彭成紅, 朱小科, 傅偉文

(華南理工大學 材料科學與工程學院， 廣州 510640)

0 引 言

教學工作是高校永遠的中心、永恒的主題[1]，但是高校的教學仍處于“偏心”狀態(tài)[2]，而實驗教學甚至更加處于教學中的“偏心”狀態(tài)。

實踐教學是大學教學的重要組成部分，是培養(yǎng)大學生創(chuàng)新精神和實踐能力的主要陣地[3]。重視教學，提高高等學校的實驗教學質量，在實驗教學中解決對學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的問題，是一項長期的工程。探討持續(xù)改進金屬材料本科實驗教學質量的途徑，無疑對培養(yǎng)本科生在金屬材料科學與工程方面的創(chuàng)新素質具有重要意義。

1 金屬材料實驗教學現狀

金屬材料實驗課程包括了機械工程材料、金屬材料及熱處理、材料科學基礎、材料微觀分析方法等理論課的實踐教學環(huán)節(jié)，從總體狀況來看，實驗項目豐富，教學模式多樣，取得了一定的成績，但還有很大的發(fā)展空間。目前實驗室已經建立的自主式綜合實驗教學課程，如機械工程材料綜合實驗，從大量學生的實驗過程和實驗報告來看，學生對實驗技能的掌握已經相當好，但對金屬材料相關理論的綜合應用還存在薄弱環(huán)節(jié)；對創(chuàng)新班的實驗教學缺乏經驗。創(chuàng)新班，即本碩(博)連讀班是高等學校的新鮮事物，在本科階段實行寬口徑培養(yǎng)，課程設置寬泛而不深入。對于選擇金屬材料方向的材料創(chuàng)新班學生，他們在金屬材料方面開設的理論課程的比例較少，前期的金屬材料科學與工程理論知識準備不足，加上創(chuàng)新班學習期較短，對全程自主式的實驗課，學生一直反映難度大、時間緊。

此外，一些實驗方法和實驗設備陳舊，對新工藝新技術的傳授不足；本科實驗教學對現代教育技術的利用還需加強，實驗室目前的教學手段仍然以傳統的言傳身教為主，對視頻教學，遠程教學，虛擬教學的應用上尚顯不足。

2 持續(xù)改進教學質量的措施

持續(xù)改進實驗教學質量，是人才培養(yǎng)的基本要求。金屬材料實驗室近年在創(chuàng)新實驗教學方法和模式、建立注重過程監(jiān)控的實驗教學考核方法等方面做了長期的探索，如圖1所示。

圖1 金屬材料實驗教學改革與研究的步驟與內容

2.1 金屬材料實驗教學體系構建

實驗教學創(chuàng)新人才培養(yǎng)的核心內容是實驗教學課程體系的改革。實驗教學需要根據高校發(fā)展總目標與人才培養(yǎng)要求，結合專業(yè)實際和學生的個性化需求，打破傳統的實驗課依附理論課格局，構建強化分層次、立體化的本科實驗教學課程體系。經過多年的探索，2016年開始進行了全校本科教學的大綱修訂，金屬材料實驗教學形成了由演示性、驗證性，到綜合性、數據性、研究性、創(chuàng)新性的分層次的實驗教學體系，見圖2。

圖2 金屬材料分層次實驗教學體系示意圖

金屬材料實驗課程面向的專業(yè)范圍寬，結合目前我校2013年本科教學大綱修訂計劃，修訂了機械工程材料綜合實驗、金屬材料綜合實驗、材料科學基礎實驗等課程的教學大綱，新編制了材料力學性能實驗的教學大綱。大綱對實驗技術的內容進行了更新，對沒有實驗的課程進行了增補，增加了實驗學時，并對每個實驗項目對應的實驗耗材列出詳細清單。材料學院也對材料類創(chuàng)新班的教學計劃和管理方式進行了改革，調整了部分不合理的課程設置，創(chuàng)新班的學生實行雙向流動管理機制等。

實驗教學應以傳授先進的實驗技術為宗旨，機械工程材料綜合實驗教材的更新將對相關內容進行調整。實驗技術的先進性需要與當今的科技發(fā)展接軌。比如，金屬材料實驗中金屬材料的熱處理是比較重要的部分，根據“美國熱處理技術發(fā)展路線圖”[4]，縱觀國內外熱處理技術的發(fā)展，其總體戰(zhàn)略的出發(fā)點大致可分為：① 可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略；② 產品質量的持續(xù)提高；③ 節(jié)約能源；④ 提高生產效率，降低生產成本；⑤ 降低勞動強度，減少勞動力的用量。先進熱處理技術的體現形式首先是對環(huán)境沒有污染，主要特點之一就是節(jié)能[5]。實驗室目前采用了廣泛用于生產的清潔工藝：真空熱處理；等離子熱處理；可控氣氛熱處理；感應加熱熱處理等。

金相技術也是金屬材料實驗課程的重要內容，我校的制樣技術，從1958年金相室成立以來，均采用濕磨技術，即在水流的作用下磨制金相樣品。經調查，這種技術在南方地區(qū)應用廣泛，但需要長時間的水流，對節(jié)約資源，保護環(huán)境不利。拋光工藝方面，各個實驗室采用的拋光料以氧化鋁和氧化鉻居多，但是氧化鋁效率低，氧化鉻污染大。經過綜合考慮，目前實驗教學已經采用了手動干磨，預磨機細磨及金剛石拋光的制樣技術。

2.2 改革實驗教學考核方式，注重過程質量監(jiān)控

實驗教學改革的對象是學生，他們是教學改革的受益者，也是鞭策者，所以教改要實現以學生為主體的師生互動性，在教學內容、教學方法、教學考核、教學管理等方面進行改革，營造個性化的實驗教學服務體系。針對不同的實驗課程類型，制定不同的實驗教學考核方式，基礎性實驗教學采取統一管理、統一批閱、統一評分的模式；綜合性、設計性實驗采用多模式考核方式，目前綜合實驗課程已經形成由實驗預習—實驗過程及數據記錄—實驗技能競賽—PPT實驗匯報演講—實驗報告(論文)等環(huán)節(jié)構成的考核方式。

在“以賽促教”精神的指引下，從2012年開始實驗室開展了實驗課的課內競賽，實驗室積極參加教育部高等學校材料類專業(yè)教學指導委員會主辦的“全國大學生金相技能大賽”；2015年金相技能競賽通過了實驗教學團隊的討論，列入了金屬材料綜合實驗的教學和考核環(huán)節(jié)；2017年在獲得徠卡顯微系統有限公司的支持下，“金屬材料綜合實驗”和“機械工程材料綜合實驗”兩門課程同時開展金相競賽，參加學生超過170人。實驗技能競賽大大激發(fā)了學生的學習興趣與熱情，對改變學生重理論輕實踐的思想有積極意義，也逐步落實了黃伯云院士[6]為大賽提出的“以賽促教，以賽促改，以賽促學”的競賽目的。

2.3 探索實驗課程新模式

實驗室承擔了2014年華南理工與香港高等學校交流計劃的金屬材料綜合實踐教學任務，香港高校的本科生也是大方向招生，寬口徑培養(yǎng)，與我校的創(chuàng)新班培養(yǎng)模式有相似之處，他們的教學思路對我們有可借鑒的地方。城市大學鐘志源教授首先提出了自主實驗，團隊共同完成一個實驗項目的思路，由實驗室擬定實驗方案。

綜合實踐以金屬材料最基本的理論——鐵碳相圖和碳鋼的熱處理轉變曲線為依據，設計了45、T8、T12鋼成分—結構—性能綜合研究的實驗方案。香港城市大學物理及材料科學系的學生與我校創(chuàng)新班學生在課程設置方面有相似之處，而且不可否認，他們的素質也是相當良好的。特別是參加該計劃的香港城市大學的學生，均學業(yè)優(yōu)秀，其中不乏來自內地省市的高考第一名或前十名。從PPT演講和實驗報告內容來看，學生有的選擇了連續(xù)轉變的實驗結果，有的選擇了等溫轉變的實驗結果進行分析，不同程度實現了數據的團隊共享，在綜合運用熱處理原理來設計實驗方案，分析實驗結果方面有明顯進步。我校參加交流計劃的學生來自金屬材料的多個班級，交流計劃項目的學生在“45鋼熱處理綜合實驗報告”中寫到，“通過這次實驗，我體會到實踐與理論的相互作用。課本上的理論知識指導我們來設計實驗”，“而實驗的結果又反過來驗證了理論知識，加深了對知識的理解”。事實證明該實驗教學的模式，對創(chuàng)新班的實驗教學是一次有益的嘗試。

2.4 構建網絡化實驗教學平臺

國內外對實驗教學的現代化相當重視[7-8]，運用現代教育技術促進各級各類教育的改革和發(fā)展，已經成為當今世界各國教育改革的主要趨勢和國際教育界的基本共識。而國際教育界之所以會有這樣的共識，是因為現代教育技術的本質是利用新技術(特別是信息技術手段)去優(yōu)化教育教學過程，從而達到提高教育教學效果、效益與效率的目標[9]。肖毅等[10]認為，現代教育技術的引入，促進了實驗教學手段的改革，啟發(fā)了學校實驗教學與管理新思路，讓學生在進入實驗室實際操作前，能更好地理解、掌握實驗教學內容的知識要點和操作要領，進入實際操作時能順利地達到實驗教學的目的。在實驗教學中，引入現代教育技術，是人才培養(yǎng)和實驗教學改革發(fā)展的必然趨勢。不過具體針對材料科學與工程的實驗教育技術研究還少有報道。

在學校的支持下，2012年實驗室搭建了綜合實驗的教學網站[11]。該網絡教學平臺積累了實驗室從1999年機械工程材料綜合實驗開設以來的教學經驗，教學素材，并新拍攝了一大批教學視頻，使學生在預習、復習及實驗總結方面都更加方便，見圖3。一些實驗項目的虛擬動畫制作仍在進行中。2014～2015年搭建了材料學院實驗中心的交互式開放性多媒體實驗教學系統，該系統示意圖見圖4，初步實現了以學生為中心的立體互動實驗教學方式的搭建。利用這一系統，“實驗室安全規(guī)范”用手機APP平臺考試已有2年。2016年實驗中心在虛擬實驗教學方面開始嘗試，對成本高、時間長、有危害的實驗項目開始虛擬實驗的探索，網頁截圖見圖5[12]。實驗室虛擬實驗面向材料科學基礎、金屬材料力學性能、金屬材料綜合實驗及機械工程材料綜合實驗開設了4個實驗項目，2017年初投入使用，目前已經超過200名學生進行了虛擬實驗。

圖3 金屬材料實驗室網絡實驗教學平臺網頁截圖

圖4 材料學院實驗中心交互式開放性多媒體實驗

圖5 材料學院實驗中心虛擬實驗室網頁截圖

2.5 實驗教學質量評價分析體系試行

教學質量的評價是件很復雜的事，實驗教學質量的評價則更難。它涉及指導教師的教學與指導、實驗技術人員的準備和管理、儀器設備條件以及實驗項目的內容。由于它難，使很多學校不重視質量評價和監(jiān)控，這導致實驗教學循規(guī)導矩，毫無新意[13]。實驗室結合實驗教學的特點，從“教”與“學”兩方面著手，嘗試對實驗教學質量進行評價。

從實施辦法來講，金屬材料實驗教學質量的評價有3個方面:① 學生評教。實驗課程的指導和輔導教師都納入學校的本科教學管理體系，由學生對老師進行評分。內容包含了對指導教師的教學態(tài)度、教學水平和課程收獲的評教。同樣的課程，不同教師的學生評價可以反映出教師的態(tài)度和水平的差異。② 教學組成員自評及互評。每年小組定期總結交流，以自我檢查，相互促進。③ 專家督導對實驗教學課堂紀律、教學方法以及效果等的評價。經過實踐，這些方法對實驗教學質量的提高具有一定的促進作用。

教學質量的評價體系各高等院校，各有方法，常見的以學生評教為主，即以學生為中心的方法。結合工程認證的思想，實驗教學的評價體系還應該引入“目標導向”思路，如何以工程認證的指導思想改進實驗教學質量，這將是今后實驗教學持續(xù)改進的方向之一。

3 實踐效果

在“加快教育現代化，建設教育強國”精神的指引下[14]，金屬材料實驗教學的建設一直在前行的路上。經過實驗教學的持續(xù)改進，取得明顯的建設成效。

(1) 面向多個專業(yè)開展實驗教學，教學方法的改進使眾多學生受益。金屬材料實驗教學面向材料科學與工程專業(yè)金屬材料方向，機械和材料創(chuàng)新班、機械工程、機電工程、材料控制與成形等專業(yè)開展實驗教學，每年接納全校6個專業(yè)方向學生進行實驗，并為其他專業(yè)本科生、研究生提供實驗室開放服務，年受益學生600余人。

(2) 學生實踐能力、創(chuàng)新能力提高顯著。實驗教學要真實地培養(yǎng)學生的實踐能力與創(chuàng)新能力[15]，在實驗室中開展教學活動，才能培養(yǎng)尖端科技人才[16]。實行從過程到結果全程質量控制，切實考察了學生的動手能力、分析問題解決問題的能力，使學生的綜合素質得到全面提高。結合即將完成的材料科學與工程專業(yè)工程教育認證，所采用的教學方法和模式，符合工程教育對實踐教學的要求；通過對全體學生的成績評價，所開設的實驗課全部都達成了課程的教學目標。

學生充分表達了對課程的收獲和喜愛，學生在綜合實驗課程結束后反饋到：“大家都經歷了一段認認真真自己摸索、自己實踐、自己解決問題的過程……”“享受這一種學習方式”。在實驗課程教學的基礎上，組織學生參加競賽，在多次全國大學生金相技能大賽中取得好成績。

(3) 實驗教學隊伍的教學水平得到明顯提高。隨著教學改革的深入，對實驗教學隊伍提出了更高的要求,對實驗技術人員的要求也更高[17]。經過多年的鍛煉，具有現代創(chuàng)新教育意識和教學技能的教師正在成長，特別是青年實驗技術人員在網絡教學平臺和虛擬仿真實驗項目的開發(fā)與維護方面的能力得到提高。厚積薄發(fā)，教學組正式出版了廣東省精品項目資助教材——《機械工程材料綜合實驗》[18]。教材總結了10多年的教學經驗，并融合了實驗教學改革的方法和成果。實驗教學人員多次獲得學校本科教學優(yōu)秀獎，教學組獲得2016年上半年的本科課堂教學質量優(yōu)秀, 課程評教結果排名前10%獎勵。

4 結 語

近幾年來，金屬材料實驗教學以培養(yǎng)學生 “實驗技能、科學素質、創(chuàng)新思維、個性發(fā)展”的綜合能力為目標，在實驗教學體系與內容，實驗教學方法與模式，實驗教學考核方式方面進行了研究和改革，并取得一定的成效。搭建了分層次、個性化金屬材料實驗教學體系，修訂了實驗教學大綱，探索了新型個性化機械類、材料類創(chuàng)新班的實驗教學模式，建立了切實可行的實踐教學評價體系。加強實驗室的硬件建設和先進教育技術的應用，初步建成了以學生自主學習為中心的網絡教學和虛擬仿真實驗教學平臺。持續(xù)改進金屬材料實驗教學質量的實踐與探索，取得良好的教學效果，在高等教育的實踐教學環(huán)節(jié)進行了有益的嘗試。