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摘要：目前，在專業(yè)工程認(rèn)證導(dǎo)向下，機(jī)械類專業(yè)開(kāi)設(shè)的材料科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程是培養(yǎng)機(jī)械工程相關(guān)的技術(shù)人才形成良好的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的關(guān)鍵學(xué)科核心課程之一。為了避免實(shí)驗(yàn)問(wèn)題的繼續(xù)延伸和提升學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)素質(zhì)，筆者結(jié)合多年的教學(xué)實(shí)施情況，總結(jié)出實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，提出了以團(tuán)隊(duì)協(xié)作模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，從實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、試樣的選擇、實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)的提煉、團(tuán)隊(duì)協(xié)作實(shí)驗(yàn)等方面闡述材料科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，學(xué)生在實(shí)踐過(guò)程中不僅獲得重要的實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)，而且還提升在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的問(wèn)題思考、分析、解決能力，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)，實(shí)現(xiàn)以“學(xué)生為中心，教師引領(lǐng)”的教學(xué)方式，從而達(dá)到提高并優(yōu)化材料科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果的目的。

關(guān)鍵詞：材料科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)；團(tuán)隊(duì)協(xié)作；機(jī)械工程專業(yè)；教學(xué)改革

機(jī)械類專業(yè)工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)（2015版）明確指出，機(jī)械類專業(yè)開(kāi)設(shè)的工程基礎(chǔ)類科目要求“以數(shù)學(xué)與自然科學(xué)為基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用數(shù)學(xué)或數(shù)值方法，發(fā)現(xiàn)并解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。包括理論力學(xué)、材料力學(xué)、熱流體、電工電子學(xué)、材料科學(xué)基礎(chǔ)等知識(shí)領(lǐng)域?！睘榇耍颖贝髮W(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)為了適應(yīng)工程認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)要求，在2019版本科專業(yè)人才培養(yǎng)方案修訂中設(shè)置了材料科學(xué)基礎(chǔ)（含實(shí)驗(yàn)）課程，課程性質(zhì)為學(xué)科基礎(chǔ)課程—學(xué)科核心課，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)由原有的6學(xué)時(shí)延長(zhǎng)為9學(xué)時(shí)。材料科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)主要對(duì)材料科學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)的運(yùn)用，主要驗(yàn)證材料成分、組織結(jié)構(gòu)、性能等要素之間的相互關(guān)聯(lián)[1]，也是檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握以及提升學(xué)生的實(shí)踐能力。

1實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的問(wèn)題

原有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（見(jiàn)表1）設(shè)計(jì)與內(nèi)容不合理：（1）理論與實(shí)踐脫節(jié)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)，主要針對(duì)某一種碳鋼或某一種熱處理后的碳鋼進(jìn)行試樣制備、顯微組織的觀察、硬度的測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較單一、無(wú)法比較，理論依據(jù)也難以找到。在該情況下，學(xué)生比較盲目，不能判斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否正確；（2）學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中全程交流甚少，動(dòng)手能力強(qiáng)的學(xué)生在較短時(shí)間內(nèi)便完成實(shí)驗(yàn)，但動(dòng)手能力弱的學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)難以完成，導(dǎo)致學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效果參差不齊；（3）教師全程參與學(xué)生的實(shí)驗(yàn)，這違背“以學(xué)生為中心”的教學(xué)思想。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，個(gè)別學(xué)生掌握不了實(shí)驗(yàn)基本要領(lǐng)和操作，造成教師重復(fù)指導(dǎo)；（4）實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫(xiě)，實(shí)驗(yàn)報(bào)告千篇一律，沒(méi)有結(jié)合自身實(shí)驗(yàn)狀況和心得體會(huì)進(jìn)行撰寫(xiě)；（5）考核方式簡(jiǎn)單。教師憑實(shí)驗(yàn)報(bào)告的結(jié)果對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核，但發(fā)現(xiàn)試樣的顯微組織圖片和硬度指標(biāo)互相借用，無(wú)法反映學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α⒉僮魉降母叩汀?

2團(tuán)體協(xié)作實(shí)驗(yàn)實(shí)施

基于以上存在的問(wèn)題，引領(lǐng)學(xué)生從個(gè)體向團(tuán)體轉(zhuǎn)化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，主要從制定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、試樣選擇、提煉的實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作等角度進(jìn)行實(shí)施。

2.1設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

為了避免單一驗(yàn)證型的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，教師根據(jù)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)、學(xué)生的學(xué)情分析以及實(shí)驗(yàn)室的硬件條件，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)數(shù)量沒(méi)有變化，但實(shí)驗(yàn)類型改變?yōu)榫C合性質(zhì)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也進(jìn)行了擴(kuò)展，每一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包含至少四種不同成分或熱處理工藝的試樣，學(xué)生通過(guò)多種試樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)一定的實(shí)驗(yàn)規(guī)律和現(xiàn)象。如實(shí)驗(yàn)2，不同熱處理方式對(duì)鐵碳合金組織的影響，對(duì)于原有實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只研究淬火對(duì)同一成分試樣組織的影響，學(xué)生之間毫無(wú)對(duì)比性和分析性，而調(diào)整后，學(xué)生需要以團(tuán)隊(duì)協(xié)作形式進(jìn)行不同熱處理方式：淬火、退火、正火、回火等對(duì)同一成分試樣的顯微組織的影響，學(xué)生通過(guò)組織圖片，觀察不同熱處理后的組織圖片，分析試樣的表面組織與物相，研究不同熱處理方式對(duì)試樣的顯微組織的影響規(guī)律，探索出與顯微組織相對(duì)應(yīng)的組織理論知識(shí)和鐵碳相圖知識(shí)。

2.2試樣的選擇

根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡男枰?，選擇工業(yè)純鐵（含碳量低于0.0218wt.%）、Q235鋼（0.14～0.22wt.%）、T8鋼（0.75～0.84wt.%）、共晶鑄鐵（4.3wt.%）等鐵碳合金為試樣，這四類試樣的含碳量由低到高的變化，相應(yīng)的組織變化也比較明顯，從鐵素體→鐵素體+珠光體→珠光體→萊氏體變化。

2.3提煉的實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)

本課程實(shí)驗(yàn)涉及到的理論知識(shí)主要有5個(gè)[2-3]：（1）根據(jù)鐵碳相圖，隨著含碳量的增加，室溫下鐵碳合金的組織變化為鐵素體→鐵素體+珠光體→珠光體+二次滲碳體→二次滲碳體→珠光體+二次滲碳體+低溫萊氏體→低溫萊氏體+一次滲碳體→一次滲碳體；室溫下相含量變化為鐵素體逐漸減少，而滲碳體逐漸增多。（2）珠光體和低溫萊氏體均由鐵素體和滲碳體組成的混合組織，其組織形貌由滲碳體的形狀和分布決定。（3）根據(jù)鐵碳相圖，含碳量增加，鐵碳合金的硬度增加，這與鐵碳合金中滲碳體含量增加、而鐵素體含量減少有關(guān)。鐵素體的力學(xué)性能：硬度低（80HBS），而塑性韌性好（斷后伸長(zhǎng)率A為50%；斷面收縮率Z為80%）；滲碳體的力學(xué)性能：比較大的硬度（950～1050HV（維氏硬度），斷后伸長(zhǎng)率A為0）。（4）熱處理溫度、冷卻速率由鐵碳相圖和等溫轉(zhuǎn)變圖（Temperature-Transformation-Time,TTT圖）決定。如T8鋼進(jìn)行淬火處理，淬火溫度選擇Ac1（A1線為鐵碳相圖中的PSK線，加熱時(shí)臨界點(diǎn)，以加“c”區(qū)別，727℃）以上30～50℃；冷卻速率：快冷（大于馬氏體形成臨界冷卻速度）；冷卻介質(zhì)：鹽水等。（5）退火—鐵碳合金容易獲得平衡組織，如珠光體；淬火—馬氏體或下貝氏體組織，正火—索氏體（索氏體+鐵素體），回火—回火馬氏體（低溫回火）、回火屈氏體（中溫回火）、回火索氏體（高溫回火）等。

2.4團(tuán)隊(duì)協(xié)作模式的實(shí)施

團(tuán)隊(duì)的組建。教師講授材料科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、目的和安全操作要領(lǐng)與注意事項(xiàng)后，要求實(shí)驗(yàn)學(xué)生組建團(tuán)隊(duì)，每4人形成一組，同時(shí)推選出有責(zé)任心、團(tuán)隊(duì)意識(shí)和領(lǐng)導(dǎo)能力的小組長(zhǎng)，各個(gè)小組長(zhǎng)直接與教師溝通與協(xié)調(diào)，教師向小組長(zhǎng)分派任務(wù)，小組長(zhǎng)向成員分配實(shí)驗(yàn)任務(wù)，并引領(lǐng)成員實(shí)驗(yàn)操作。小組長(zhǎng)負(fù)責(zé)實(shí)施實(shí)驗(yàn)。以實(shí)驗(yàn)1為例說(shuō)明團(tuán)隊(duì)實(shí)施，其實(shí)驗(yàn)步驟主要有磨樣—拋光—侵蝕—觀察與分析等。首先說(shuō)明每一步驟的注意事項(xiàng)[4-5]：（1）在磨樣環(huán)節(jié)，先采用粗砂紙（砂紙?zhí)枖?shù)比較?。┻M(jìn)行磨樣，然后依次采用砂紙?zhí)枖?shù)增加進(jìn)行磨樣，在每換一種砂紙，試樣磨面劃痕旋轉(zhuǎn)90o，在每一道次使用砂紙磨樣過(guò)程中，需要把上一道次的試樣劃痕磨掉，方可再換另一道次的砂紙。直到最后采用比較細(xì)的砂紙（如1500#）磨樣后方可拋光。在這過(guò)程中，學(xué)生因心里急躁或沒(méi)有掌握實(shí)驗(yàn)要領(lǐng)，在每一道砂紙磨樣后，均會(huì)留下上一道次的劃痕，以此類推，最后在拋光前，發(fā)現(xiàn)試樣的磨面劃痕深淺不一，方向各異，劃痕交叉嚴(yán)重。（2）拋光環(huán)節(jié)是試樣制備好壞的關(guān)鍵。學(xué)生需手持試樣穩(wěn)固，否則試樣在拋光中容易甩拋出去；試樣劃痕應(yīng)與拋光機(jī)旋轉(zhuǎn)方向盡量垂直；水量大小與流速需要適宜控制，做到試樣與拋光布之間有摩擦力但不大；拋光膏涂抹試樣拋光表面要薄、均勻且不定時(shí)涂抹，明確拋光膏的切削作用；拋光時(shí)前期需用力但后期卻施力較小。（3）侵蝕階段，對(duì)表面光滑的試樣采用4%HNO3酒精侵蝕，侵蝕時(shí)，用鑷子夾住脫脂棉蘸硝酸酒精，然后置于試樣表面，待表面變成灰白色即可用清水清洗表面，用酒精擦拭，吹干待用。（4）觀察金相組織環(huán)節(jié)。操作光學(xué)顯微鏡要領(lǐng)要先粗調(diào)，出現(xiàn)圖像后再微調(diào)，注意控制試樣與物鏡的距離?；谝陨喜襟E，學(xué)生以團(tuán)隊(duì)協(xié)作實(shí)施實(shí)驗(yàn)時(shí)，（1）小組長(zhǎng)領(lǐng)取試樣。一個(gè)小組實(shí)驗(yàn)的試樣共四種，每個(gè)成員獲取的試樣是不一樣的，小組長(zhǎng)領(lǐng)取試樣后，分發(fā)給小組成員，同時(shí)指導(dǎo)小組成員制備試樣。（2）小組長(zhǎng)負(fù)責(zé)統(tǒng)籌與協(xié)調(diào)成員使用的試樣和砂紙用量，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，小組長(zhǎng)總結(jié)出不規(guī)范的操作，結(jié)合實(shí)驗(yàn)教材內(nèi)容檢查試樣表面劃痕情況，合格者進(jìn)入下一步實(shí)驗(yàn)步驟，不合格者繼續(xù)操作。（3）團(tuán)隊(duì)成員、團(tuán)隊(duì)之間互相探討，出現(xiàn)問(wèn)題事先歸類為哪一類問(wèn)題，小組長(zhǎng)引領(lǐng)成員進(jìn)行討論，探討問(wèn)題出現(xiàn)的根源，然后根據(jù)討論的結(jié)果繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。（4）團(tuán)隊(duì)每一成員對(duì)該團(tuán)隊(duì)試樣的顯微組織進(jìn)行拍照，對(duì)四種試樣的顯微組織發(fā)至微信群或QQ群進(jìn)行共享，同時(shí)交流顯微組織涉及的信息。成員獲得四種顯微組織圖片后各自進(jìn)行分析與探討，探索出不同顯微組織圖片對(duì)應(yīng)的理論依據(jù)，最后呈現(xiàn)于實(shí)驗(yàn)報(bào)告之中。（5）各個(gè)小組長(zhǎng)根據(jù)各自小組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果、收獲與心得體會(huì)進(jìn)行匯總，向指導(dǎo)教師提交，指導(dǎo)教師反饋于班級(jí)群，學(xué)生互相共享實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)效果。團(tuán)隊(duì)協(xié)作實(shí)驗(yàn)效果主要為（1）針對(duì)實(shí)驗(yàn)實(shí)施出現(xiàn)的問(wèn)題，以小組長(zhǎng)及時(shí)與指導(dǎo)教師溝通，指導(dǎo)教師及時(shí)糾正，這使逐漸形成遇到問(wèn)題及時(shí)解決、尋找解決措施與辦法的學(xué)習(xí)態(tài)度，從而提升自我處理問(wèn)題的能力。（2）小組成員之間形成團(tuán)隊(duì)意識(shí)與合作共享意識(shí)，互幫互助，懂得一件事情的成功完成需要團(tuán)隊(duì)的合作與協(xié)商以及每一個(gè)成員的重要性。（3）教師從煩瑣的指導(dǎo)中解放出來(lái)，使得教師更有精力對(duì)學(xué)生進(jìn)行精準(zhǔn)指導(dǎo)和經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。（4）實(shí)現(xiàn)了以“學(xué)生為中心，教師為引領(lǐng)”的教學(xué)模式。

3結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)于工程類專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)是非常重要的，作為機(jī)械工程類專業(yè)的學(xué)生更是如此。材料科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)不僅是學(xué)生從自然科學(xué)課程向?qū)I(yè)課程學(xué)習(xí)的銜接，也是理論聯(lián)系實(shí)際，提升實(shí)踐能力的主要課程實(shí)驗(yàn)之一，本課程采用團(tuán)隊(duì)協(xié)作形式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程中體會(huì)到團(tuán)隊(duì)協(xié)作的重要性，增強(qiáng)了他們的團(tuán)隊(duì)意識(shí)以及自我管理的能力，相信這種教學(xué)方式會(huì)對(duì)學(xué)生未來(lái)的工作起到潛移默化的影響。

作者:董小平 楊麗穎 李浩東 劉玨 蘇丹丹 單位:河北大學(xué)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院