.4 建立過程學習的評價體系

考核方式由操作技能、實踐能力和實驗報告三方面組成。在驗證性實驗過程中對每位同學的實驗操作水平進行評分，督促學生改進儀器操作技能。在案例式實驗教學中加大對學生實踐能力的考核，包括文獻查閱、實驗方案設計、準備實驗材料、整理分析實驗數據等，學生完成實驗后可自由發揮撰寫實驗報告。教師也能從過程考核中找出學生學習過程中存在的問題，改進教學方法。通過對不同類型的實驗進行科學合理的考核方式，給優秀的學生提供充分發揮的空間，激發學生的學習興趣。

3 結 語

為了滿足現代社會對“新工科”人才的需求，針對傳統材料科學與工程綜合實驗教學中存在的問題，本文主要從課程設置、教學方法、能力導向型實踐教學體系的建立、建立過程學習的評價體系四個方面進行改革。在教學環節中引入綜合性創新型實驗；從材料學發展史的角度，引入人文科學素養培養模式，增強學生的工程職業道德和社會責任感；教學過程中通過科研實踐問題的分析、實驗方案的設計、動手操作等環節，提高學生主動學習、團隊合作意識、利用實驗技術和理論知識相結合解決實際工程問題的能力等。另一方面，增強材料科學與工程基礎實驗與現有材料科學研究前沿的聯系，對培養創新型復合材料專業人才發揮了重要作用。