“工程材料”课程综合实验教学创新与设计

 
摘  要：教学方法创新是提高教育质量的需要，是培养创新型人才的关键。“工程材料”是高等工科院校机械专业必修的专业基础课，也是一门实践性较强的课程，材料-结构-性能-加工工艺是这门课程的主要脉络。依据“工程材料”的教学内容，结合目前金属材料研究热点，应用科学研究的基本方法和实验手段，通过合理的实验设计展现材料结构、性能以及加工工艺之间的关系。通过开展研究性实验课程，加深学生对材料力学性能和组织结构关系的理解，提高学生动手能力、激发学生学习兴趣，促进学生的创新思维发展，达到培养创新型人才的目的。
关键词：综合实验教学；工程材料实验室建设；创新机制；人才培养

0  引言

工程材料是指应用于工程构件、机械零件、工具等领域的物质，包括金属、高分子、陶瓷及复合材料，其中最基本的是金属材料^[1]。自1863年金相学诞生以来，科研人员将材料的微观组织与宏观性能相结合，从而更深入认识材料。随着科技的高速发展，金相组织观察和力学性能测试方法在高校均已普及。随着机械工业的发展，在产品的设计与制造过程中，对材料性能的要求也越来越高。因此，机械工程技术人员需要掌握必要的材料科学与材料工程知识，具备正确选择材料和加工方法、合理安排加工工艺路线的能力^[2]。“工程材料”课程主要讲述材料的性能、组织结构及其加工工艺之间的关系，是高等工科院校机械类专业必修的专业技术基础课，属于机械制造基础系列课程之一。通过对工程材料基础知识的学习，学生可在工程结构、机械零件的设计和制造过程中合理选用材料与加工工艺，解决实际问题^[3]。为拓展学生知识面，加强学生对基本工程材料的认识，提高其实践动手能力，培养创新型人才，教师对该课程的教学方法、课程实验等提出了大量改革方案和改进措施^[4]。
随着中国经济的腾飞，国家对创新型人才培养的要求也越来越高，创新教育已成为高等教育在新时期发展的必经之路。在创新的基础上，教学与科学研究相结合引领的教学改革得到大量研究与探索^[5]。国内教育家也意识到本科院校教学与科研相统一的重要性，提出一系列教学改进措施：清华大学推出学生研究训练计划；华中科技大学推行教改实践；杭州电子科技大学将物理教学与科学研究相结合。德国、美国、英国等教育家都对大学教学与科研的关系进行了大量研究^[6]。德国著名高等教育家洪堡认为大学是带有研究性质的机构，提出教学与科研相统一的思想。为了更好的推行科研与教学的统一，培养学生的科研创新能力，德国柏林大学最初建立了研讨制；美国杜克大学、斯坦福大学等开设“习明纳”课程；麻省理工大学、伯克利大学以及华盛顿大学等都开展了本科生研究项目。将创新性科学研究工作引入课堂教学是促进大学生创造性思维和创新的重要过程。

1  实验方案

“工程材料”是一门实践性较强的课程，与社会生产实际以及科学研究息息相关，教学过程中注重教学与科研相结合，以培养创新型人才为目的。本课程教学大纲中安排两次实验课：淬火、回火钢的硬度测试及分析，两学时；碳钢、合金钢、铸铁组织观察，两学时。实验内容涵盖了加工工艺对金属材料组织和材料力学性能的影响，充分体现成分、结构与加工工艺之间的关系，加深学生对材料以及材料性能的理解。为了充分展示工程材料成分、结构和性能三者之间的关系，激发学生学习兴趣，培养学生创新能力，加强工程材料课程的实践意义，有必要结合研究项目和生产需求设计综合性创新实验。该实验对于提高该课程的实践性以及学生的动手操作能力和创新思维能力有重要意义和参考价值。
本文中创新性综合实验采用DP590和DP780双相钢成分的铸件，通过改变热处理加工工艺，观察和研究双相钢的成分、结构、加工工艺以及硬度之间的关系。双相钢由软相（铁素体）和硬相（马氏体）组成。一般双相钢中马氏体呈岛状分布在铁素体中，起到增加钢强度的作用，而铁素体则主要对材料塑性起到作用。双相钢以强度高，塑性好等优异的综合力学性能而受到各大汽车制造商的青睐，现已广泛应用于现代汽车制造业中。车身结构用钢采用双相钢能够减轻车身质量，降低油耗，增大车身结构的抗凹陷能力。按照强度级别，双相钢可用于车身外部面板，车盖板，车顶内板，门外部面板，行李盖板，撞击横梁，保险杠，以及钢筋等。因此本实验以双相钢材料为主，应用金相显微镜和显微硬度计观察并测试铁素体、马氏体、贝氏体的组织及其硬度。同时引导学生分析马氏体含量与宏观硬度与双相钢成分、热处理温度、保温时间等的关系，分析如何合理选用材料成分与热处理加工工艺以达到更好的力学性能指标。
在教学过程中，鼓励学生参与到实验方案的制定，成分的选择，热处理工艺的确定，以及后期实验课程中金相试样的切割、镶嵌、磨抛、腐蚀和显微硬度测试等过程中。汇总分析影响双相钢成分、结构、综合力学性能的因素，使学生明确铁碳合金相图使用方法、热处理工艺方案确定、微观组织结构观察和显微硬度测试这四部分内容以及他们之间的相互关系，通过本实验课程的学习，达到能够自行选择合理的材料和加工工艺的要求。在讲述材料性能、材料结构、材料凝固、铁碳相图以及热处理章节后，将班级学生分组，给出工业用钢DP590和DP780成分特点，根据碳含量，应用铁碳相图确定双相钢组织形成的热处理温度范围，制定热处理温度（对应铁素体、马氏体成分）以及冷却方式（炉冷、空冷、油冷）的工艺路线。每个小组根据材料成分以及实验测试内容设计：材料成分、淬火方式、热处理温度、组织结构和显微硬度表格，以备实验测试时填写。该实验准备过程作为习题课形式进行，用时2课时。该过程对于学生充分掌握并运用所学知识进行设计实验方案具有重要作用，同时促进学生对“工程材料”课程内容的整体把握。

2  实验安排

2.1  热处理加工

将实验方案和表格填写好后，开展实验课，总计4课时。针对不同的加工工艺要求应用箱式炉对样品进行处理，填写表格，并在样品上做标记和记录（学生确定加工工艺路线后，该过程可由教师准备，指定几位学生作为助手）。热处理路线例图如图1所示。（实际加工方案按照教师学生一起设定的表格进行）：

2.2  金相试样制备与组织观察

样品经过热处理后进行金相试样制备和金相组织观察，该过程包括试样切割、镶样、磨抛和腐蚀，在金相试样准备过程中，教师全程指导并给出样品制备过程中需要注意的问题和解决方案。样品准备好后，上金相显微镜观察，选择较好试样进行拍摄。学生任务：根据金相组织，应用网格法计算金相组织中马氏体含量，并分析马氏体含量与热处理温度以及相图之间的关系。学生实验报告需要给出不同热处理条件下试样金相组织图以及马氏体成分随临界淬火温度的变化情况，如图2所示（示例）。分析并归纳加工工艺对金相组织的影响，以及临界淬火温度选择方法。

2.3  硬度测试

选择几种金相试样进行宏观和显微硬度测试。应用洛氏或布氏硬度计测量试样宏观硬度。通过显微组织观察，选取合适载荷，测量不同区域（铁素体、马氏体、贝氏体）的显微硬度值。通过实验，得到试样宏观硬度以及铁素体和马氏体的显微硬度随临界退火温度的变化关系，该实验示例如图3所示。通过该实验，学生可以进一步明确材料组织结构与硬度之间的关系。加深对双相钢独特力学性能和应用的理解；通过掌握的现有知识，设计材料加工工艺，得到优异性能的材料。 试样准备两课时，金相组织观察与硬度测试两课时。实验过程中统一制定实验时间，提高实验课效率，及时指导学生的实验过程。实验课程结束后，由学生自主完成实验结果的分析，并在课堂教学过程中讨论实验结果。引导学生思考材料性能-结构-加工工艺间的密切关系，提高解决实际问题的能力。

3  实验效果

结合“工程材料”的基本内容和“物理模拟薄带连铸法生产双相钢”项目，对该课程教纲中的实验进行了创新。在该实验课程中对学生提出了四点要求：
（1）查找资料，综述双相钢性能、加工工艺以及用途。提高学生查阅资料的能力，练习今后从事生产和科研的基本功。
（2）熟悉热处理章节材料加热温度以及临界退火温度的选择方案，能够初步根据铁碳合金相图标出铁素体-马氏体-奥氏体转变温度区间，并对马氏体成分含量进行预测。提高学生使用合金相图分析相变的能力，能够由相图得出马氏体含量及其对应的含碳量。
（3）熟悉并掌握金相试样的制备过程，学会如何制作表格及作图。对每个试样做好标记，以免混淆，加强学生的认真负责的态度，提高学生动手操作能力，保证自行制备试样的可观察性。
（4）测试阶段，学会使用金相显微镜，观察试样的金相组织，应用网格法计算金相组织各相的含量。测量试样的宏观和微观硬度，了解硬度测量定义和应用范围，有效分析测量结果并画图。鼓励学生思考微观硬度测试过程中相边界的影响，进而了解双相钢优异性能的原因。
通过这四点要求和试验结果的分析，本实验教学预期效果有以下几点：
（1）激发学生的学习兴趣。在教学过程中发现理工科学生思维活跃，创新性很强。授课过程中将科学研究前言、科技发展状况穿插讲述时引起学生的浓厚兴趣。由于学生在高中及其以前的学习阶段，主要接触书本知识的学习，对于生活生产中的物质的来源知之甚少，在启发教学下，学生逐渐对身边物质的来源及其生产过程产生兴趣。双相钢是目前在汽车行业、建筑行业应用广泛的一种金属材料。将工程材料课堂实验与双相钢相关的科学研究相结合，利用目前机械学院拥有的管式炉、箱式炉、恒温箱、磨抛机、金相显微镜、洛氏硬度计以及显微硬度计等，为学生提供科学研究方法以及实验平台，有效拓展学生思维方式，培养高质量学生。
（2）将实验结果引入课堂，引导学生对工程材料基本知识进行运用，掌握数据处理及问题分析方法，深刻理解性能、结构与加工工艺之间的关系，培养学生的社会实践技能，提高教学质量。加深学生对理论知识的理解，参与科研实践，掌握实验技能技巧。培养了学生实事求是的科学态度和作风，充分发挥学生主观能动性和创造性。通过师生之间探讨，合作实验，学生学习到教师的行为方式、学术道德与职业道德。将科研成果引入课堂教学，丰富了课堂教学内容，改进了教学方法，提高了学生学习的积极性，培养了学生运用所学理论知识分析问题，解决问题的能力。
（3）对教师的教学手段和教学内容具有促进作用。在进行教学实验安排的过程中，教师更加熟练的运用教学内容，并对于如何提高教学效率，培养创新型人才有了充分认识和实践经验。在该过程中积极申请教改项目，并在此过程中利用创新性实验反馈内容充实教学和科研工作。

4  结论

在传授理论知识的基础上，引导学生利用已有知识和当前研究热点进行初步科学研究的创新工作。利用课程实验环节培养学生解决问题的能力，激发学生的学习和研究兴趣。同时，教学与科研相结合的创新性教学过程中，实验课程的设计与选题对教师提出了较高的要求，需要多接触实际工作，有一定的科研做支撑，同时要考虑学生的接受能力。本文中实验方案是结合作者研究课题，设计的综合性实验。在实施过程中，需要注意课堂教学与实验教学的配合，在实验中穿插加工工艺选择方法等集中讲解，以及磨抛实验中的个别指导等。教学难度增大，但教学效果显著。所教的第一批学生对工程材料课程了解更加深刻，同时对相关研究工作产生浓厚的兴趣，积极申请大学生创新项目以及科研小助手的工作。

参考文献

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[2]    林文松，何亮，刘延辉．基于“卓越工程师培养计划”的工程材料课程实验教学改革[J]．实验技术与管理，2012（29）：20-22．
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