工程材料及热处理课程实验教学改革与实践

邹利华，吴海江，陈国新，郭文敏，王小明

（邵阳学院机械与能源工程学院，湖南 邵阳 422004）

工程材料及热处理是普通高校机械类与近机械类专业的重要专业基础课程之一，目前我校机械设计及自动化、机电一体化、热能工程等多个专业（年均约460人）开设了这一课程。实验教学是工程材料及热处理课程的重要教学手段之一，是理论联系实践的重要环节，通过课程实验，能够更好的认识工程材料的性质及其应用，掌握热处理的方法和方案设计，为后续专业课学习及工程实践奠定基础。开放性实验是在学生自主开放的前提下，结合课程内容及自身兴趣，查阅大量课堂知识相关的资料、选取实验课题、制订实验方案，并在教师指导下完善方案、学习操作、反复探索以完成开放性实验，从中获取理论知识和实验技能，弥补课堂教学不足，培养学生的科研素质和创新精神。本文以开放性实验为工程材料及热处理课程实验教学改革的切入点，开展实验教学模式的优化设计，教改与过程中以学生为主导，培养学生的工程实践能力及创新能力，对工程材料及热处理课程综合教学改革做出探索。

1 实验教学设置现状

工程材料及热处理课程实验设计以基础性实验为主，主要教学任务是使学生熟悉实验仪器设备和掌握试验操作方法，深化感性认识。因此工程材料及热处理课程在原实验教学大纲中侧重实验基础知识、基本操作的掌握，设计了金相试样制备及金相显微镜使用、铁碳合金的平衡组织显微分析、金属材料硬度试验、碳钢热处理共4个实验项目（共计8实验课时），教学模式也主要表现为“灌输式”，即教师根据教学大纲要求，依次讲解实验目的、实验操作步骤，学生则根据要求按部就班进行实验，这一教学模式难以有效激发学生学习兴趣和创新欲望，一定程度上妨碍了大学生科技创新能力的培养。同时，经过修改教学大纲后，课程降低了课内实验课时量，4个课内实验课时仅能保证完成两个实验项目。

经讨论与研究，综合分析各个实验项目：金相试样制备及金相显微镜的使用、金属材料硬度试验、铁碳合金的平衡状态组织显微分析三个项目均为基础性验证实验，内容相对单薄，其教学过程相应也较为简单和相似，均以“教师讲解、示范→学生按照规范进行实验”的过程进行，实验教师在三个实验项目中自由择一教学。碳钢热处理则为内涵相对丰富的综合性实验，应考虑优先教学，被定为实验教学中必选的实验项目。碳钢热处理实验综合性高、开放度大、工作量饱满并且富有挑战性。由于实验自主度大、学生学习兴趣浓，易于提高学生自学能力，锻炼学生的工程能力和团队能力，在授课教师的问卷调查中，本实验是最受学生欢迎的实验内容。

2 开放性实验教学

教师最初认为碳钢的热处理实验可以满足工程材料及热处理课程实验教学的要求。但是在随后的执行过程中，学生不断反映出存在问题：受课堂时间和课时数所限制，大部分学生只能机械操作、匆忙过场；因课时安排实验往往不能连续进行，严重影响实验效果；学生的自主性差、主体地位差等。

在此基础上，全体教师纠正认识偏差，认识到应在课程实验的基础上增开开放性实验，紧密联系实验教学内容，深化拓展课程实验。鼓励创新思维，学生通过参与教师科研项目，在原有实验规范操作的基础上，更深入了解实验方法和理论基础知识，进而大胆尝试新的实验操作，强化学科基本知识；同时，教师精选科研课题一般反映本工程领域学科发展趋势，这也使学生了解了学科前沿；最后，教师能够在指导实践教学的过程中培养学生严谨的科研态度，提高学生实践能力，增强学生创新意识。

3 开放性实验教学实施及考核

目前实施的开放性实验分为计划、准备、立项、实施和结项五个不同阶段。计划阶段可以是由学生发起立项，实验设计、文献资料查阅均由学生自主完成，也可以由教师发起立项，并吸引鼓励感兴趣的学生参与其项目。通过双方互动，形成学生3～5人、指导教师1～2人为一组的开放性实验课程项目组。在准备阶段，教师充分鼓励学生提出个性化设计及想法，实验中可能遇到的具体问题均由学生自己通过学习理解与掌握，教师只提供大体思路。在立项阶段，由学生写作项目申请报告，教师修改并提交主管部门，获批后进入实施阶段。实施阶段中，师生按照已经掌握的知识和阅读的参考文献充分优化方案，合理选用仪器设备，请实验教师充分准备实验材料，按步骤完成开放性实验研究内容。实验中出现学生难以独立解决的问题时，教师应启发学生认真观察、讨论分析、自主发现，以过程为核心、结果为基础，引导学生总结科学规律。实验完成后，教师主持小组讨论，指导学生自主查找文献分析实验结果及实验中的问题，并要求学生解决实验中的问题、提出实验的优化方法。结项阶段以最后提交的开放性实验报告为主要结项文件，同时，学生实验记录、产品实物、讨论记录、发表论文等也作为重要的评价依据。

开放性实验以学生的综合能力为考核核心，实施多层面、全方位的评价。考核中充分认识学生与教师知识结构的差异性，不重点关注学生对实验所设计知识的掌握程度，而是重点考察学生是否具有良好的学习能力，以及学生能否灵活利用所学的知识解决开放性实验中的科学/工程问题。考核不惟实验设计及实验结果，主要考察学生创新思维能力、实验操作能力、解决问题能力及科研/工程能力，具体包括学生设计的实验方案是否具有创新性，学生是否具有在规定时间内学习相关仪器设备的操作并正确使用仪器设备完成复杂实验的能力，学生是否具有主动发现问题与解决问题的能力，学生是否具有良好的科学精神、实验态度以及团队合作能力等重要内容。结果表明，在开放性实验考核中表现优秀的学生通常十分善于自主锻炼工程实践能力，积极主动地进行创新活动，在大学生工程训练、大学生机械创新、大学生节能减排竞赛及大学生创新创业等科技活动/竞赛中表现优秀。

4 教改效果

我校工程材料及热处理课程实验教学改革从2012级机械制造及其自动化、机电一体化、车辆工程等专业开始实施至今，已有超过450学生进行了开放性实验的立项与实施。实施结果表明，参加开放性实验激发了学生主动学习工程材料及热处理课程的积极性，培养了学生发现问题、解决问题的能力和创新意识。同时也推动了工程材料及热处理教学团队不断进行教学与科研创新，有利于工程实践和创新能力人才的培养。