李一鳴+++段寶玉+++李曉偉+++霍文霞+++張利文+++陳義勝

【摘要】結(jié)合創(chuàng)新人才的培養(yǎng)目標(biāo)，針對(duì)材料科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中存在的一些問題，就實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容和形式提出了改進(jìn)的設(shè)想，著重于學(xué)生素質(zhì)和實(shí)際動(dòng)手能力的培養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】材料科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn) 教學(xué)改革 能力培養(yǎng)

【基金項(xiàng)目】內(nèi)蒙古科技廳“內(nèi)蒙古科技大學(xué)大型科學(xué)儀器開放共享試點(diǎn)建設(shè)”資助。

【中圖分類號(hào)】G420 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2017）10-0243-02

材料科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)是材料相關(guān)專業(yè)最重要的必修實(shí)驗(yàn)課程。該課程的核心內(nèi)容是材料顯微組織分析能力的培養(yǎng)。作為《材料科學(xué)基礎(chǔ)》理論課程外的延伸和補(bǔ)充，實(shí)驗(yàn)課同理論課相互印證并加深，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，從而提高材料專業(yè)學(xué)生分析、解決問題的能力。

從1836年Sorby首次用顯微鏡觀察到魏氏組織開始[1]，顯微組織分析已經(jīng)演變?yōu)橐婚T專業(yè)課程在大學(xué)中廣泛推廣。該課程歷經(jīng)幾十年的改革，內(nèi)容經(jīng)過增刪和更新，授課方式也由傳統(tǒng)講授轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化和演示操作結(jié)合的方式[2]。然而隨著我國經(jīng)濟(jì)和科技實(shí)力的逐步提高，對(duì)創(chuàng)新性人才的素質(zhì)要求也大幅提升，而這也對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了更高的要求[3]。內(nèi)蒙古科技大學(xué)材料專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作可以追溯到建校初期的金相專業(yè)，至今已逾50年。本文根據(jù)作者的教學(xué)體會(huì)和學(xué)生反饋情況，對(duì)材料科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中的一些問題和教學(xué)改進(jìn)設(shè)想進(jìn)行了探討。

1.實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題

1.1 內(nèi)容陳舊、設(shè)計(jì)不合理

材料科學(xué)基礎(chǔ)雖然以金屬學(xué)為其主要內(nèi)容，但除了金屬材料同樣包括陶瓷、高分子以及亞穩(wěn)（納米材料、準(zhǔn)晶、非晶等）等多種材料[4]。其內(nèi)容也更加深入細(xì)致，晶體缺陷、擴(kuò)散等內(nèi)容都已經(jīng)單獨(dú)作為一個(gè)章節(jié)進(jìn)行講授。然而目前材料科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象仍以金屬材料特別是鋼鐵為主，其主要內(nèi)容也以金屬熱處理后典型組織的觀察為主，實(shí)驗(yàn)的深度和內(nèi)容的廣度都亟待進(jìn)一步提升。

另外，實(shí)驗(yàn)課時(shí)緊而任務(wù)重，如何在有限的時(shí)間里高效的傳承知識(shí)決定了實(shí)驗(yàn)課程的質(zhì)量，而實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。以“金相樣品制備”為例，學(xué)生初次制備效果普遍較差。除了手法、力度使用不當(dāng)以外，對(duì)每道次更換砂紙的表面粗糙度的控制確實(shí)需要一定操作經(jīng)驗(yàn)，而這也是學(xué)生普遍反映較為困惑的地方。實(shí)驗(yàn)技能的培養(yǎng)不能一蹴而就，真正練好基本功需要大量的摸索練習(xí)。而該實(shí)驗(yàn)中安排接近2個(gè)小時(shí)來讓學(xué)生自行進(jìn)行磨樣和拋光的練習(xí)，由于同學(xué)缺乏經(jīng)驗(yàn)，因此既無法使學(xué)生一下就熟練掌握這些技巧，又大量占用了實(shí)驗(yàn)時(shí)間。如果將該課程分為兩段，首先講解制備的基本過程和原理，教師進(jìn)行親身示范并實(shí)地展示制備過程中易出現(xiàn)的問題；而將學(xué)生的動(dòng)手練習(xí)放到時(shí)間更加充裕的課余時(shí)間；然后將練習(xí)后的問題反饋，再進(jìn)行實(shí)地糾正。這樣學(xué)生帶著疑問上課，講授過程有針對(duì)性，使得效率更高。

1.2 實(shí)驗(yàn)課程同理論基礎(chǔ)結(jié)合不夠緊密

實(shí)驗(yàn)技術(shù)不僅僅是一種“手上活”，而是一項(xiàng)在專業(yè)知識(shí)、儀器設(shè)備工作原理、數(shù)據(jù)分析知識(shí)等一系列問題了然于心的基礎(chǔ)進(jìn)行的工作。既具有較強(qiáng)的實(shí)踐性，又具有相當(dāng)?shù)睦碚撔?。?shí)驗(yàn)課的學(xué)習(xí)是一個(gè)對(duì)理論課程的驗(yàn)證、加深和拓展的過程。通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察和分析，可以將抽象的理論知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榍逦?、形象的?shí)驗(yàn)結(jié)果，從而進(jìn)一步鞏固理論基礎(chǔ)知識(shí)。反過來，理論基礎(chǔ)對(duì)于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析又起到指導(dǎo)作用。因此理論和實(shí)驗(yàn)應(yīng)該是相互促進(jìn)的關(guān)系。

然而通過教學(xué)過程的反饋發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中很多是知其然但不知其所以然。究其原因，除了理論基礎(chǔ)不夠扎實(shí)以外，如何將理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果聯(lián)系在一起也是一個(gè)重要原因。以“碳鋼熱處理組織分析實(shí)驗(yàn)”為例，最讓學(xué)生感到困惑的是一些復(fù)雜多相組織的識(shí)別。即使是很有經(jīng)驗(yàn)的金相工作者也需要在了解材料的成分和加工處理工藝的基礎(chǔ)上，然后根據(jù)金相組織特征進(jìn)行辨識(shí)和分析。實(shí)際上在金相下簡單的黑與白都有其理論背景在里面，例如馬氏體和回火馬氏體在金相組織下的襯度差別歸因于兩者亞結(jié)構(gòu)的不同，不同組織的細(xì)微結(jié)構(gòu)決定了其在侵蝕劑和顯微鏡下的不同形貌。然而實(shí)驗(yàn)課程更加側(cè)重儀器原理和技術(shù)，但各種基礎(chǔ)理論同金相照片上不同襯度之間的聯(lián)系仍是實(shí)驗(yàn)課程講解的重要內(nèi)容，而這也是目前實(shí)驗(yàn)課程較為欠缺的部分。

1.3 缺乏引導(dǎo)性和吸引力

實(shí)驗(yàn)教學(xué)并不是簡單的傳承實(shí)驗(yàn)理論和技術(shù)，其最終的目的是對(duì)動(dòng)手分析解決問題能力的培養(yǎng)。因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)對(duì)學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)，讓學(xué)生利用所學(xué)理論知識(shí)完成對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析的訓(xùn)練。然而現(xiàn)行實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)置普遍缺乏引導(dǎo)性，基本以驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)為主。以“二元三元合金典型組織的觀察和分析”實(shí)驗(yàn)為例，實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容為學(xué)生進(jìn)行組織觀察后手工繪制組織形貌示意圖。該實(shí)驗(yàn)的基本出發(fā)點(diǎn)應(yīng)該是訓(xùn)練通過相圖對(duì)典型的勻晶、共晶、亞共晶、過共晶、包晶等組織進(jìn)行識(shí)別和分析。應(yīng)該首先結(jié)合相圖進(jìn)行組織預(yù)測(cè)，然后分析顯微組織進(jìn)行驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上也可以通過顯微組織反推相圖基本情況。如果僅以觀察、繪制的形式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)，失去了相圖和顯微組織之間的互動(dòng)，實(shí)驗(yàn)課的功能大打折扣。

實(shí)驗(yàn)課缺乏引導(dǎo)性同樣會(huì)導(dǎo)致吸引力降低，使得學(xué)生缺少學(xué)習(xí)興趣。實(shí)驗(yàn)課程缺少探索的樂趣，無法達(dá)到依靠自己的探究完成分析解決問題的成就感，學(xué)生以簡單的完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告作為實(shí)驗(yàn)課的目的，大大降低了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

1.4考核方式簡單

現(xiàn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核的方式是完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告的課后題，其中相當(dāng)部分是組織形貌示意圖的繪制。完全用組織形貌示意圖繪制的好壞來評(píng)定學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的認(rèn)知并不可靠，更無法反映實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ母叩?。另外，部分?shí)驗(yàn)報(bào)告課后題同理論課習(xí)題重復(fù)，而非實(shí)驗(yàn)教學(xué)的范疇，課后題沒有新意，不能引起同學(xué)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的思考。

2.實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)的設(shè)想

針對(duì)上述實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，對(duì)如何進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了以下思路。

2.1 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容和形式

材料科學(xué)是一門日新月異的科學(xué)，然而實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容幾年甚至十幾年不變，顯然無法跟上發(fā)展的腳步。因此進(jìn)一步拓展和更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)知識(shí)量勢(shì)在必行。例如最新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和問題都可以傳遞給學(xué)生。

另外，實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式要力求高效而有趣。充分利用多媒體數(shù)字技術(shù)，可以播放一些經(jīng)典的科學(xué)視頻等資料，進(jìn)一步增加感性認(rèn)識(shí)。金相顯微鏡多媒體互動(dòng)系統(tǒng)的引入也十分必要。該系統(tǒng)被認(rèn)為是當(dāng)前金屬材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)的最高水平[5]，結(jié)束了原來教學(xué)過程一盤散沙、低效的情況。

2.2 組織實(shí)驗(yàn)興趣小組

興趣小組作為建設(shè)研究型教學(xué)的重要途徑在一些高校已經(jīng)進(jìn)行了有益的探索[6]。在這種模式下鼓勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)研究的探索，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，進(jìn)一步鞏固和加深了理論知識(shí)，同時(shí)鍛煉學(xué)生的動(dòng)手實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

我校的材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)雖然歷史悠久，但一直未開展興趣小組的嘗試。借鑒同類高校的成功經(jīng)驗(yàn)，完全可以根據(jù)我校目前的實(shí)驗(yàn)條件，就一些經(jīng)典的金屬學(xué)問題設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探索。例如對(duì)于原奧氏體晶粒度的測(cè)定，可以結(jié)合熱臺(tái)原位觀察，冷卻后用染色法和侵蝕法進(jìn)行嘗試，探索適合不同的鋼種的工藝。這樣既拓展了學(xué)生知識(shí)面又訓(xùn)練了實(shí)驗(yàn)技能。

2.3 引入實(shí)際案例，開發(fā)探索型教學(xué)模式

現(xiàn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容基本為“紙上談兵”，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課的功能沒有認(rèn)識(shí)，失去興趣，同時(shí)教學(xué)內(nèi)容和現(xiàn)實(shí)情況脫節(jié)，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。將一些現(xiàn)場的實(shí)際案例帶入課堂，例如一些失效破壞的材料，鼓勵(lì)學(xué)生自己思考問題出在什么地方，進(jìn)行金相分析，結(jié)合理論知識(shí)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)完成質(zhì)量問題的鑒定。這樣的案例既鍛煉了實(shí)際分析解決問題的能力，又引發(fā)了學(xué)生對(duì)該課程的興趣。

3.結(jié)語

實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為材料科學(xué)教學(xué)的重要組成部分，在知識(shí)傳承和能力培養(yǎng)上發(fā)揮著不可替代的作用。不論是研究型還是工程技術(shù)型人才的培養(yǎng)都離不開實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)在于理論聯(lián)系實(shí)際，著重動(dòng)手分析問題和解決問題的能力。如何緊跟學(xué)科發(fā)展方向，高效引導(dǎo)學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)理論和技能仍然是擺在教育工作者面前的重要課題。

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作者簡介：

李一鳴，男，講師，內(nèi)蒙古科技大學(xué)分析測(cè)試中心。