趙曉華，王 雙，周 明

(江蘇大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

深入學(xué)習(xí)貫徹習(xí)近平新時(shí)代中國(guó)特色社會(huì)主義思想和黨的十九大精神，教育部2018年首批認(rèn)定612個(gè)“新工科”研究與實(shí)踐項(xiàng)目，系統(tǒng)推動(dòng)和引領(lǐng)高等教育深層次改革[1-2]。提高學(xué)生對(duì)工程背景和工程實(shí)踐的清晰認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問題能力是新工科建設(shè)發(fā)展的根本需求，也是培養(yǎng)復(fù)合材料與工程專業(yè)優(yōu)秀人才的重要方法。在工科人才培養(yǎng)中，實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生工程能力和工程素養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)[3-6]。材料科學(xué)與工程綜合實(shí)驗(yàn)是材料類專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，其任務(wù)是讓學(xué)生掌握材料科學(xué)與工程專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，加深對(duì)專業(yè)理論知識(shí)的理解和掌握，提高分析和解決實(shí)際問題的能力。教學(xué)效果將直接影響學(xué)生對(duì)“材料科學(xué)基礎(chǔ)”、“材料力學(xué)性能”、“材料物理性能”等專業(yè)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)質(zhì)量。在國(guó)家新工科建設(shè)的指導(dǎo)下，材料科學(xué)與工程綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要更好地融入“需求為導(dǎo)向，培養(yǎng)應(yīng)用型復(fù)合人才”的新工科建設(shè)。

1 材料科學(xué)與工程綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的不足

1.1 實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置過于獨(dú)立

現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容設(shè)計(jì)單一，實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置過于獨(dú)立，實(shí)驗(yàn)大多圍繞理論教學(xué)某個(gè)知識(shí)點(diǎn)展開，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之間沒有承前啟后，且與其他專業(yè)實(shí)驗(yàn)的橫向聯(lián)系較少，缺乏對(duì)學(xué)生所學(xué)知識(shí)進(jìn)行融會(huì)貫通能力的培養(yǎng)。同時(shí)缺乏綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)。學(xué)生僅僅完成某個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)，缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的總體認(rèn)識(shí)，不利于學(xué)生科學(xué)思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

1.2 教學(xué)方式陳舊

本課程的內(nèi)容大部分為單一的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，沒有引入開發(fā)和設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，基本只注重理論知識(shí)的講授和典型材料性能的驗(yàn)證分析，難以適應(yīng)復(fù)雜的工程實(shí)際。例如，對(duì)于材料的沖擊實(shí)驗(yàn)，只開展了低碳鋼和鑄鐵的常溫沖擊實(shí)驗(yàn)，其他材料如陶瓷材料、新型復(fù)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(cè)試實(shí)驗(yàn)中并沒有與現(xiàn)實(shí)工程實(shí)踐很好地結(jié)合起來(lái)。因此，學(xué)生在課堂上學(xué)到的實(shí)驗(yàn)知識(shí)與實(shí)際工程問題聯(lián)系不緊密，難以實(shí)現(xiàn)理想的教學(xué)效果。

1.3 考核方式單一

本課程的考核方式主要包括學(xué)生操作表現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告，以實(shí)驗(yàn)報(bào)告為主要參考依據(jù)，導(dǎo)致一些同學(xué)相互抄襲實(shí)驗(yàn)報(bào)告。這樣的考核方式在一定程度上抑制了學(xué)生主動(dòng)參與實(shí)驗(yàn)的積極性，很難對(duì)學(xué)生分析問題、解決問題的能力進(jìn)行綜合考評(píng)。因此，需要采取更加全面的過程評(píng)價(jià)考核方式對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)踐創(chuàng)新能力。

2 新工科背景下實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的主要措施

本文針對(duì)材料科學(xué)與工程綜合實(shí)驗(yàn)課程中存在的問題，從課程設(shè)置、教學(xué)方法和考核方式等方面進(jìn)行優(yōu)化，為“材料科學(xué)與工程綜合實(shí)驗(yàn)”課程的教學(xué)改革提供新思路。

2.1 調(diào)整課程設(shè)置

減少驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)課時(shí)，增加創(chuàng)新型綜合實(shí)驗(yàn)課時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)上盡量做到相關(guān)聯(lián)系、環(huán)環(huán)相扣。比如材料力學(xué)性能的很多知識(shí)點(diǎn)都可以通過具體的工程案例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和分析。通過這些實(shí)際案例分析，給學(xué)生建立清晰的工程目標(biāo)，有理由提高學(xué)生分析和解決實(shí)際工程問題的能力。本課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置調(diào)整見表1，打破原有的沖擊韌度測(cè)定、金相技能基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)等單獨(dú)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的局限性，設(shè)置“35MnBM圓鋼沖擊試驗(yàn)實(shí)例”、“低碳鋼變形度—再結(jié)晶—熱處理對(duì)顯微組織與硬度的影響”共2個(gè)研究性和綜合性實(shí)驗(yàn)，通過綜合性實(shí)驗(yàn)的設(shè)置，使學(xué)生熟練掌握材料的系統(tǒng)分析方法以及材料的成分-工藝-組織-性能的內(nèi)在關(guān)系。

表1 《材料科學(xué)與工程綜合實(shí)驗(yàn)》課程設(shè)置調(diào)整實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目Table 1 The experimental project adjustments of Comprehensive Experiments of Material Science and Engineering

2.2 教學(xué)方式改革

(1)從工程上的實(shí)例出發(fā)，比如我國(guó)東北礦山用的進(jìn)口大型機(jī)械，在冬季出現(xiàn)過低溫脆性引起的大梁、車架斷裂等斷裂現(xiàn)象；日本汽車在東北冬季出現(xiàn)過低溫脆斷問題等。1912 年4月14日晚，著名“泰坦尼克號(hào)”沉沒事故分析表明：工程師為了增加鋼的強(qiáng)度而添加了大量的硫化物，鋼鐵含硫量高增加了鋼鐵的強(qiáng)度，但是含硫量過高使材料的質(zhì)地松脆，就像陶瓷，特別是低溫呈現(xiàn)脆性，即在-40～0 ℃的溫度下，船體鋼會(huì)變脆。在當(dāng)時(shí)的低溫環(huán)境下航行時(shí)，鋼材由韌性變成脆性，這使得在冰山的撞擊中船體鋼發(fā)生了災(zāi)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(dǎo)致船體解體。因此，可以說(shuō)這一場(chǎng)悲劇可能是由于當(dāng)時(shí)鋼鐵業(yè)的技術(shù)缺陷問題所導(dǎo)致的[7]。

(2)探索傳統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)與仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)模式，豐富實(shí)驗(yàn)課程，增加課程趣味性，并實(shí)現(xiàn)“線上”“線下”共同教學(xué)。仿真實(shí)驗(yàn)可以進(jìn)行高低溫沖擊實(shí)驗(yàn)(-196～350 ℃)，用來(lái)測(cè)試產(chǎn)品在周圍大氣溫度急劇變化時(shí)候的適應(yīng)性以及被破壞性。使實(shí)踐教學(xué)不在拘泥于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，不受時(shí)間、地點(diǎn)、硬件措施的限制。

(3)建立實(shí)驗(yàn)課程群組，分享相關(guān)的優(yōu)秀線上教學(xué)資源和知名大學(xué)的開放視頻資源，引導(dǎo)學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)對(duì)實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)進(jìn)行預(yù)習(xí)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中根據(jù)學(xué)生的情況適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行拓展，使學(xué)生更加方便地掌握知識(shí)。

2.3 建立能力導(dǎo)向型實(shí)踐教學(xué)體系

教學(xué)過程中注重理論知識(shí)的綜合運(yùn)用，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容嵌入科研項(xiàng)目，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，提高工程意識(shí)、團(tuán)隊(duì)精神和材料知識(shí)綜合運(yùn)用的能力。35MnBM圓鋼的淬透性非常好，是鏈軌節(jié)的常用原材料，廣泛用于挖掘機(jī)、推土機(jī)等各種大型工程機(jī)械和坦克等軍工機(jī)械所用履帶中鏈軌節(jié)的生產(chǎn)。這些設(shè)備工作環(huán)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(jié)必須具備良好的組織結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能[8]。本實(shí)驗(yàn)課程根據(jù)案例“某公司生產(chǎn)的履帶鏈軌節(jié)用35MnBM圓鋼為例，分析其產(chǎn)品的低溫沖擊韌性過低，影響銷售和生產(chǎn)的原因”，形成以具體科研生產(chǎn)任務(wù)為依托，嵌入基礎(chǔ)理論知識(shí)的課外實(shí)踐教學(xué)模式[9]。材料的沖擊力學(xué)行為與其晶體結(jié)構(gòu)、成分、微觀組織、外界條件變化等密切相關(guān)。教師帶領(lǐng)學(xué)生通過化學(xué)成分分析、金相組織檢測(cè)、微觀硬度檢測(cè)、掃描電鏡分析等方法，積極動(dòng)手參與各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的開展，分析該產(chǎn)品低溫沖擊性能過低的原因，并提出對(duì)應(yīng)的解決措施。主要涉及幾個(gè)實(shí)驗(yàn)：

(1)低溫沖擊性能測(cè)試；

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

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

(4)微觀硬度檢測(cè)：用微觀維氏硬度計(jì)進(jìn)行不同部位的微觀硬度檢測(cè)；

(5)晶粒度檢驗(yàn)：測(cè)試產(chǎn)品的奧氏體晶粒度尺寸是否滿足鏈軌節(jié)的晶粒度標(biāo)準(zhǔn)要求；

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

基于以上系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)分析方法，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，得出鏈軌節(jié)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(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，以學(xué)生為主體，實(shí)驗(yàn)由3～5人結(jié)合成實(shí)驗(yàn)小組，小組成員在查閱文獻(xiàn)、實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)材料的購(gòu)買、金相試樣的制備、性能測(cè)試與分析等過程進(jìn)行溝通和討論、分工協(xié)作共同完成。案例式教學(xué)使學(xué)生既掌握了基本的實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)，同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。這一案例使學(xué)生對(duì)“低溫脆性”問題有了非常深刻的理解，對(duì)材料科學(xué)與工程綜合實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)效果起到了明顯的改善作用。

2.4 建立過程學(xué)習(xí)的評(píng)價(jià)體系

考核方式由操作技能、實(shí)踐能力和實(shí)驗(yàn)報(bào)告三方面組成。在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)每位同學(xué)的實(shí)驗(yàn)操作水平進(jìn)行評(píng)分，督促學(xué)生改進(jìn)儀器操作技能。在案例式實(shí)驗(yàn)教學(xué)中加大對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的考核，包括文獻(xiàn)查閱、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)材料、整理分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等，學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后可自由發(fā)揮撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。教師也能從過程考核中找出學(xué)生學(xué)習(xí)過程中存在的問題，改進(jìn)教學(xué)方法。通過對(duì)不同類型的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行科學(xué)合理的考核方式，給優(yōu)秀的學(xué)生提供充分發(fā)揮的空間，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3 結(jié) 語(yǔ)

為了滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)“新工科”人才的需求，針對(duì)傳統(tǒng)材料科學(xué)與工程綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，本文主要從課程設(shè)置、教學(xué)方法、能力導(dǎo)向型實(shí)踐教學(xué)體系的建立、建立過程學(xué)習(xí)的評(píng)價(jià)體系四個(gè)方面進(jìn)行改革。在教學(xué)環(huán)節(jié)中引入綜合性創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)；從材料學(xué)發(fā)展史的角度，引入人文科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)模式，增強(qiáng)學(xué)生的工程職業(yè)道德和社會(huì)責(zé)任感；教學(xué)過程中通過科研實(shí)踐問題的分析、實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、動(dòng)手操作等環(huán)節(jié)，提高學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)、利用實(shí)驗(yàn)技術(shù)和理論知識(shí)相結(jié)合解決實(shí)際工程問題的能力等。另一方面，增強(qiáng)材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)有材料科學(xué)研究前沿的聯(lián)系，對(duì)培養(yǎng)創(chuàng)新型復(fù)合材料專業(yè)人才發(fā)揮了重要作用。