工程材料驗證性實驗教學改革與實踐分析
導語：工程材料有各種不同的分類方法。一般都將工程材料按化學成分分為金屬材料、非金屬材料、高分子材料和複合材料四大類。
工程材料課程具有理論性和實踐性較強的特點。為了提高學生的動手實踐能力，實驗教學中普遍重視設計性、綜合性實驗，而忽視驗證性實驗，往往用綜合、設計性實驗取代驗證性實驗。事實上驗證性實驗是基礎，能對理論知識進行驗證，加深學生對基礎理論的理解，促進學生對知識的掌握，為綜合性、設計性實驗提供有力支撐。因此驗證性實驗是不可替代的，特別是一些經典的、原理性的驗證實驗更是不可或缺的。然而，由於驗證性實驗相對枯燥乏味，學生學習興趣不高，導致整體教學效果不佳。因此，如何調動學生學習的積極性和主動性，提高學生學習興趣，保證良好的教學效果，是工程材料驗證性實驗教學亟須思考和解決的問題。
一、工程材料驗證性實驗的現狀
工程材料傳統的驗證性實驗專案通常為金相試樣的製備鐵碳合金平衡顯微組織分析碳鋼的熱處理及硬度測定碳鋼的熱處理組織觀察等。實驗內容比較單一，限於單一的基本操作或者驗證某一定理、某一結論，不利於學生對知識的綜合理解。驗證性實驗由於實驗結果已知，不能激發學生的求知慾和探索欲，敷衍老師、拼湊實驗結果的現象較多，並且全班同學所做的實驗內容和實驗結果基本相同，這就會導致學生相互抄襲實驗報告，難以達到良好的學習效果。驗證性實驗通常以教師講授和演示為主，學生只是被動地接受，學習興趣不高，大多數學生只是在機械被動地完成任務，根本不動腦思考，實驗教學效果不好。
二、工程材料驗證性實驗教學改革的措施
針對以上現象，我校採取了整合實驗內容、調整實驗方案、改進教學方法、改革考核方式等措施，調動學生學習的積極性和主動性，以期取得良好的教學效果。
(一)整合實驗內容，便於學生對知識的綜合理解
由於實驗內容比較單一，加上各實驗在安排上有一定的時間間隔，做完一個實驗要隔一段時間再做下一個實驗，學生往往在做這個實驗時已經忘了上個實驗是什麼內容，這樣不利於學生系統地考慮前後實驗之間的聯絡，影響對知識的綜合理解。針對這種情況，我校對實驗內容進行了調整，即整合內容關聯緊密的`實驗專案，以保證知識的連貫性和系統性。
我們將金相試樣的製備和鐵碳合金平衡顯微組織分析實驗專案進行整合：將金相試樣的製備實驗中製備好的試樣直接用於鐵碳合金平衡顯微組織分析實驗，不再給學生提供製備完好的試樣，而是由他們自己動手製備金相試樣。由於學生對自己的作品往往更關注，觀察會更認真仔細，因此這樣的整合有利於調動學生的主動性並帶動學生深入思考。另外，經過製備觀察比較的全過程，學生既學會了制樣、使用顯微鏡、觀察金相組織這些基本實驗技能，又掌握了組織顯示的原理及成分對組織的影響等知識。
另外，我們將碳鋼的熱處理及硬度測定和碳鋼的熱處理組織觀察兩個專案的內容進行整合，改名為碳鋼的熱處理及組織、硬度檢測實驗，即在熱處理、硬度測定的基礎上增加了組織檢測的內容。經過整合，工藝組織效能這條主線完整地貫穿於實驗之中，便於學生對實驗結果的分析和理解，使學生充分認識熱處理工藝、組織、效能之間的聯絡。
(二)調整實驗方案，激發學生的積極性和主動性
通常每次參加實驗的學生數為15人左右，原實驗方案是所有人的實驗任務或者實驗結果均相同，導致等、靠、抄襲等現象比較嚴重，實驗效果不好。針對這種情況，我校對實驗方案進行了調整：將15人分成2個小組，以小組為單位，實驗採用先分後總的方案進行，即先分解任務、分頭操作，再彙總比較、綜合分析。首先進行任務分解，透過任務分解，學生承擔的實驗任務或者實驗結果不同，這就促使其不得不自己動手操作，解決了等、靠、抄襲等問題;然後進行集中彙總，教師帶領同學進行實驗結果的彙總比較、綜合分析，既可以橫向對比，也可以縱向對比。橫向對比兩組的實驗結果和評價實驗效果，能夠激發學生的競爭意識，調動學生學習的積極性和主動性;縱向對比組內的實驗結果和比較、分析實驗資料，可以得出規律、結論，或驗證理論，達到實驗目的。
在鐵碳合金平衡顯微組織分析實驗專案中，用於觀察的合金為平衡態的20鋼、45鋼、T8鋼、T12鋼、共晶白口鐵、亞共晶白口鐵、過共晶白口鐵，共7種成分。我們首先將學生分成兩個小組，再在每個小組內進行任務分解，將7種成分的材料分發給學生用於製備試樣，保證小組內每個學生的試樣成分不同，相互之間組織不同。這樣做，一來可以用實驗結果的不確定性激發學生的好奇心，調動學生動手製備試樣的積極性和主動性，提高學習興趣;二來由於實驗結果不同，學生之間自然會相互比較，繼而去探究、分析原因，積極地思考，提高實驗效果。製備完成後，師生共同彙總比較實驗結果。透過橫向比較並評價兩組製備的試樣組織顯示的效果，教師指導學生分析原因，提出改進措施;透過縱向比較小組內不同成分的合金組織的不同，學生得出成分對組織的影響規律，進一步理解含碳量對鐵碳合金平衡顯微組織的影響。
(三)改進教學方法，提高教學效果
傳統的驗證性實驗教學方法以教師講授和演示為主，學生只是按老師或指導書上的要求機械地完成實驗。實驗過程中遇到問題，學生根本不去思考，而習慣於找老師手把手地教，或者請老師直接解決，學生被動地接受，動手能力及科學思維得不到有效的訓練。針對這種現象，我校在教學方法上進行了積極的探索，採用啟發式、討論式教學方法，來引發學生思考，調動學習的積極性和主動性。教師在講授過程中，不斷設定問題，透過提問引發學生思考，加深其對基礎理論知識的理解。當實驗過程中遇到問題時，老師先組織學生討論，帶動學生思考，再啟發其找到出現問題的原因及解決問題的辦法。這個過程教會了學生用科學的思維方式分析問題和解決問題，從而收到了良好的實驗效果。
在講授熱處理實驗時，教師可以一邊講解一邊提問：為什麼要對材料進行熱處理、熱處理為什麼能夠改變材料的效能、熱處理工藝是如何制訂的、為什麼過共析鋼一般不採用完全奧氏體化等，透過提問啟迪學生思考，加深其對熱處理的原理的理解。學生在做熱處理的過程中，遇到淬火硬度不足的問題時，首先運用所學知識展開討論，從影響淬火硬度的因素出發，找出加熱溫度低、冷卻速度不夠等可能的原因，再在老師的指導下動手進行組織檢測，結合組織顯示的結果找出淬火硬度不足的真正原因，採取有效的措施，重新進行實驗。透過這個過程，學生的動手能力和科學思維得到了充分的鍛鍊，實驗收到了良好的效果。
由於實驗方案的調整，每個同學的實驗任務不同，這大大增加了教師指導的工作量。學生多，教師指導不過來，就不能及時解決實驗中出現的問題。例如碳鋼的熱處理及組織、硬度檢測實驗專案包括熱處理、硬度測定、組織檢測三部分內容，實驗任務重，而且熱處理工藝多，每次實驗有15～18個工藝。每個同學負責一個工藝的操作，相互間實驗進度不同，各個環節都需要適時進行指導，老師根本指導不過來。針對這種情況，我校採用導生制，在實驗過程中讓學生幫助老師指導。我們選拔兩名成績優秀、樂於奉獻的學生做組長，實驗前讓組長幫助教師準備實驗，提前熟悉實驗內容、學會實驗裝置的操作及使用注意事項;開始做實驗時，組長幫助教師分配實驗任務、指導學生實驗、解決實驗中出現的問題等。如果遇到組長解決不了的問題，教師再集中指導，這樣在一定程度上降低了教師的工作量，能及時地解決實驗中出現的問題，引導學生正確操作、觀察、分析，得出正確的結論，保證實驗順利進行。
(四)改革考核方式，引導學生總結提高
傳統的考核方式是以實驗結果的正確性為主要考核依據的，而驗證性實驗的特點是實驗結果或結論已知，這就會導致學生拼湊實驗結果、修改實驗資料、抄襲實驗報告的現象較多。針對這種情況，我校對考核的側重點進行了調整，即側重於考核對實驗結果的分析和總結，以及對實驗過程中出現的問題的探討與反思。即使實驗結果有偏差，但是如果原因分析清楚，措施採取得當，也不失為一份好的報告。考核側重點的調整，提高了學生做實驗的主動性和積極性。
三、結語
工程材料驗證性實驗內容的整合，保證了知識的連續性和系統性，使學生能更好地理解成分、工藝、組織、效能之間的關係;實驗方案的調整、教學方法的改進及考核方式的改革充分調動了學生學習的積極性和主動性，表現在以下幾個方面：
1.實驗前，學生積極進行預習，積極思考和回答教師講授過程中提出的問題，加深了對實驗原理的理解。
2.實驗過程中學生積極主動進行操作，遇到問題積極找組長和老師討論解決，動手能力和科學思維得到了很大程度的鍛鍊。
3.實驗報告不再千篇一律。學生根據實驗的真實情況，在實驗報告中對實驗結果進行認真地整理和總結，並且對實驗過程中遇到的問題進行仔細的分析和反思，分析問題和解決問題的能力得到了鍛鍊和提高。實踐證明，工程材料驗證性實驗的教學改革充分調動了學生學習的積極性和主動性，提高了學生學習興趣，收到了良好的教學效果，為後續綜合性、設計性實驗教學效果的提高奠定了基礎。