材料力学性能开放实验教学思考与探索*

赵汉卿 邸可新 胡明 高晶

摘  要  现有材料力学性能课内实验大多为针对理论课而进行的演示性和验证性实验，不利于学生实践创新能力的培养。为改善这一现状，进行材料力学性能开放实验教学思考与探索，实践表明，开放实验可以对课内实验进行补充和扩展，激发学生的学习兴趣，引导学生有效利用课外时间完成自主学习，提升综合能力素养。

关键词  材料力学性能；开放实验教学；综合能力素养；实践创新能力

中图分类号：G642.423    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）22-0141-04

0  引言

2018年6月21日，时任教育部党组书记、部长陈宝生在新时代全国高等学校本科教育工作会议上提出：创新人才培养，要推进科教融合，让学生尽早参与和融入科研工作，早进课题、早进实验室、早进团队，加大各级科研基地向本科生的开放力度，提高学生科研实践能力和创新创业能力；要着力推动课堂革命，广泛开展探究式、个性化、参与式教学，推广翻转课堂、混合式教学等新型教学模式，把沉默单向的课堂变成碰撞思想、启迪智慧的互动场所[1]。讲话强调大学生创新能力培养的重要性，指明科教融合是创新能力培养的重要途径，提出课堂教学改革是创新能力培养的重要抓手。实验环节是做好科教融合的基础，实验教学是实践创新能力培养的重要载体，实验课程改革势在必行。

现有材料力学性能课程实验受学时数的限制，仅能开设一些针对理论课程而进行的演示性和验证性实验，如硬度、拉伸、压缩、冲击和弯曲等实验，这类实验在培养学生的实验操作技能和科学严谨的工作态度等方面是有效的，但由于学生参与度低，缺少自主分析和探索的机会，在一定程度上影响了学生实践创新能力的培养[2]。

开放实验不受时间和空间的限制，可以作为实验教学环节的补充和扩展，是在实验教学环节对学生实践创新能力培养的有效手段。材料力学性能课程引入开放实验环节，有利于提高学生的主体地位，发挥学生的主观能动性，激励学生自主学习，对提升学生的综合能力素养具有重要意义。

1  开放实验教学总体设计

本开放实验选取紧贴实际应用的科研项目作为实验内容，以培养学生的综合能力素养为导向，建立完整的实验课程体系。开放实验课程具有明确的课程目标，同时设置教学评价和改进环节，反馈课程目标的达成情况，并就教学活动中发现的各类问题做出针对性改进。教师围绕课程目标编制实验大纲和实验指导书，实验指导书的编制思想应体现启发性和探索性，内容上减少操作层面的占比，强调关键点和注意事项，把学生的注意力从操作层面解放出来，改变重实验操作、轻思考的僵化模式，留给学生更多思考和探索的空间。

开放实验教学的总体设计如图1所示，开放实验指导教师按既定的实验内容给学生布置实验任务，并与学生就开放实验内容涉及的应用背景、使用工况和失效形式等方面展开交流和讨论，引导学生对实验内容进行思考和探索。学生经查阅文献和资料，结合自身的理论知识和实验经验制订实验方案，并就实验方案与指导教师展开讨论，改进和完善实验方案，经指导教师认可后开展具体实验。在实验过程中，师生之间针对遇到的问题进行多次交流和讨论，指导教师应及时启发和指导学生解决问题。实验完成后，学生撰写实验报告，指导教师及时做好总结、评价和归档，思考新一轮开放实验改进的方向。通过参与材料力学性能开放实验，学生的综合能力素养得到提升。

2  开放实验教学内容

2.1  结晶器铜板激光熔覆层的力学性能实验

铜质结晶器是连铸生产中的关键部件，但铜及铜合金具有硬度较低、强度差的特点，铸坯生产过程中，结晶器铜板容易产生严重的磨损，铜元素会造成铸坯表面出现星形裂纹缺陷[3]。目前，结晶器铜板表面多采用电镀和热喷涂工艺进行强化，但这两种工艺制备的涂层与铜基体之间是机械结合，结合强度低，生产过程中涂层容易脱落失效。随着高效连铸工艺的发展，对结晶器性能的要求更为苛刻，激光熔覆技术因其制备的熔覆层与基体之间为冶金结合、稀释率低等优势，成为制备结晶器铜板涂层的理想选择。

采用激光熔覆技术制备结晶器铜板涂层的研究持续开展，由于铜板热导率高、对激光吸收率低，制备高性能的激光熔覆层仍较为困难。本实验探究结晶器铜板激光熔覆层的力学性能，旨在优化结晶器铜板激光熔覆层的制备工艺。通过该实验锻炼学生的文献检索与分析运用技能，提升学生利用所学知识分析问题和解决问题的能力，提高学生学习的主动性，拓宽学生表面工程领域的视野，增强学生进行实践创新的信心。

1）实验设计。本实验以结晶器铜板镍基激光熔覆涂层为研究对象，给提供学生三种不同工艺参数（单一变量变化）的激光熔覆试样，让学生综合分析结晶器使用工况和失效形式等信息，确定满足结晶器涂层使用要求需要采用的力学性能测试方法，独立制订实验方案并完成实验。

2）实验思考与讨论。结晶器铜板激光熔覆层的力学性能实验涉及的主要测试方法和内容以及部分思考和讨论的内容如表1所示。

2.2  表面强化齿轮钢的力学性能实验

齿轮作为机械设备中必不可少的零部件，在生产和生活中应用非常广泛。齿轮工作环境恶劣，在运转过程中执行传递扭矩、改变速度和方向等任务，齿轮之间的啮合部位既存在相对滚动，又存在相对滑动，且齿根部位受到脉冲和交变弯曲应力作用，受力情况复杂[4]，主要的失效形式是齿面磨损、接触疲劳以及齿根断裂等。为改善齿轮服役性能，提高齿轮齿面接触疲劳寿命和齿根弯曲疲劳寿命，常对齿轮表面进行强化。

本实验通过研究两种表面强化工艺处理齿轮钢的力学性能，锻炼学生的实验操作技能和科学严谨的工作态度，引发学生对于齿轮表面强化工艺的深入思考，加强材料力学性能课程与金属材料学、热处理工艺学等其他专业课程之间的联系，加深学生对淬透性和淬硬性等易混淆概念的理解，提高学生综合利用各种力学性能检测手段解决工程实际问题的能力，增强学生将理论应用于实践的积极性。

1）实验设计。以渗碳淬火的18CrNiMo7-6齿轮钢和激光表面淬火的42CrMo齿轮钢为研究对象，提供渗碳淬火和激光表面淬火的工艺参数。学生利用课程知识，通过对齿轮的使用工况和失效形式等信息的综合分析，确定应该采用的力学性能测试方法，制订实验方案并完成实验。

2）实验思考与讨论。表面强化齿轮钢的力学性能实验涉及的主要测试方法和内容以及部分思考和讨论的内容如表2所示。

2.3  60Si2Mn弹簧钢的力学性能实验

弹簧作为工业领域重要的零部件，被广泛应用于各类机械设备。弹簧在使用过程中经受拉、压、扭转以及冲击载荷的作用，而且是在周期交变载荷下持续工作，特别是一些重载机器和交通工具，弹簧服役工况恶劣、受力复杂，所以对弹簧钢的综合性能要求非常高[5]。

本实验通过研究两种热处理工艺处理的60Si2Mn弹簧钢的力学性能，锻炼学生综合利用材料力学性能测试手段解决实际问题的能力，进一步加深学生对于材料力学性能课程相关知识的理解；通过两种热处理工艺处理的60Si2Mn试样的力学性能比较，激发学生探索60Si2Mn弹簧钢热处理新工艺的热情，提高学生学习的主动性，培养学生的实践创新能力，坚定学生学以致用的理想信念。

1）实验设计。弹簧钢常见的热处理工艺为淬火+中温回火处理，本实验以Q-I-T（淬火+等温+回火）和淬火+中温回火两种热处理工艺处理的60Si2Mn弹簧钢为研究对象，通过分析弹簧的使用工况和失效形式等信息，综合相关文献资料，确定表征60Si2Mn弹簧钢力学性能需要采用的测试方法，制订实验方案并完成实验。

2）实验思考与讨论。60Si2Mn弹簧钢的力学性能实验涉及的主要测试方法和内容以及部分思考和讨论的内容如表3所示。

3  开放式实验教学评价

为更好地反馈课程目标的达成情况，开放实验建立以过程与能力为核心，形成性评价为主、终结性评价为辅的教学评价方式。教学评价不仅关心学生对知识本身和操作技能的掌握熟练程度，更多的是关注和考查学生的综合能力是否得到锻炼与提升。教学评价不局限于实验方案和实验报告等纸质材料的考核，而是围绕课程目标展开全方位的综合考评，主要包括三个方面。

3.1  文献检索与运用能力

教育部在《关于在高等学校开设<文献检索与利用>课的意见》中明确提出：“高等学校在给学生传授基本知识的同时，必须注重培养学生的自学能力和独立研究的能力，让学生具有掌握知识情报的意识，具有获取与利用文献的技能，是培养学生能力的一个重要环节。”文献检索与运用是开展科学研究的基础，贯穿科学研究的全过程，有效地利用文献信息是取得科研创新的前提条件。开放实验将文献检索与运用能力作为基础的课程目标，可以为其他课程目标的顺利实施提供有力保障，所以对学生的文献检索与运用能力展开评价是十分必要的。评价内容包括文献检索的速度和质量、分析和总结文献获取的信息、信息与目标研究内容的关联性、实验方案的合理性等。

3.2  实践创新能力

随着科技不断进步和发展，各行业对创新型人才的需求不断增加，对用人要求和标准不断提高[6]。《高等教育法》指出，创新精神培养是高等教育的基本任务之一，新工科建设和工程教育认证也进一步明确了创新能力培养的重要性。高校作为人才培养的主阵地，肩负学生创新能力的培养使命。实验环节是学生将理论应用于实践，培养创新能力的重要途径。开放实验将学生实践创新能力的培养纳入课程目标，并对其达成情况进行评价，有助于提升学生的实践创新能力。评价内容包括实验仪器操作的规范性和熟练程度、实验数据处理的规范性和准确性、实验过程中偶发问题的处理、实验方案和实验报告撰写质量、实验方案中的创新点、实验结果分析和表述的创新性（原理图和流程图等）、实验数据处理方法的创新性等。

3.3  自主学习、沟通和表达能力

《教育部关于加快建设高水平本科教育 全面提高人才培养能力的意见》在“围绕激发学生学习兴趣和潜能深化教学改革”一项中提出“激励学生主动学习，增强学习的主动性，增强学生表达沟通、团队合作、组织协调、实践操作、敢闯会创的能力”等内容，明确高等教育人才培养应该做好学生自主学习和沟通、创新能力的培养。开放实验突出学生的主体地位，引导学生自主完成实验，极大地体现学生学习的自主性，同时设置多层次的沟通和讨论环节，使学生的沟通、表达能力得以提升。在教学评价环节，开放实验也将自主学习和沟通、表达能力作为课程目标达成的重要指标。评价内容包括实验过程的主动性、自主开展实验相关内容的学习情况、采用科学规范的语言表达观点、与指导教师和其他组员沟通情况、实验各环节统筹协调情况等。

4  结束语

开放式实验对材料力学性能实验教学进行补充和拔高，强调学生的主体地位，激发学生自主学习的意识。选取应用型科研项目作为实验内容，增强理论和实践之间的联系；学生从应用出发，以课程理论知识为基础，综合文献资料，独立设计实验方案并开展实验，培养学生分析问题和解决问题的能力，增强学生的创新能力和工程实践能力。同时，开放实验对教师提出更高的要求，为了更好地实现教学目标，教师需要不断改进实验教学方法和手段，加深专业知识的理解，拓宽知识面，关注学科前沿动态，不断提高自身素质。材料力学性能开放实验经过初期的探索，已经取得一些良好成效，但仍需要开展更为深入的研究，为提升学生综合能力素养保驾护航。

参考文献

[1] 陈宝生.在新时代全国高等学校本科教育工作会议上的讲话[J].中国高等教育，2018（Z3）：4-10.

[2] 徐敬尧，周小丽.工程教育专业认证背景下材料力学性能实验课程教学改革与实践[J].教育观察，2021，10（34）：87-89，93.

[3] 曲聪凯.铜结晶器表面激光熔覆Ni基涂层的组织性能研究[D].沈阳：东北大学，2010.

[4] 庞科技.渗碳齿轮钢材料力学表征及其疲劳寿命分析[D].北京：北京理工大学，2016.

[5] 赵源嫄.60Si2Mn钢低温拉伸及应力松弛行为研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.

[6] 殷亚杰，聂春雨，张国发，等.地方高校生物类专业学生创新实践能力培养的探索与实践[J].安徽农业科学，2021，49（14）：271-273.

*项目来源：佳木斯大学教育教学改革研究项目“材料力学性能课程思政探索”（基金编号：2020JY1-10）。

作者：赵汉卿、邸可新，佳木斯大学材料科学与工程学院，工程师，研究方向为金属材料表面改性；胡明，佳木斯大学材料科学与工程学院，教授，研究方向为金属基复合材料；高晶，佳木斯大学材料科学与工程学院，副教授，研究方向为金属材料热处理及失效分析（154007）。