工程材料热处理实验线上教学设计与实践

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2025）13-0108-05

Abstract：Duetotheexperimentandspacerestraint，experimentalteachinglackstheflexibility.Themultiplicationofonline teachingmodesprovidesasolutiontothisproblem.During thespecialperiod，the Heat TreatmentExperimentsforenginering materialshavebencariedoutwithonlineteachingmode.Inthiswork，theonlineteachingofHeatTreatmentExperiments reliesonTencentMeetingforliveteachingandpublishingexperimentaltopics，andthenjoiningtheindependentexperimental grouptodesigntheexperiment;theexperimentaloperationsarereplacedbysuitablevirtualsimulationexperimentsinthe nationalvirtualsimulationexperimentsharingplatform.Theresultsindicatethatthisonlineteachingmodecanusetoprovethe principlesandmechanismsofengineeringmaterialsintheabsenceoftraditionalrealexperimentequipment.Meanwhile，the effectivenessofonlineexperimental teaching iscloselyrelated tothecoursedesign，networkqualityandplatformusage.

Keywords：HeatTreatmentExperiments；onlineteaching;virtualsimulationexperiments;engineeringmaterials；experimental teaching

工程材料是一门囊括材料结构、性能、加工工艺的课程，也是诸多高校材料类、机械类、近机械类专业的基础课程之一[-3]。工程材料实验是工程材料理论教学的必要补充，其中的热处理实验是学生直观理解热处理原理的重要实验4]。学生通过设计实验方案、操作实验设备、分析总结实验数据，培养其理论联系实际、解决具体问题的能力。传统的热处理实验课程基本采用线下教学模式，即学生走进有教师、设备的实验室[7。线下教学模式提供的真实实验环境、实际动手操作、面对面交流答疑，是实现教学目标的有力保障。然而，不可忽略的是仍有部分高校囿于设备、场地、师资的限制，无法开展热处理线下实验。随着线上实验课程资源的日趋成熟8-10，开展了工程材料热处理实验线上教学的设计与实践。

工程材料实验变革

工程材料热处理实验的线下教学模式为：教师课前发布预习报告，学生带着预习报告进入实验室，课上教师会对实验设备进行操作演示，再由学生分组完成不同材料的实验获取数据完成实验报告。2022年秋季，教学团队因无法进人实验室开展线下授课，通过借鉴线上教学宝贵经验[11-13]，充分利用腾讯会议和国家虚拟仿真实验教学课程共享平台，重新设计工程材料热处理实验线上课程，帮助学生加深理解热处理原理并学会设计热处理工艺获得满足应用条件的金属材料。

（1） 课程教学内容的改革

原有的线下热处理实验含4个具体的实验课题：① 测试分析45钢和40CrNiMo连续冷却条件下，不同冷却速度对硬度的影响； ② 测试分析45钢水冷条件下，不同加热温度对硬度的影响； ③ 测试分析45钢水冷后不同加热温度对其硬度的影响； ④ 测定LY12合金淬火后时效时间对其硬度的影响。学生会随机选择一个实验课题，以团队形式开展实验。在实际教学过程中，实验设计部分原为预习内容，但由于实验课题数量较少，导致容易出现实验设计同质化现象。为了提升学生探索的空间，授课团队充分考虑到实验课题的综合性和创新性对实验课题进行了再设计，由原有的4个实验课题扩充至如图1所示的12个实验课题，供学生线上自主选择。扩充的线上实验课题题库可以来源于前沿技术简化模型，也可以是基于现有条件的重构。例如“请设计适当的热处理工艺，使得淬火后的45钢的冲击韧性调整至以下范围： 、

。"这道实验课题与原有课题③ 都是为了加深学生对于回火工艺的理解，但以开放性的形式再结合具体的实际性能，可以增强学生开展实验的情景带人感，提升学生的积极主动性。

（二） 课程教学形式的改革

原有的线下热处理实验为2学时、12～18人的小班授课形式。课上由教师讲解热处理马弗炉的操作、演示水淬过程，中间穿插讲解冲击机和洛氏硬度机的操作。随后学生领取实验材料，根据具体实验要求，选定合适加热温度和保温时间开展实验。

在无实物教学的情况下，授课团队将之前的“以实际动手为主”转为线上的“以实验课题为导向，以设计讨论为中心”。工程材料热处理线上教学的实施流程如图2所示。

线上热处理实验课课前由授课团队预约好腾讯会议会议号并及时发布至班级群，授课人数可增至25＼～30人。线上热处理实验课时仍为2学时，首先是教师在腾讯会议主会场回顾热处理基础知识点，列举1个实验案例。案例分析中包含详尽的实验方案设计依据、设计的工艺参数以及实验过程中可选用的微观结构表征方法和宏观力学性能表征方法。随后，教师发布实验课题库，由小组代表随机选取实验课题，全组成员进人腾讯会议指定分会场。为了弥补无实物实验教学的缺憾，线上实验教学将以设计讨论为中心。以往的设计与讨论停留在预习环节，学生反馈设计试验方案难度较大。在线上教学过程中，教师会进人各腾讯会议分会场，参加小组的讨论。在小组讨论中，学生为主导讨论，教师需要根据每个小组讨论的具体情况合理地提出问题为引导，激发学生积极思考，促进学生主动建立解决实验科学问题与理论课程知识点应用的桥梁。该环节占25～30分钟，主会场需留有一位教师解答学生的疑问。接着，各小组成员再次返回主会场并派出1位代表阐述实验课题与设计方案，其他同学可以及时参与讨论或者补充新的实验设计。实践操作环节由学生在指定时间内登录国家虚拟仿真实验教学课程共享平台，完成指定实验并提交实验报告。

（三） 国家虚拟仿真实验教学课程共享平台的有机融合

国家虚拟仿真实验教学课程共享平台的资源十分丰富，涵盖声、力、热、电和光等多个领域的2000余门虚拟仿真实验课。拟将开展虚拟仿真实验教学的教师需要提前登录平台，筛选与实验教学相关的优质虚拟仿真实验。授课教师可以根据具体的教学目标，制定合适的虚拟仿真实验，并形成新的实验班级，如图3（a）所示。后续学生通过扫描班级二维码或者链接形式可以直接进入任课教师指定的实验环节，开展如图3（b）所示的虚拟仿真实验。

有着较高的要求，因此，授课教师在开展线上教学之前需要反复登录进行实践测试，了解可能出现的情况并提前制定好解决方案。在此次线上实验教学开展之前，授课团队与具体的虚拟仿真实验课教学团队已深度交流并共同制定好解决方案，以确保每一名学生通过虚拟仿真实验均可取得较好的实验体验。

二 线上开展工程材料热处理实验的教学效果

基于以上教学设计思路与虚拟仿真实验嵌人，授课团队于2022年秋季面向能源与动力工程学院、宇航学院等多个专业的200余名大二学生共开展18轮次线上授课。实验的线上教学是一种非常规的教学方式，授课团队十分注重线上实验教学效果，因此在实验结束后发布匿名调查问卷，以期通过问卷的方式了解学生对线上开展实验教学的满意度及目前教学形式存在的问题。此次问卷调查共收回169份有效问卷，占调研人数的 71 . 9 % ，可以比较准确地反馈教学效果。

（一）学生对实验课题方案设计环节的必要性、难易程度、时长安排的满意度情况

本次线上热处理实验教学是以科技大学开发的“金属材料成分、工艺、组织和性能一体化设计虚拟仿真实验"为接口，授课教师选择了其中与教学计划相近的“铁碳相图基础知识"和“热处理综合实验”两个实验模块。实际上，该项目还包含“硬度测量"和“显微镜原理与试样制备"等多个实验模块。鉴于虚拟仿真实验对操作者的电脑、浏览器、网速等硬件条件

在本次热处理实验线上教学过程中，包含长达25～30分钟的小组分组讨论设计实验课题环节。从图4可以看出，学生对该环节的设置，无论从必要性、难易程度、时长安排等方面都有着较高的满意度，其中73 . 4 % 的学生认为分组讨论设计实验课题环节很重要。数据显示，面对创新性实验，学生普遍认为设计合理的实验方案具有一定的难度。因此，无论是线上实验教学还是线下实验教学，授课教师需要通过合适的方式引导学生开展实验设计，在不改变学生自主设计实验的前提下，不断提升学生理论联系实际和开展具体实验课题的能力。

（二）学生对虚拟仿真实验中 相图与铁碳平衡组织观察环节的必要性、难易程度、时长安排的满意度情况

在本次虚拟仿真实验中，授课团队引用了 相图与铁碳平衡组织观察环节。在该环节学生可以选取不同成分铁碳合金在 相图中动态化冷却并及时展现出其现实中的微观组织形成过程，建立抽象的相图曲线与直观的实验组织结构联系，掌握不同成分铁碳合金在冷却过程中显微组织的演变，进而夯实学习热处理知识理论基础。从图5可以看出， 7 6 . 3 % 的学生认为 相图与铁碳平衡组织观察环节很重要， 9 1 . 8 % 的学生认为 相图与铁碳平衡组织观察内容的难易程度合适， 9 1 . 1 % 的学生认为 相图与铁碳平衡组织观察环节时长安排合适。