工程材料实验教学中学生创新能力培养探索*

梁 银，陈 磊，龚静芳

(杭州电子科技大学信息工程学院，浙江 杭州 311305)

近年来，随着材料科学的发展，尤其机械、信息、生物等学科对新材料的依赖性增强，以及国家对新材料产业的重视，使得材料相关专业得到快速发展，以材料为基础的科研创新型实验越来越受到重视。《机械工程材料与热加工工艺》是我院机械类专业一门非常重要的专业基础课，也是一门全面介绍工程材料专业知识的课程。通过该门课程的学习可使学生获得常用工程材料的基本理论知识，使学生能具备根据机械零件的工作条件和失效方式，合理的对零件进行选材并制订合理的加工工艺方法的能力。就目前机械类专业的课程设置情况，《机械工程材料与热加工工艺》迎合目前对材料学科发展的重视，是机械类专业主要涉及相关工程材料实验教学的课程，因此，在工程材料实验教学过程中建立适合创新人才的培养模式，提高学生创新精神和实践能力，增强学生社会竞争能力显得尤其重要。

1 现阶段实验教学存在的问题

传统的工程材料实验教学过程中，都是老师事先准备好仪器设备，在讲述试验过程方法后，学生按要求操作实验，最后提交实验报告。在此过程中学生处于一种被动学习的状态，缺乏主动性、积极性，这显然不利于培养学生的实践动手能力和创新思维[1]。《机械工程材料与热加工工艺》该门课程的基础性、理论性、实践性和综合性都很强，仅通过学生课堂学习会感觉抽象、难理解，学习的积极性和主动性受到很大的影响，仅仅通过课堂教学难以达到该课程的教学目的，须将理论教学与实验教学结合起来。而工程材料实验教学环节其直观性、实践性、综合性和创造性等特点最为突出，是培养高素质创新型人才的重要教学内容，因此，创建具有创新性的实验教学方法以适应现代高等教育发展已经成为了工程材料实验教学中的迫切要求。

结合工程材料实验特点，以培养学生的实践能力、创新能力为目标，改进实验内容、教学方法及考核方式；建立实验教学中的探索性、趣味性；注重学生基本技能、综合能力和创新能力的循序渐进地培养；构建创新能力培养的实验教学管理模式，培养专业知识扎实、动手能力强、创新能力强的应用型人才在实验教学过程中尤为重要[2-4]。

2 实验教学中创新能力培养措施

(1)优化实验教学模式。要改变以往的实验教学单一模式，变实验教学以学生为主体，设计多层次实验教学模式，优化实验教学内容，进行独立实验、团队实验区分开展，设计基础实验、综合实验、设计实验、创新实验的多层次实验课程体系；采取老师指导、学生互动的模式；开展独立实验与团队合作实验双模式；开展以实验为基础的创新项目竞赛；鼓励学生积极参与教师科研项目。要放开手，让学生自己进行实验设计，在保证安全的情况下自己进行实验操作。当学生在实验过程中遇到困难时，老师不要立即告诉答案，而是要积极引导、启发学生独立思考，培养学生发现问题，解决问题的能力。

(2)更新实验教学过程。针对目前《机械工程材料与热加工工艺》、《材料力学》等专业基础课程及有关理论知识，以及掌握的有关实验原理和实验技能，根据实验室现有的实验设备，独立查找相关资料，制定实验方案，学生在仔细分析查找资料数据的基础上，在实验方案中详细标明选用设备、工艺方法，以达到预期的金相组织和机械性能指标。在制定实验方案时，应根据材料达到的最终性能指标，制定两个以上的实验方案进行分析比较，最终确定出较为理想的方案，自己独立动手完成设计实验全过程。在仪器设备使用方面，不明确的地方随时向老师提问，确保学生人身安全，确保实验设备的安全正常使用。允许学生实验失败，允许重新做实验，但必须首先弄清楚失败的原因，弄清楚错误产生的原因本身就是难得的收获和提高，这样才有可能找到改正错误的方法，培养学生发现问题，解决问题的能力，正是培养创新实验的主要目的。

(3)实验教学过程的独立性和互动性。除前文提到的优化实验教学模式外，重点需要进行独立实验、团队实验区分开展，独立实验要求学生必须独立设计实验过程，独自动手亲自操作，独立完成实验的全过程，独立地总结综合设计实验的全过程，独立地书写综合设计实验报告。团队实验必须分工明确，共同完成，在完成实验过程中，学生可根据材料学科发展前沿的新技术、新工艺以及热点问题提出自己的见解和探索性的实验方案，提出自己的创性研究，而不要仅仅局限于课本和已有的工艺方法。

(4)创新实验教学手段。在实验教学中先开展基础性和验证性实验，加强学生的理论知识，待完成实验报告积累了一定的专业基础知识后，再开展综合性、应用型和创新型实验，其中综合性和应用型实验是必修内容，以提高学生的实验基础和专业技能。对学有余力而且对科研竞赛有浓厚兴趣爱好的学生，鼓励其积极开展创新性实验，且严格实验报告和论文格式，树立学生严谨的学科态度。每年从兴趣强烈、创新能力强的学生里挑选一些理论基础好、有科研竞赛兴趣的学生参与到创新竞赛和教师的科研项目中。学生可申请加入教师的课题组，并在教师的引导和帮助下，查阅资料文献，开展工程材料相关实验。这样更有利于提高学生在工程材料的试样制备、性能测试与结果分析等方面的创新能力。

3 创新能力培养实践

我院机械类专业依据目前实验室现有的设备情况，学生设计并开展了铝合金、铜合金以及铸铁的布氏硬度实验，代替常规的碳钢布氏硬度实验，铝合金采用学生熟悉的金工实习所用的切边料，既降低实验成本又提高材料的利用率，并且能将课程的硬度知识内容和铝合金以及铜合金章节内容有效衔接，使学生对整个课程的学习有更好的掌握；对于《机械工程材料与热加工工艺》课程的重要内容钢的热处理，学生通过理论课所学，自行设计并开展了一系列的热处理实验，如增加淬火冷却介质，除使用常规的淬火介质水和油外，增加了5%、10%的盐(NaCl)水溶液；新增了水油双液淬火法；在水油双液淬火法的基础上，学生设计了双液淬火装置，淬火介质为水和油，创新点是先油淬、再水淬后油淬，淬火3次使得淬火冷却速度更加接近钢的理想淬火冷却速度；增加了低碳钢不同淬火温度对硬度的影响实验；增添了回火温度对钢的硬度影响实验，这些极大地扩充了热处理内容的开放创新性实验；对非金属材料及新型材料章节，学生开展了常见材料的认知讨论，如3D打印使用的ABS塑料，眼镜使用的形状记忆合金等；还有学生猜想利用电磁感应细化晶粒的实验；采用“镶套”工艺，代替感应电流表面淬火使材料表面硬度提高，心部仍具有一定的塑性，通过该设计实验来模拟表面淬火效果的猜想方案，总之，学生提出了很多新的想法和方案，有些方案由于经验不足，设备受限未能在实验室进行实践创新，但学生创新实践的热情丝毫未减退，他们又结合实际情况设计了其他的实验。下表1列出了工程材料及热加工实验教学中学生设计的创新实验实践内容和实施效果等一览表。

表1 工程材料及热加工创新性实验项目一览表

通过2020年开始在学院内实施工程材料实验教学学生开放性的创新实验，学生深刻认识到热处理温度、淬火介质、回火温度选用的严谨性，工业用钢选材及热处理工艺的科学性，通过创新实验开展培养了学生对待工业生产细致、科学的态度，通过学院三届的实验教学实践实施，学生从最初开展的常规传统实验，到目前扩展到多个可操作的创新性实验，分别对硬度、热处理等的理论知识进行了创新性设计实验扩充，经过学生实践反馈，学生普遍认为在工程材料基本实验基础上进行开放创新性实验非常有意义，能自己设计实验方案并实践让其收获颇丰，让大家构建起对工程材料及热加工课程完整的理论与技术体系[5]。通过这些教学措施，学生对课程的学习热情，表达和创新能力都得到了极大地提升，使学生逐步形成严谨的科研思维和创新意识[6]。

4 结 语

通过工程材料实验教学中学生创新能力培养探索，能改变目前实验教学过程中的现状，让学生主动探索新的知识，培养学生的实践创新能力。作为教育的实施者，在后期和学生及时沟通，多听听学生对课程学习的见解和想法，不断改进教学方法和内容，让学生有知识的获得感和实践创新能力的提升。