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摘要：目前，在專業工程認證導向下，機械類專業開設的材料科學基礎實驗課程是培養機械工程相關的技術人才形成良好的實踐能力和創新能力的關鍵學科核心課程之一。為了避免實驗問題的繼續延伸和提升學生的綜合實驗素質，筆者結合多年的教學實施情況，總結出實驗教學中存在的問題，提出了以團隊協作模式進行實驗教學，從實驗項目的設計、試樣的選擇、實驗理論知識的提煉、團隊協作實驗等方面闡述材料科學基礎實驗教學改革，學生在實踐過程中不僅獲得重要的實驗理論知識，而且還提升在實驗過程中的問題思考、分析、解決能力，培養團隊協作意識，實現以“學生為中心，教師引領”的教學方式，從而達到提高并優化材料科學基礎實驗的教學效果的目的。

關鍵詞：材料科學基礎實驗；團隊協作；機械工程專業；教學改革

機械類專業工程教育認證標準（2015版）明確指出，機械類專業開設的工程基礎類科目要求“以數學與自然科學為基礎，培養學生應用數學或數值方法，發現并解決實際工程問題的能力。包括理論力學、材料力學、熱流體、電工電子學、材料科學基礎等知識領域?！睘榇?，河北大學機械設計制造及其自動化專業為了適應工程認證標準要求，在2019版本科專業人才培養方案修訂中設置了材料科學基礎（含實驗）課程，課程性質為學科基礎課程—學科核心課，實驗學時由原有的6學時延長為9學時。材料科學基礎實驗主要對材料科學基礎理論知識的運用，主要驗證材料成分、組織結構、性能等要素之間的相互關聯[1]，也是檢驗學生對理論知識的掌握以及提升學生的實踐能力。

1實驗教學中的問題

原有實驗項目（見表1）設計與內容不合理：（1）理論與實踐脫節。學生在實驗時，主要針對某一種碳鋼或某一種熱處理后的碳鋼進行試樣制備、顯微組織的觀察、硬度的測試，實驗結果比較單一、無法比較，理論依據也難以找到。在該情況下，學生比較盲目，不能判斷實驗結果是否正確；（2）學生在實驗過程中全程交流甚少，動手能力強的學生在較短時間內便完成實驗，但動手能力弱的學生在規定時間內難以完成，導致學生的實驗效果參差不齊；（3）教師全程參與學生的實驗，這違背“以學生為中心”的教學思想。在實驗過程中，個別學生掌握不了實驗基本要領和操作，造成教師重復指導；（4）實驗報告的撰寫，實驗報告千篇一律，沒有結合自身實驗狀況和心得體會進行撰寫；（5）考核方式簡單。教師憑實驗報告的結果對學生進行考核，但發現試樣的顯微組織圖片和硬度指標互相借用，無法反映學生的實驗能力、操作水平的高低。

2團體協作實驗實施

基于以上存在的問題，引領學生從個體向團體轉化進行實驗，主要從制定實驗項目、試樣選擇、提煉的實驗理論知識和團隊協作等角度進行實施。

2.1設計實驗項目

為了避免單一驗證型的實驗項目，教師根據教學經驗、學生的學情分析以及實驗室的硬件條件，實驗項目設計數量沒有變化，但實驗類型改變為綜合性質，實驗內容也進行了擴展，每一個實驗項目包含至少四種不同成分或熱處理工藝的試樣，學生通過多種試樣實驗結果的對比，發現一定的實驗規律和現象。如實驗2，不同熱處理方式對鐵碳合金組織的影響，對于原有實驗，學生只研究淬火對同一成分試樣組織的影響，學生之間毫無對比性和分析性，而調整后，學生需要以團隊協作形式進行不同熱處理方式：淬火、退火、正火、回火等對同一成分試樣的顯微組織的影響，學生通過組織圖片，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試樣的顯微組織的影響規律，探索出與顯微組織相對應的組織理論知識和鐵碳相圖知識。

2.2試樣的選擇

根據實驗內容和實驗目的的需要，選擇工業純鐵（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提煉的實驗理論知識

本課程實驗涉及到的理論知識主要有5個[2-3]：（1）根據鐵碳相圖，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。鐵素體的力學性能：硬度低（80HBS），而塑性韌性好（斷后伸長率A為50%；斷面收縮率Z為80%）；滲碳體的力學性能：比較大的硬度（950～1050HV（維氏硬度），斷后伸長率A為0）。（4）熱處理溫度、冷卻速率由鐵碳相圖和等溫轉變圖（Temperature-Transformation-Time,TTT圖）決定。如T8鋼進行淬火處理，淬火溫度選擇Ac1（A1線為鐵碳相圖中的PSK線，加熱時臨界點，以加“c”區別，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：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團隊協作模式的實施

團隊的組建。教師講授材料科學基礎實驗內容、目的和安全操作要領與注意事項后，要求實驗學生組建團隊，每4人形成一組，同時推選出有責任心、團隊意識和領導能力的小組長，各個小組長直接與教師溝通與協調，教師向小組長分派任務，小組長向成員分配實驗任務，并引領成員實驗操作。小組長負責實施實驗。以實驗1為例說明團隊實施，其實驗步驟主要有磨樣—拋光—侵蝕—觀察與分析等。首先說明每一步驟的注意事項[4-5]：（1）在磨樣環節，先采用粗砂紙（砂紙號數比較?。┻M行磨樣，然后依次采用砂紙號數增加進行磨樣，在每換一種砂紙，試樣磨面劃痕旋轉90o，在每一道次使用砂紙磨樣過程中，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的砂紙（如1500#）磨樣后方可拋光。在這過程中，學生因心里急躁或沒有掌握實驗要領，在每一道砂紙磨樣后，均會留下上一道次的劃痕，以此類推，最后在拋光前，發現試樣的磨面劃痕深淺不一，方向各異，劃痕交叉嚴重。（2）拋光環節是試樣制備好壞的關鍵。學生需手持試樣穩固，否則試樣在拋光中容易甩拋出去；試樣劃痕應與拋光機旋轉方向盡量垂直；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、均勻且不定時涂抹，明確拋光膏的切削作用；拋光時前期需用力但后期卻施力較小。（3）侵蝕階段，對表面光滑的試樣采用4%HNO3酒精侵蝕，侵蝕時，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）觀察金相組織環節。操作光學顯微鏡要領要先粗調，出現圖像后再微調，注意控制試樣與物鏡的距離?；谝陨喜襟E，學生以團隊協作實施實驗時，（1）小組長領取試樣。一個小組實驗的試樣共四種，每個成員獲取的試樣是不一樣的，小組長領取試樣后，分發給小組成員，同時指導小組成員制備試樣。（2）小組長負責統籌與協調成員使用的試樣和砂紙用量，一旦出現問題，小組長總結出不規范的操作，結合實驗教材內容檢查試樣表面劃痕情況，合格者進入下一步實驗步驟，不合格者繼續操作。（3）團隊成員、團隊之間互相探討，出現問題事先歸類為哪一類問題，小組長引領成員進行討論，探討問題出現的根源，然后根據討論的結果繼續進行實驗。（4）團隊每一成員對該團隊試樣的顯微組織進行拍照，對四種試樣的顯微組織發至微信群或QQ群進行共享，同時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行分析與探討，探索出不同顯微組織圖片對應的理論依據，最后呈現于實驗報告之中。（5）各個小組長根據各自小組的實驗結果、收獲與心得體會進行匯總，向指導教師提交，指導教師反饋于班級群，學生互相共享實驗結果與實驗效果。團隊協作實驗效果主要為（1）針對實驗實施出現的問題，以小組長及時與指導教師溝通，指導教師及時糾正，這使逐漸形成遇到問題及時解決、尋找解決措施與辦法的學習態度，從而提升自我處理問題的能力。（2）小組成員之間形成團隊意識與合作共享意識，互幫互助，懂得一件事情的成功完成需要團隊的合作與協商以及每一個成員的重要性。（3）教師從煩瑣的指導中解放出來，使得教師更有精力對學生進行精準指導和經驗的總結。（4）實現了以“學生為中心，教師為引領”的教學模式。

3結束語

實驗教學對于工程類專業的學生來說是非常重要的，作為機械工程類專業的學生更是如此。材料科學基礎實驗不僅是學生從自然科學課程向專業課程學習的銜接，也是理論聯系實際，提升實踐能力的主要課程實驗之一，本課程采用團隊協作形式進行實驗教學，使學生在實驗實施過程中體會到團隊協作的重要性，增強了他們的團隊意識以及自我管理的能力，相信這種教學方式會對學生未來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:河北大學質量技術監督學院