張小立 徐玉松 金云學(xué) 張 超 秦 亮

江蘇科技大學(xué)蘇州理工學(xué)院冶金與材料工程學(xué)院 江蘇張家港 215600

應(yīng)用型本科院校，是一種以應(yīng)用型人才培養(yǎng)為主要任務(wù)和目標(biāo)的辦學(xué)層次[1]，其培養(yǎng)的應(yīng)用型人才是能夠?qū)⒖茖W(xué)理論轉(zhuǎn)化為可操作應(yīng)用的工程方案或設(shè)計(jì)圖紙的人才[2]。而具有工程意識(shí)是實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)化的最重要和最基本的素質(zhì)之一，同時(shí)也是高等院校工程教育的薄弱環(huán)節(jié)[3]。工程實(shí)踐是培養(yǎng)學(xué)生工程意識(shí)的唯一途徑，同時(shí)也是孕育創(chuàng)新能力的基礎(chǔ)。

江蘇科技大學(xué)蘇州理工學(xué)院位于蘇南新興工業(yè)城市張家港市，是一所地方性應(yīng)用型本科院校，依托地方制造業(yè)優(yōu)勢，材料加工專業(yè)實(shí)行三年完成本科理論教學(xué)和一年工程實(shí)踐的“3+1”教學(xué)模式。作為材料加工工程專業(yè)的基礎(chǔ)平臺(tái)課程金屬學(xué)原理是基于人類認(rèn)識(shí)、使用和研究金屬材料所積累的信息所形成的一門跨領(lǐng)域、系統(tǒng)性發(fā)展的學(xué)科，其相關(guān)知識(shí)來源于實(shí)踐、應(yīng)用于實(shí)踐并在實(shí)踐中得到發(fā)展。結(jié)合金屬學(xué)原理課程特點(diǎn)和現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式、時(shí)間以及內(nèi)容等方面進(jìn)行改革和探索，以期培養(yǎng)學(xué)生基礎(chǔ)性的工程意識(shí)：材料科學(xué)的基本素養(yǎng)和材料工程的基本認(rèn)知，具有專業(yè)興趣和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 金屬學(xué)原理教學(xué)現(xiàn)狀

金屬學(xué)原理作為材料科學(xué)與工程專業(yè)的基礎(chǔ)課程，以學(xué)習(xí)金屬材料的基礎(chǔ)知識(shí)為目的，從材料的成分由相圖和金相分析其平衡態(tài)組織，揭示材料結(jié)構(gòu)與性能的內(nèi)在聯(lián)系及規(guī)律，為認(rèn)識(shí)和改進(jìn)材料的性能提供必備的基礎(chǔ)知識(shí)[4]。課程由3個(gè)模塊組成(如圖1所示)。第一模塊是基礎(chǔ)理論，講授56學(xué)時(shí)，其中實(shí)驗(yàn)課時(shí)為12學(xué)時(shí)；第二模塊為鋼的熱處理原理和工藝，講授32學(xué)時(shí)，其中實(shí)驗(yàn)課時(shí)為6學(xué)時(shí)；第三模塊為金屬材料學(xué)，講授16學(xué)時(shí)，一般與熱處理模塊同一學(xué)期授課。理論教學(xué)上教師照本宣科，學(xué)生也較難接受，很難引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。目前的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)置僅僅是讓學(xué)生了解較為基礎(chǔ)的名詞概念等，而對(duì)專業(yè)由感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)需要一段豐富的實(shí)踐過程。

第一模塊的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)課時(shí)設(shè)置為12學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括NH4Cl結(jié)晶過程觀察、金相顯微鏡的構(gòu)造和使用、典型碳鋼的試樣制備與金相組織觀察、塑性變形金屬和再結(jié)晶組織觀察等；第二模塊的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)為6學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括碳鋼各種熱處理工藝、微觀組織及硬度測試等。原有實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)置具有重復(fù)性和陳舊性[4]，學(xué)生僅僅是對(duì)試樣的觀察和分析，并不知曉其歷史過程，因此對(duì)材料加工工藝與組織和性能之間的關(guān)系無法銜接。鋼的加工在宏觀上其實(shí)是“熱”的施加歷史，或同時(shí)伴以“力”的復(fù)合作用。目前的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)僅僅是輔助學(xué)生理解相和組織以及與成分之間的關(guān)系，體現(xiàn)了材料科學(xué)的部分內(nèi)涵，無法體現(xiàn)工程應(yīng)用性。

圖1 金屬學(xué)原理課程原有設(shè)置

綜上，金屬學(xué)原理是一門極富理論性、實(shí)踐性和工程應(yīng)用性的課程，為達(dá)到應(yīng)用型本科院校培養(yǎng)目的，更好地培養(yǎng)學(xué)生工程意識(shí)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中做出了初步改革和實(shí)踐探索。

2 改革措施

2.1 教學(xué)模式

面向工程技術(shù)發(fā)展和終身教育的需要，蘇州理工學(xué)院材料加工專業(yè)“3+1”教學(xué)模式[6]中實(shí)踐環(huán)節(jié)是將理論知識(shí)轉(zhuǎn)變成自身科技能力的必要過程。金屬學(xué)原理是材料對(duì)加工專業(yè)的支柱性課程，利用學(xué)分制的靈活性，將原有課內(nèi)實(shí)驗(yàn)性教學(xué)改變?yōu)閷?shí)踐課程，與理論教學(xué)并重，根據(jù)課程內(nèi)容分段教學(xué)，教學(xué)學(xué)分為4分，總課時(shí)為4周，相當(dāng)于64學(xué)時(shí)，其中3周為必修課時(shí)，1周作為選修課時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間安排與理論教學(xué)內(nèi)容相配合。

2.2 教學(xué)內(nèi)容

金屬學(xué)原理課程教學(xué)由理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)兩個(gè)部分組成(如圖2所示)。理論教學(xué)中“三元相圖”部分作為選修課程，為準(zhǔn)備讀研同學(xué)設(shè)置，授課24學(xué)時(shí)，原有“材料學(xué)”模塊納入金屬材料學(xué)課程中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的基礎(chǔ)技能“顯微鏡構(gòu)造與使用”在近代材料分析方法課內(nèi)實(shí)驗(yàn)中學(xué)習(xí)。實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容以鐵碳合金為材料，以“熱”作為關(guān)鍵外因，通過改變物質(zhì)的體系自由能達(dá)到“相”變 和“組織”的形成，從而得到相應(yīng)的材料力學(xué)性能；現(xiàn)代鋼鐵加工過程中，基本都是在“外力”作用下成形并提高力學(xué)性能；因此，實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容基本上是圍繞“熱”為主、“力”為輔對(duì)鐵碳合金的作用進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

圖2 金屬學(xué)原理課程內(nèi)容構(gòu)成

(1)導(dǎo)入性實(shí)驗(yàn)：課時(shí)為8學(xué)時(shí)，作為本課程的“緒論”傳授；主要包括錄像教學(xué)《鋼鐵是怎樣煉成的》和鋼鐵熔鑄實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括：砂型兩箱造型、多種成分的碳素鋼和鑄鐵的配比計(jì)算、熔煉和澆鑄實(shí)驗(yàn)、冷卻曲線測試。

教學(xué)目的：認(rèn)識(shí)和熟悉中頻感應(yīng)爐熔煉設(shè)備，了解砂型造型、合金熔煉和澆注過程，在冷卻過程中鑄坯不同部位溫度的變化和熱量傳輸方向。

(2)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)：課時(shí)為16學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分別和基礎(chǔ)理論與熱處理教學(xué)內(nèi)容相對(duì)應(yīng)，包括鑄坯宏觀組織觀察；不同成分鐵碳合金的微觀組織觀察；塑性變形及再結(jié)晶組織觀察； 鋼“四把火”熱處理實(shí)驗(yàn)：工藝過程、工藝參數(shù)與微觀組織和性能的測試和分析；鋼的滲碳、滲氮表面熱處理試驗(yàn)等。

教學(xué)目的：促進(jìn)學(xué)生對(duì)相、組織和固態(tài)相變等基礎(chǔ)概念的理解，物質(zhì)的相組成和組織結(jié)構(gòu)之間的區(qū)別和聯(lián)系；學(xué)生根據(jù)導(dǎo)入性實(shí)驗(yàn)中自己所獲得的材料進(jìn)行試樣制備、宏觀和微觀組織觀察和分析，邏輯分析成分、組織以及加工工藝(鑄造、拉拔、軋制及熱處理)之間的關(guān)系等。

(3)綜合性實(shí)驗(yàn)：課時(shí)為8學(xué)時(shí)，“熱”和“力”對(duì)碳素鋼組織和性能影響的綜合性實(shí)驗(yàn)，主要內(nèi)容是碳鋼在不同熱加工條件下金相組織觀察試驗(yàn)、力學(xué)性能測試等；熱加工條件包括鑄態(tài)、焊態(tài)、熱軋狀態(tài)、熱軋退火態(tài)、調(diào)質(zhì)態(tài)等。

教學(xué)目的：培養(yǎng)學(xué)生材料的工程應(yīng)用基礎(chǔ)能力，了解常見熱加工組織對(duì)碳鋼性能的影響，知曉提高材料力學(xué)性能的一些常用方法。

(4)工程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：教學(xué)課時(shí)為16學(xué)時(shí)，根據(jù)常用零件的服役條件選擇鐵碳合金成分、加工工藝等，主要內(nèi)容包括查閱資料、擬定加工路線、制定工藝規(guī)程等；常用零件包括連桿、傳動(dòng)軸、齒輪以及減速箱體等。

教學(xué)目的：由學(xué)生自己查閱資料、制定實(shí)驗(yàn)方案和步驟，促使學(xué)生具有初步的專業(yè)工程實(shí)踐意識(shí)；增強(qiáng)學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)積極性與主動(dòng)性，提高動(dòng)手能力。

(5)研究性實(shí)驗(yàn)：教學(xué)課時(shí)為16學(xué)時(shí)，作為大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐的一部分，學(xué)生結(jié)合教師的科研項(xiàng)目，在教師指導(dǎo)下進(jìn)行試驗(yàn)性研究，成果以實(shí)際的金相組織照片、相分析圖譜及數(shù)學(xué)模型等形式予以展示。

教學(xué)目的：在深化學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論、基本知識(shí)的真正理解與掌握的同時(shí)，達(dá)到綜合性專業(yè)技能訓(xùn)練目的。這項(xiàng)是選修內(nèi)容，學(xué)生可以依據(jù)自己將來考研或工作的需要進(jìn)行選擇。

2.3 改革目標(biāo)

金屬學(xué)原理課程實(shí)驗(yàn)改革有兩個(gè)目標(biāo)。

(1)金屬學(xué)原理實(shí)踐教學(xué)自成體系，服務(wù)于理論教學(xué)的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)興趣，積累工程意識(shí)，開發(fā)創(chuàng)新潛能。

(2)培養(yǎng)學(xué)生具有分析材料科學(xué)問題的基本邏輯和材料工程應(yīng)用的基礎(chǔ)能力。一是通過實(shí)踐教學(xué)提高學(xué)生興趣，深化學(xué)生對(duì)基本理論、基本知識(shí)的理解與掌握；二是對(duì)學(xué)生進(jìn)行長程的、綜合的專業(yè)技能訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)基本知識(shí)解決問題的能力，提高學(xué)生動(dòng)手能力；三是針對(duì)鑄、鍛、焊專業(yè)的不同特點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)技能。

3 實(shí)踐和總結(jié)

針對(duì)2012級(jí)和2013級(jí)材料成形專業(yè)學(xué)生實(shí)施了新的金屬學(xué)原理課程實(shí)踐教學(xué)方案。

(1)長程管理：針對(duì)壓力加工專業(yè)60人左右的2個(gè)班級(jí)進(jìn)行分組：8～10人為一組，組長負(fù)責(zé)制，每組對(duì)應(yīng)于一個(gè)鐵碳合金成分，從澆注試樣和保存、冷卻溫度曲線測試、金相組織觀察、熱處理以及力學(xué)性能測試實(shí)驗(yàn)都采用同一種合金成分，每一階段結(jié)束后做課堂交流匯報(bào)。

(2)保障機(jī)制：實(shí)驗(yàn)室建設(shè)平臺(tái)主要以金屬學(xué)原理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和目的構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教師組成和設(shè)備購置，理論教學(xué)3人和實(shí)驗(yàn)教學(xué)3人，有針對(duì)性負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)管理、計(jì)劃、操作和安全。

(3)考核機(jī)制：每個(gè)學(xué)生都必須動(dòng)手實(shí)驗(yàn)、總結(jié)，組內(nèi)成員輪流匯報(bào)，教師考核學(xué)生實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)和總結(jié)報(bào)告，考核成績占70%；匯報(bào)答辯成績由全體學(xué)生考核，考核成績占30%。

經(jīng)過兩屆專業(yè)學(xué)生的教學(xué)實(shí)踐，取得了如下成效：

一是學(xué)生對(duì)課程的興趣大大提高，具有參與感和真實(shí)性；二是學(xué)生對(duì)于鐵碳合金中成分、相、組織和固態(tài)相變等概念的認(rèn)識(shí)由抽象轉(zhuǎn)變?yōu)榫唧w；三是培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)素質(zhì)、動(dòng)手能力和工程實(shí)踐意識(shí)；四是增加了師生、學(xué)生間的學(xué)術(shù)交流機(jī)會(huì)，同時(shí)也培養(yǎng)了教師的教學(xué)能力。

綜上所述，該實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的內(nèi)容具有工程實(shí)踐性，管理上具有繼承性，在教學(xué)起始階段培養(yǎng)學(xué)生興趣，在教學(xué)過程中提高學(xué)生的材料科學(xué)素養(yǎng)和材料工程素質(zhì)，在綜合實(shí)踐中培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力。

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