开设综合设计性实验加强学生能力培养

2022-09-11

众所周知, 目前实验教学改革已经是高校教学改革的一项十分重要的组成部分, 而实验教学内容和体系的改革又是实验教学改革的重点与突破口。由于目前的实验教学已不能满足对高素质人才培养的要求, 所以我们必须深入开展实验教学改革, 对传统的实验项目进行精选与淘汰, 重新开设新的综合设计性、研究创新性实验, 以便形成新的以培养学生综合能力为主线的实验教学体系。长期以来我校金属材料专业实验课的设置基本上是依附于专业理论课的, 为理论课的内容而设置, 而没有从实验自身的规律和人才培养的要求上去整体设计, 实验的内容与时间也都是预先定好的, 使得学生处于非常被动的状态, 实验课效果很不理想。为了改善这种状态, 切实从培养学生能力的角度出发, 2003年开始我们对金属材料专业三年级的学生开设了综合设计性实验。

1 综合设计性实验的目的与特点

本次开设的综合设计性实验是在学生学完《材料科学基础》、《金属组织控制原理》、《金属材料强韧化》等专业课程后开设的。综合设计性实验是一门具有设计、命题性质的综合实验课程, 该课程根据本专业知识体系采用由典型零件;选材 (成份设计) ;工艺设计;工艺实施;性能检测等多环节综合工程素质培养的教学模式, 学生通过自主选题, 查阅有关文献资料, 独立制定实验方案, 选择实验用设备仪器, 直至方案的最终实施, 最后撰写出实验报告[1]。这种教学方式是模拟实际生产和科学研究的基本过程, 目的在于让学生更好的掌握材料科学与工程中材料的“成分-工艺-组织-性能-成分”相互间的关系, 更好地掌握正确的实验设计方法和科学研究方法, 并能在进行综合设计性实验的过程中强化基础实验技术和技能, 突出对学生创新能力和工程素质的综合培养。

本次综合设计性实验的特点: (1) 单独设置综合设计性实验课程。本次综合设计性实验不再依附于某一门专业理论课程, 单独开设, 实验学时为8学时。 (2) 开设综合设计性实验时间合理。本次综合设计性实验在金属材料专业学生的第五个学期期末开设, 此时学生已完成了部分专业理论课程的学习, 同时通过前期的理论课程实验也已具备了一定的实验技能, 所以在此阶段进行一次综合设计性实验的训练, 一方面强化了理论知识, 提高了实验技能, 另一方面它还为下一阶段的课程设计与毕业设计打下坚实的基础, 同时也为学生顺利走上工作岗位奠定了坚实的基础。 (3) 开设综合设计性实验时实验室全天开放, 这样就便于学生根据自己的实验进展情况随时进入实验室进行实验。

2 综合设计性实验的选题

综合设计性实验能否达到良好的教学效果, 教师选题是个关键, 它是让学生完成由“知”到“用”转化的纽带。选题既要能引起学生的求知欲望, 促进他们的思维活动, 同时, 还要考虑实验室的现有条件, 并要注意扩大实验内容在学科上的纵横联系, 尽可能使专业基本实验技能不断线。针对上述要求, 我们实验室教师与专业课程教师精心选择了以下三个课题:

(1) 机床主轴, 要求具有良好的综合机械性能。

(2) 锉刀, 要求具有高的硬度与耐磨性。

(3) 弹簧片, 要求具有高的弹性极限。

3 综合设计性实验的步骤

本次综合设计性实验的步骤具体可分为以下四个阶段:

3.1 教师上课集中布置本次综合设计性实验的内容

实验内容包括:采用合适的方法鉴别4 5钢、65Mn及T10钢这三种原材料。这三种材料一种用于制作车床的主轴, 一种用于制作简单的刀具, 一种用于制作弹簧片, 要求主轴具有良好的综合机械性能, 刀具具有高的硬度与耐磨性, 要求弹簧片具有高的弹性极限。

3.2 学生自行设计实验方案

学生进行自主选题后, 针对自己所选的题目查阅相关的文献资料, 进行实验方案的设计。本实验中要求学生设计出车床主轴、刀具和弹簧片这三种零件的加工路线, 同时针对加工路线中出现的热处理工艺制订出合理的热处理工艺参数以及热处理后采用哪些方法衡量热处理质量。

3.3 实验方案的具体实施

学生们制订出的实验方案由教师组织进行分组答辩, 通过答辩的学生方可进行实验方案的具体实施。在这一阶段要求学生选择合适的实验设备进行实验, 这一步骤中实验内容较多, 首先需要学生采用合适的方法将实验中三种原材料鉴别出来, 并且将其显微组织拍摄下来。第二步是选择材料, 根据选题中每种零件的服役条件与材料本身所具有的属性选择合适的材料。第三步是制订每种零件的加工路线, 进行加工路线中设置的热处理工艺的具体操作。第四步是对每一次热处理后的显微组织进行观察并拍摄下来, 同时测试材料经过每一次热处理后的硬度值。

3.4 撰写实验报告

实验结束后, 要求学生撰写出具有一定见解的实验报告。实验报告包括实验目的, 实验内容, 实验中所用设备, 实验设计方案、实验结果分析, 实验体会等。在这一步骤中, 重点是实验结果分析和实验体会, 要求学生根据自己所得出的实验结果, 分析材料、工艺、组织、性能之间存在的关系, 分析实验中出现的问题以及采取的相应措施, 并对本次综合设计性实验做一总结。

4 综合设计性实验的效果

本次综合设计性实验已连续开设了四届学生, 受到了学生的大力欢迎, 从学生反馈回来的信息看, 我们可以得出以下结论:

4.1 提高了学生独立分析问题和解决问题的能力

在本次综合设计性实验过程中, 由于各种因素的影响, 学生们遇到了很多问题, 如制造车床主轴的45钢水冷以后得到了马氏体+屈氏体组织, 而理论上应为混合马氏体组织。通过分析, 原来是学生们在实验中进行了误操作, 材料水冷时, 掉到冷却装置底部了, 使得冷却速度下降, 靠近冷却装置底部一侧试样的组织就为马氏体+屈氏体组织, 其它部位是混合马氏体组织。

4.2 培养了学生科学的思维方法和科研素质

做综合实验实际上也相当于一个小小的科学研究, 能够培养学生进行科研活动时所必需的基本素质, 特别是严谨的科学作风和求实的科学态度[2], 因为实验过程中一次疏忽可能导致整个实验的失败。实验中学生在给刀具用材料T10钢进行球化退火时按照书上的理论知识是奥氏体化后, 冷却到700℃左右等温一段时间就可得到球状珠光体, 实验中有些同学操作时直接将炉门打开冷至700℃, 然后在该温度下继续保温, 结果试样没有得到球状珠光体组织而仍然是片状珠光体组织。

4.3 培养了学生有耐心、不怕吃苦等优良品质

本次实验中T10钢球化退火的时间较长在700℃左右必须等温5-6小时方可得到理想的球状珠光体, 这就需要学生有耐心, 不能急于求成。同时实验中因为需要多次观察材料在不同热处理状态下的显微组织, 所以必须多次进行样品的制备, 实验中很多同学在制备样品时手都磨破了, 但是他们却毫无怨言, 依然认认真真地继续实验, 直到制备的样品合格为止。

4.4 培养了学生的团队合作精神

实验中, 相同选题的学生自发组织成一个小组, 相互探讨本选题的设计方案、实验方案的具体实施、实验结果以及存在的问题等等。如T10钢球化退火可采用几种方法, 有些同学就相互商量, 每种方法都做一次, 看看实验结果是否相同。

5 结语

综上所述, 综合设计性实验是一个极具生命力的实验教学环节, 由于它具有一定的系统性、设计性与综合性, 因而为培养学生的综合能力提供了更广阔的创新空间[3]。随着这项教学工作的开展, 对培养人才的质量起着十分重要的作用, 同时它也对我们教师提出了更高的要求, 有利地提高了学校的整体教学水平。当然, 目前的综合设计性实验还存在许多不足, 比如说, 由于实验室现有设备的局限性, 目前还只能进行试样的热处理工艺, 零件的热处理还不行, 而零件的热处理与试样的热处理还有很大的区别, 零件热处理时需要考虑较多的因素, 如零件的尺寸、形状、装炉方式等等。同时综合设计性实验课题的选择也需要进一步拓宽范围, 不应仅仅局限在常规热处理工艺方面, 应适当增加一些表面技术、复合材料的内容, 所有这些都将在以后的实验过程中逐步加以改进和提高。

摘要：本文介绍了我校金属材料专业实验教学改革的思路, 提出开设大型综合设计性实验, 让学生自行设计、完成实验方案, 从而提高学生独立分析问题与解决工程实际问题的能力, 同时也为学生后续的毕业设计, 顺利走上工作岗位奠定坚实的基础。

关键词：教学改革,综合设计性实验,能力培养