《机械基础实验（一）》课程教学方法改革与创新研究

刘小琨　孙长青　郭维城

摘 要：本文对机械设计制造及其自动化专业必修课程《机械基础实验（一）》的教学方法进行了改革创新尝试，将工程力学与金属工程材料的实验教学内容紧密联系在一起，开设了金属材料力学性能指标测定综合实验，加深学生对金属材料基本属性的理解，提高对力学性能的感性认识，增加学生的工程实践经验，着重培养学生的实际动手能力及综合运用所学知识分析和解决一些简单工程问题的能力。

关键词：创新；力学性能；工程实践经验；综合实验

《机械基础实验（一）》是一门将金属工程材料和工程力学等专业基础课的课内实验提出，集中在一起进行教学的实验课程，共24学时，计1学分。这门课程的教学方法过于传统和单一，没有把学科与学科之间的知识体系紧密联系在一起。学生普遍重视理论而忽视实验，造成学生对金属材料力学性能的理解不够深刻，动手实践能力较弱。基于此，本文提出对《机械基础实验（一）》课程的教学方法进行改革与创新研究。该研究的特点是改变了传统的每个实验单独教学的教学模式，提高了实验教学质量与意义，注重培养学生综合运用所学知识解决工程问题的能力。

一、《机械基础实验（一）》教学方法改革与创新内容

本次改革的创新点是将工程力学与金属工程材料这两门学科的知识体系融为一体，开创了《金属材料常用力学性能指标测定分析综合实验》，该实验完成了对常用金属材料在不同热处理方式下的四大重要力学性能指标的测定及分析工作，全面的反应了金属材料的力学性能属性。改革的具体内容如下：

（一）试样制备。在材料的选择上，塑性材料选用工程中典型的碳素结构钢和碳素工具钢作为研究对象。碳钢的牌号为：Q235钢、45号钢、T8钢和T10钢。脆性材料选用共晶白口铸铁为研究对象。试样形状分为两种，一种是横截面为圆形的标准拉伸试样，另一种是横截面为正方形的夏比冲击试样。实验时，以班级为单位，每个班级分发一组试样，试样的具体数量为：

拉伸试样：Q235钢×4；45号钢×4；T8钢×4；T10钢×4；铸铁×1。

冲击试样：Q235钢×4；45号钢×4；T8钢×4；T10钢×4；铸铁×1。

为便于热处理后区分试样，实验前需用钢铳在每个试样上敲出对应的钢号，第一位数字代表碳钢牌号，第二位数字代表热处理状态。如，试样编号11代表Q235钢进行退火处理。

（二）制定热处理工艺方案。热处理工艺方案制定中有三个重要工艺参数分别是：加热温度、保温时间和冷却方式。其中试样淬火、退火加热温度需根据其含碳量并结合铁碳合金相图进行确定。淬火试样的加热与保温总时间需根据试样的含碳量及外形尺寸确定。回火试样采用高温回火，温度为，保温时间为40分钟。冷却方式，本次综合实验均采用入水快冷的冷却方式。退火试样与淬火、回火试样一同进行加热与保温，当到达保温时间后，将淬火与回火试样迅速从炉中取出，然后将电阻炉断电，让退火试样随炉缓冷至室温。由于原始试样即为正火状态试样，故不必考虑其热处理工艺参数。

（三）力学性能指标测定。实验中用拉伸试样测定材料的强度和塑性指标，用冲击式样测定材料的硬度和韧性指标。首先需测定不同材料在正火状态下的强度、布氏硬度、洛氏硬度、塑性及韧性。然后将试样进行退火、淬火及回火处理，再测定其对应的力学性能。其中，在测定拉伸试样力学性能时应注意两点问题，一是要选择上下夹持两端同心度较好的试验机完成拉伸实验，二是在测定塑性指标断后伸长率时，要采用国家标准中规定的移位法进行测量和计算，以确保实验数据更为精准。

（四）绘制材料力学性能指标变化趋势图。实验结束以后，结合实验数据，需绘制出同一材料在不同热处理状态下力学性能指标变化图，和不同含碳量的碳钢在不同热处理状态下力学性能指标变化图。以不同含碳量的碳钢在退火状态下为例，其力学性能指标变化图如图1所示。

通过所绘制的曲线图，学生可以深刻的理解金属材料随含碳量及热处理方式的不同其力学性能的变化情况。

二、总结

本次教学改革与创新研究取得了较大的成效，体现为两个方面：

第一，使理论与实践教学有机结合，学生通过实验可以清楚的感受到塑性材料與脆性材料力学性能的特点及碳素钢随含碳量、热处理方式的不同其力学性能的差异，对金属材料力学属性产生很好的感性认识，培养了学生能够合理选择金属材料解决工程实际问题的能力。

第二，使师生之间交流得到加强，全体学生通过互相沟通、交流、讨论、配合，共同参与完成实验，加强了学生的凝聚力和团队合作意识，使学生的动手能力、对任务综合的分析能力、和团队合作能力得到充分锻炼。

参考文献：

[1]王晓丽.金属材料与热处理（第二版）[M].北京：机械工业出版社，2017（7）.

[2]王建祥，苏枋，葛倚汀.工程力学实验教学的改革与探索[J].实验技术与管理，2010（1）.