新工科背景下《材料科学与工程综合实验》的教学改革

赵晓华，王 双，周 明

(江苏大学材料科学与工程学院，江苏 镇江 212013)

深入学习贯彻习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神，教育部2018年首批认定612个“新工科”研究与实践项目，系统推动和引领高等教育深层次改革[1-2]。提高学生对工程背景和工程实践的清晰认识，培养学生解决实际工程问题能力是新工科建设发展的根本需求，也是培养复合材料与工程专业优秀人才的重要方法。在工科人才培养中，实践教学是培养学生工程能力和工程素养的重要环节[3-6]。材料科学与工程综合实验是材料类专业的一门重要专业基础课，其任务是让学生掌握材料科学与工程专业基础实验的基础实验技术，加深对专业理论知识的理解和掌握，提高分析和解决实际问题的能力。教学效果将直接影响学生对“材料科学基础”、“材料力学性能”、“材料物理性能”等专业基础课程的学习质量。在国家新工科建设的指导下，材料科学与工程综合实验教学需要更好地融入“需求为导向，培养应用型复合人才”的新工科建设。

1 材料科学与工程综合实验教学存在的不足

1.1 实验课程设置过于独立

现有的实验课程内容设计单一，实验课程设置过于独立，实验大多围绕理论教学某个知识点展开，实验项目之间没有承前启后，且与其他专业实验的横向联系较少，缺乏对学生所学知识进行融会贯通能力的培养。同时缺乏综合实验设计能力和创新意识的培养。学生仅仅完成某个实验项目的实验，缺乏对实验课程的总体认识，不利于学生科学思维和创新能力的培养。

1.2 教学方式陈旧

本课程的内容大部分为单一的验证性实验，没有引入开发和设计类实验项目，基本只注重理论知识的讲授和典型材料性能的验证分析，难以适应复杂的工程实际。例如，对于材料的冲击实验，只开展了低碳钢和铸铁的常温冲击实验，其他材料如陶瓷材料、新型复合材料、焊接件等，其冲击性能与金属材料差异明显，而在冲击性能测试实验中并没有与现实工程实践很好地结合起来。因此，学生在课堂上学到的实验知识与实际工程问题联系不紧密，难以实现理想的教学效果。

1.3 考核方式单一

本课程的考核方式主要包括学生操作表现和实验报告，以实验报告为主要参考依据，导致一些同学相互抄袭实验报告。这样的考核方式在一定程度上抑制了学生主动参与实验的积极性，很难对学生分析问题、解决问题的能力进行综合考评。因此，需要采取更加全面的过程评价考核方式对学生进行考核，提高学生的实验技能和实践创新能力。

2 新工科背景下实验教学改革的主要措施

本文针对材料科学与工程综合实验课程中存在的问题，从课程设置、教学方法和考核方式等方面进行优化，为“材料科学与工程综合实验”课程的教学改革提供新思路。

2.1 调整课程设置

减少验证性实验课时，增加创新型综合实验课时，实验结构上尽量做到相关联系、环环相扣。比如材料力学性能的很多知识点都可以通过具体的工程案例进行实验验证和分析。通过这些实际案例分析，给学生建立清晰的工程目标，有理由提高学生分析和解决实际工程问题的能力。本课程实验项目设置调整见表1，打破原有的冲击韧度测定、金相技能基础实验等单独的验证性实验的局限性，设置“35MnBM圆钢冲击试验实例”、“低碳钢变形度—再结晶—热处理对显微组织与硬度的影响”共2个研究性和综合性实验，通过综合性实验的设置，使学生熟练掌握材料的系统分析方法以及材料的成分-工艺-组织-性能的内在关系。

表1 《材料科学与工程综合实验》课程设置调整实验项目Table 1 The experimental project adjustments of Comprehensive Experiments of Material Science and Engineering

2.2 教学方式改革

(1)从工程上的实例出发，比如我国东北矿山用的进口大型机械，在冬季出现过低温脆性引起的大梁、车架断裂等断裂现象；日本汽车在东北冬季出现过低温脆断问题等。1912 年4月14日晚，著名“泰坦尼克号”沉没事故分析表明：工程师为了增加钢的强度而添加了大量的硫化物，钢铁含硫量高增加了钢铁的强度，但是含硫量过高使材料的质地松脆，就像陶瓷，特别是低温呈现脆性，即在-40～0 ℃的温度下，船体钢会变脆。在当时的低温环境下航行时，钢材由韧性变成脆性，这使得在冰山的撞击中船体钢发生了灾难性的“脆性断裂”。此外，在固定船壳钢板的铆钉里含有很多玻璃状渣粒，使得铆钉异常脆弱、很容易断裂。因此，在冰山的撞击下，可能是铆钉断裂导致船体解体。因此，可以说这一场悲剧可能是由于当时钢铁业的技术缺陷问题所导致的[7]。

(2)探索传统课程实验与仿真实验相结合的实践教学模式，丰富实验课程，增加课程趣味性，并实现“线上”“线下”共同教学。仿真实验可以进行高低温冲击实验(-196～350 ℃)，用来测试产品在周围大气温度急剧变化时候的适应性以及被破坏性。使实践教学不在拘泥于传统实验室，不受时间、地点、硬件措施的限制。

(3)建立实验课程群组，分享相关的优秀线上教学资源和知名大学的开放视频资源，引导学生利用网络平台对实验理论知识进行预习。在实验教学过程中根据学生的情况适当地进行拓展，使学生更加方便地掌握知识。

2.3 建立能力导向型实践教学体系

教学过程中注重理论知识的综合运用，将实验内容嵌入科研项目，发挥学生的主观能动性，提高工程意识、团队精神和材料知识综合运用的能力。35MnBM圆钢的淬透性非常好，是链轨节的常用原材料，广泛用于挖掘机、推土机等各种大型工程机械和坦克等军工机械所用履带中链轨节的生产。这些设备工作环境恶劣，需要承受很大的交变载荷和冲击，因此工程上要求链轨节必须具备良好的组织结构和机械性能[8]。本实验课程根据案例“某公司生产的履带链轨节用35MnBM圆钢为例，分析其产品的低温冲击韧性过低，影响销售和生产的原因”，形成以具体科研生产任务为依托，嵌入基础理论知识的课外实践教学模式[9]。材料的冲击力学行为与其晶体结构、成分、微观组织、外界条件变化等密切相关。教师带领学生通过化学成分分析、金相组织检测、微观硬度检测、扫描电镜分析等方法，积极动手参与各项实验的开展，分析该产品低温冲击性能过低的原因，并提出对应的解决措施。主要涉及几个实验：

(1)低温冲击性能测试；

(2)化学成分分析：用X射线衍射方法分析化学成分及非金属夹杂物的结构类型等；

(3)金相组织检测；取样检验金相组织，经过磨样、抛光及3%硝酸酒精腐蚀后，用金相显微镜进行微观组织观察；

(4)微观硬度检测：用微观维氏硬度计进行不同部位的微观硬度检测；

(5)晶粒度检验：测试产品的奥氏体晶粒度尺寸是否满足链轨节的晶粒度标准要求；

(6)断口分析：用扫描电子显微镜观察链轨节的冲击断口形貌，判断其断口是否韧性断裂的韧窝形态还是准解理断裂的脆断特征。

基于以上系统的实验分析方法，查阅相关文献，得出链轨节低温冲击韧性过低的主要原因并提出改善其低温韧性的方法。在整个实验过程中，以学生为主体，实验由3～5人结合成实验小组，小组成员在查阅文献、实验方案的设计、实验材料的购买、金相试样的制备、性能测试与分析等过程进行沟通和讨论、分工协作共同完成。案例式教学使学生既掌握了基本的实验理论知识，同时培养了学生的实践能力、创新能力和团队协作能力。这一案例使学生对“低温脆性”问题有了非常深刻的理解，对材料科学与工程综合实验课程教学效果起到了明显的改善作用。

2.4 建立过程学习的评价体系

考核方式由操作技能、实践能力和实验报告三方面组成。在验证性实验过程中对每位同学的实验操作水平进行评分，督促学生改进仪器操作技能。在案例式实验教学中加大对学生实践能力的考核，包括文献查阅、实验方案设计、准备实验材料、整理分析实验数据等，学生完成实验后可自由发挥撰写实验报告。教师也能从过程考核中找出学生学习过程中存在的问题，改进教学方法。通过对不同类型的实验进行科学合理的考核方式，给优秀的学生提供充分发挥的空间，激发学生的学习兴趣。

3 结 语

为了满足现代社会对“新工科”人才的需求，针对传统材料科学与工程综合实验教学中存在的问题，本文主要从课程设置、教学方法、能力导向型实践教学体系的建立、建立过程学习的评价体系四个方面进行改革。在教学环节中引入综合性创新型实验；从材料学发展史的角度，引入人文科学素养培养模式，增强学生的工程职业道德和社会责任感；教学过程中通过科研实践问题的分析、实验方案的设计、动手操作等环节，提高学生主动学习、团队合作意识、利用实验技术和理论知识相结合解决实际工程问题的能力等。另一方面，增强材料科学与工程基础实验与现有材料科学研究前沿的联系，对培养创新型复合材料专业人才发挥了重要作用。