王泽鑫，史兴岭，朱治愿，金云学；江苏科技大学材料科学与工程学院

一、引言

“金属热处理实验”是一门实践性、设计性及综合性均较强的专业实践必修课，对金属材料专业的学生来说，不仅要掌握热处理这种改善材料性能的方法，更重要的是要能够理解材料的成分、组织和性能之间的关系，能够灵活运用所学热处理工艺解决实际问题[1～3]。这就需要在教学培养的过程中，不断提高学生理论联系实际的能力以及探索创新能力。传统的金属热处理实验属于“验证型”实验，学生在老师的指导下按部就班地完成实验，内容枯燥无趣，实验过程缺少设计性和创造性，学生的主观能动性没有得到发挥，也就无法达到培养学生创新意识和科研能力的目的[4～5]。随着社会的发展，传统的热处理实验教学方法已远远不能满足社会发展对人才的需要，实验教学模式及内容需要改变以适应教育观念的更新和不断变化的人才培养需求[6～7]。

二、金属材料热处理实验教学的现状

学院开设的传统的热处理实验项目有：“碳钢热处理操作、组织观察及硬度测定综合实验”、“铁碳合金平衡组织观察与分析综合实验”、“典型工程材料组织和性能研究综合实验”、“新型有色合金热处理工艺综合实验”及“铁碳合金鉴别实验”。开设这些实验项的主要目的是注重知识的传播和实验技能的训练，教学都是集中授课，虽有一定的设计性，但主要还是单项验证实验。实验准备工作由实验指导教师在课前准备，学生的实际操作在教师指导下按照实验指导书规定的步骤和要求完成的。这些实验项目可以帮助学生加深对理论知识的理解和掌握，并在实验中得到一些基本的技能训练，可以为以后的学习和工作打下良好基础。因此，这些常规的热处理实验项目是最基本的、也是非常必要的。

随着大学生综合素质教育观念的不断深入和大学生创新能力培养与提高的需要以及“卓越工程师教育培养计划”在学校的推广，“验证性”热处理实验已不能满足社会发展对人才的需要。以往的常规实验项目虽然具有部分设计性和开放性的理念，但难以满足高素质综合人才培养的需要。为了培养学生综合运用所学理论知识和实验技能独立分析和解决实际问题的能力，以适应社会对材料人才的需求，我们对金属热处理实验教学进行了改革，在原有的实验基础上，增加了“金属热处理开放设计性实验”。热处理原理与工艺课程中的设计性、开放性实验教学对培养金属材料工程专业学生的实验设计能力、实践能力、创新能力及团队协作能力等方面具有重要的作用[8～9]。通过开放设计性实验教学的锻炼，培养学生理论联系实际的思维方式，提高学生的实践能力，反过来还可以促进理论教学效果的加强。

三、开放设计性实验教学模式的设计与实施

通过“金属热处理开放设计性实验”这个实验的综合训练，让学生能够运用已学到的材料方面的基本理论知识以及基本的实验技能去自主设计常用材料的热处理工艺方案、独立完成热处理实验中的各种热处理操作、进行金相制备和显微组织的观察与分析、完成材料的力学性能的测试与分析工作，深入了解热处理工艺、显微组织和力学性能之间的相互关系，为以后在生产实践中制定合理的热处理工艺打下良好的基础。

(一)实验的设计。为了培养学生综合运用所学的专业理论知识、分析与解决问题的能力，以及训练和培养学生实际操作技能和科技创新的能力，在大三的学期末，用两周的时间开设了“金属热处理开放设计性实验”，这期间实验室24小时对学生开放，有专门的助管和教师负责实验室安全问题。本实验也是一次综合性实验，要求学生运用已学的材料科学基础、金属材料学、材料热处理、机械设计基础等理论知识，参考有关文献资料，对给定的不同工况条件下使用的各金属材料(材料有40CrMn、20CrMnTi、Cr12、GCr15、W18Cr4V、45钢及铸铁)进行分析，以其使用工况和各种性能要求(指标)为依据，正确检验材料、选用材料，制定合理的材料热处理方案，自己动手实施热处理操作、性能测定(以硬度测定为主)、样品制备、金相分析等过程，检测选材和热处理工艺选择的合理性。

图1 设计性实验的完成过程示意图

(二)实验的实施。每五个同学分成一组并选一名同学作为组长，一名实验教师指导三组同学。实验前，由实验教师对学生进行热处理专业知识的复习，包括热处理原理和热处理工艺、金相制备与分析、力学性能测试方法等，各组长合理计划和安排实验时间和实验进度，确保各组学生有条不紊完成实验任务；每组结合常用机械零件(如轴、齿轮、连杆等)正确地选择材料，并观察分析选用的材料的原始金相组织。查阅资料，制定正确的热处理工艺路线，并清楚知道热处理后的显微组织形貌及力学性能；热处理实验及显微组织观察，如出现组织异常，分析并找出原因，实际中的各种疑难和技术问题均可咨询实验教师；力学性能测试与实验结果分析；撰写综合性实验报告，并制作成讲稿进行答辩，指导教师通过提问和总结，分析热处理缺陷产生的原因与防止措施。学生完成整个实验的过程如图1所示。