田如錦，丁志敏，劉 芳

（大連交通大學 材料科學與工程學院，遼寧 大連 116028)

實驗教學和理論教學都是高等教育教學體系的重要組成部分，兩者既相輔相成又密不可分。實驗教學能夠促進學生加深理論知識理解，為培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維以及提高分析與解決問題能力提供了理論與實踐結(jié)合的平臺，是協(xié)同提高學生綜合素質(zhì)和實踐能力的必要環(huán)節(jié)。

“重視理論、輕視實踐”和“強調(diào)知識灌輸、忽視能力培養(yǎng)”是高等學校人才培養(yǎng)過程中長期存在的現(xiàn)象，嚴重制約了學生樹立創(chuàng)新精神和提高工程實踐能力。為此，《國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略綱要》指出到2020 年我國要基本建成中國特色國家創(chuàng)新體系，這意味著創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)已經(jīng)成為當前的首要任務和重要職能。

不同于其他工科專業(yè)，材料專業(yè)主要立足于研究材料的化學成分與組織結(jié)構(gòu)、制備工藝和性能及其相互關(guān)系，特別是真實材料及其在工業(yè)工程領(lǐng)域的合理應用。不同于其他工科專業(yè)，實驗教學對于培養(yǎng)學生分析和解決問題能力的重要作用是不可忽視和替代的。

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，各相關(guān)學科和各專業(yè)課程間的相互滲透與交叉日益增加，涉及多學科綜合的實驗內(nèi)容和技術(shù)方法往往難以納入相對應的理論課實驗中去。正是材料專業(yè)的特殊性導致這種現(xiàn)象在實驗教學實施過程中表現(xiàn)得尤為突出。

一、實驗教學現(xiàn)狀與不足

隨著近年來高校不斷擴招和學生數(shù)量驟增，設備資源緊張和實驗經(jīng)費不足的矛盾在實驗教學上體現(xiàn)得更加明顯，許多實驗無法按教學計劃正?；蝽樌_展。與此同時，學生所學理論知識和實際工程應用嚴重脫節(jié)或無法合理銜接，難以滿足現(xiàn)代化工程技術(shù)人才的培養(yǎng)要求，實驗教學沒有充分發(fā)揮其理論與工程實踐相銜接的橋梁作用。

在傳統(tǒng)教學過程中，受實驗條件和安全因素限制，往往以驗證性或演示性為主要實驗形式，內(nèi)容也多局限于材料的顯微組織觀察和硬度測量、相圖測定等。教師講述實驗目的、內(nèi)容、操作步驟、儀器設備使用方法和安全注意事項。由于方法相對簡單和可預知結(jié)果，學生只要按照實驗步驟機械性操作即可順利完成實驗。在這種情況下，學生通常處于被動接受教師講授知識的狀態(tài)，完全不需要獨立思考，無法激發(fā)學生的求知欲和調(diào)動其參與實驗的積極性與主動性，更談不上實現(xiàn)通過實驗與實際工程應用建立聯(lián)系的目的。

其次，實驗教學與理論授課沒有實現(xiàn)良性銜接，即受各方面因素影響實驗安排提前或滯后，學生沒能及時進一步充分理解與掌握某些知識難點和重點，便不能真正體現(xiàn)其在教學過程中的特定優(yōu)勢作用。

此外，教學大綱中一般都明確規(guī)定了實驗課程的總學時數(shù)以及每個實驗的學時數(shù)，即每個學生必須完成教學大綱規(guī)定的實驗內(nèi)容，學生難以自主利用相關(guān)儀器設備進一步深入探究實驗內(nèi)容，從而造成其探索精神、創(chuàng)造能力和團隊意識缺失[1]。

二、特色實驗教學體系建設

針對材料專業(yè)的特點和現(xiàn)存問題，實驗教學體系建設主要從教學安排的層次性、教學模式的開放性、教學內(nèi)容的研究性和教學方法的虛實結(jié)合性方面入手，如圖1 所示，全方位培養(yǎng)學生獲取與運用知識、發(fā)現(xiàn)和解決問題、歸納和總結(jié)能力以及發(fā)散和創(chuàng)新思維發(fā)展。

（一）實驗教學安排的層次性

考慮到材料專業(yè)實驗教學體系相對復雜，依據(jù)循序漸進的原則，實驗教學安排上分為基礎性、專業(yè)性和綜合性實驗，三者間既彼此獨立，又密不可分，缺一不可。通過進一步協(xié)調(diào)和整和知識結(jié)構(gòu)和課程體系，注重和強調(diào)階段性和層次性培養(yǎng)學生素質(zhì)與能力[2]。

首先，基礎性實驗與專業(yè)基礎課（材料科學基礎）相配合，以基本實驗技能訓練為出發(fā)點，主要是要求學生掌握基本實驗方法、知識和操作技能等，能夠規(guī)范、標準地操作各種儀器設備，引導其樹立正確的科研態(tài)度，為后續(xù)的專業(yè)性和綜合性實驗奠定堅實基礎。教學過程中明確規(guī)定實驗選題、內(nèi)容、方案和操作方法，學生能在一定程度上根據(jù)所學理論知識預知實驗結(jié)果。如實驗內(nèi)容包括掌握基礎金屬體系和相圖、熟悉金相顯微鏡的結(jié)構(gòu)和使用方法、定量金相與金相試樣制備等。

其次，專業(yè)性實驗主要圍繞材料制備、微觀結(jié)構(gòu)分析或某些性能等方面內(nèi)容，要求學生以針對性解決制備工藝、組織結(jié)構(gòu)表征、性能測試等專業(yè)性問題為目的，將掌握相關(guān)儀器設備的使用方法轉(zhuǎn)變?yōu)榻鉀Q和分析問題的手段?！皩I(yè)性”是指實驗內(nèi)容與專業(yè)課程知識點關(guān)聯(lián)，主要涉及“材料制備技術(shù)”“熱處理原理與工藝”“材料現(xiàn)代分析方法”“熱處理設備”“材料力學性能”“材料物理性能”“金屬腐蝕與防護”等。如金屬材料的力學性能指標（抗拉強度和屈服強度等）測量、熱處理設備操作和熱處理工藝制定、電化學腐蝕性能評價、利用x 射線衍射技術(shù)和透射電鏡進行物相鑒定與晶體結(jié)構(gòu)分析等。經(jīng)過一系列專業(yè)性實驗訓練，在此階段學生熟練掌握各種實驗方案設計、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析等基本手段。

由于材料專業(yè)的各門專業(yè)課程間也存在著密切聯(lián)系，僅憑基礎性和專業(yè)性實驗并不能實現(xiàn)系統(tǒng)知識的全面理解和融會貫通。為了解決這一問題，在此基礎上設置的綜合性實驗則以使各門專業(yè)課內(nèi)容進一步相互融合為核心，在相對孤立的專業(yè)課程間架設橋梁，加強階段性學習有機聯(lián)系，強化深入理解知識點，從而達到學生能夠自行設計方案、綜合運用專業(yè)知識解決問題和提高工程實踐能力的目的。因此，綜合性實驗更加著重強調(diào)培養(yǎng)學生綜合專業(yè)素質(zhì)，這恰恰是選擇、運用和調(diào)控各種復雜工程實踐能力的前提和基礎。

綜合性實驗屬于多學科交叉、深層次的實驗課程，具有由單一驗證型向設計、研究探索型轉(zhuǎn)變的作用。綜合性實驗選題以貫穿所學全部專業(yè)課程的主要知識點為宗旨，全面將材料設計、工藝改進和研發(fā)利用進行合理規(guī)劃，即相當于一個小型研究課題（項目）。除了涉及材料制備、加工工藝、性能測試和組織結(jié)構(gòu)表征外，這類實驗更側(cè)重于化學成分—組織結(jié)構(gòu)—加工工藝—性能間的相互關(guān)系，實驗過程中幾乎涵蓋材料學科研究常用的儀器設備和包括所學的全部專業(yè)理論課知識。如不同材料（包括工模具鋼、彈簧鋼等）的綜合熱處理實驗，旨在提高學生的各項操作技能和對理論知識的深入理解。鑒于所涉及知識點多、內(nèi)容范圍廣、儀器設備復雜、實驗工作量大等特點，綜合性實驗一般以團隊形式進行，所有成員共同參與實驗方案設計，分工承擔不同任務，共同分析總結(jié)和改進，獨立完成實驗報告，培養(yǎng)學生綜合實驗技能和工程實踐能力。同時，綜合性實驗還要緊密跟蹤學科研究熱點領(lǐng)域，適時更新和優(yōu)化設計實驗內(nèi)容，為學生提供更多接觸學科前沿研究成果的機會，有效縮短實驗教學和工程實際應用的距離。

顯然，通過上述由低年級到高年級的階段性和由淺入深的實驗訓練，學生切實掌握材料學科基本實驗技能和研究方法，進一步加深專業(yè)背景和拓寬專業(yè)視野，真正實現(xiàn)學以致用和學有所用。

（二）實驗教學模式的開放性

材料專業(yè)畢業(yè)生主要從事科學研究、技術(shù)開發(fā)、設備和生產(chǎn)管理等工作，實驗教學對培養(yǎng)高級工程技術(shù)人才的作用是顯而易見的。因此，必須將設計研發(fā)與實驗教學有機結(jié)合，密切關(guān)注最新研究成果與技術(shù)革新，適時更新與調(diào)整相關(guān)實驗內(nèi)容，實現(xiàn)模擬實際工況和提前練兵的目的。

多年的教學實踐表明傳統(tǒng)的實驗教學模式并不適應當前培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力需要。開放性實驗教學就是體現(xiàn)在教學模式的變化，即從“以教師為主，學生為輔”轉(zhuǎn)變?yōu)橐浴皩W生為主、教師為輔”。開放性實驗教學原則上要最大限度的對學生開放，不受實驗場地、學時和項目的約束，包括從實驗內(nèi)容適應、教學方法、課堂活動、設備資源到實驗管理等方面的全面開放，為學生提供充分的創(chuàng)新與實踐空間[3-5]。然而，教學模式的開放性并不意味著隨意和放任，還必須建立一些與實驗教學有關(guān)的規(guī)章制度對其加以約束，既自由靈活、自主快捷,又安全規(guī)范有序、有效控制和保證實驗教學質(zhì)量。為了保證實驗教學活動正常有序運行，前期培訓環(huán)節(jié)（包括儀器設備、安全事項和低值易耗品使用等）應盡可能細化。實驗項目開放要圍繞材料設計、制備、加工工藝、微觀結(jié)構(gòu)分析及性能測試和及其應用。另一方面，要最大程度地利用現(xiàn)有的實驗條件，其中包括但絕不限于某種實驗方法或儀器設備的操作和使用。學生徹底擺脫實驗指導書束縛，自行查閱相關(guān)文獻資料，獨立擬定解決問題的實驗計劃(包括材料選擇、方案制定等)和完成實驗，圍繞核心問題探討和研究其產(chǎn)生原因、結(jié)果合理性和發(fā)展變化趨勢等。如學生可以在周末或假期在實驗室針對自己的專業(yè)興趣進行科研活動。作為實驗的主體，學生依靠已掌握知識、技術(shù)方法或經(jīng)驗，在實踐中充分體驗獲取知識的快樂，最大限度地發(fā)揮主觀能動性和深層次學習討論，從而使枯燥的理論知識原理傳授更易于理解和掌握，開闊和拓寬了專業(yè)視野。主動性是開放性實驗教學模式成敗的關(guān)鍵因素，教師在此過程中有意識地引導學生探索專業(yè)知識和答疑解惑，促使學生有熱情和興趣并積極參與實驗活動。這種開放式實驗教學模式強調(diào)學習的實踐性和真實體驗，注重鍛煉學生學習的自覺性和協(xié)作能力，加強知識積累和專業(yè)技能訓練。

（三）實驗教學內(nèi)容的研究性

基于材料專業(yè)的自身特點和強調(diào)實踐性，教學過程中更不能忽視教學內(nèi)容的研究性及其研究過程。作為一項系統(tǒng)工程，實驗教學內(nèi)容的研究性主要體現(xiàn)在教學過程的設計性上，即從研究思想、手段、策略等方面進行全新設計[6,7]。實驗教學的中心思想旨在緊密結(jié)合本專業(yè)特點精心設計一些有一定難度的實驗項目或科研課題，著重引導學生通過自主選題、查閱文獻資料、實驗方案設計、動手操作、數(shù)據(jù)分析和形成合理結(jié)論，從而進一步熟悉、掌握和重新認知并靈活運用所學理論知識。在不斷出錯和改錯的研究過程中，切實體會取得新研究成果所帶來的艱辛與成就感，也正是考驗意志力和抗壓能力的心理素質(zhì)鍛煉過程。把研究性問題融于教學活動中，學生徹底摒棄順從和依賴心理，主動參與與積極探索創(chuàng)新，不斷學習科研方法和提高科研素養(yǎng)和綜合工程實踐能力。如學生可選擇表面改性技術(shù)提高不銹鋼的耐磨性，并對其機理和影響因素進行分析。由此可見，創(chuàng)新能力必須不斷通過實踐歷練，而不能僅憑簡單的理論知識累積。在研究過程中善于發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、新反應和新規(guī)律等，仔細分析、解釋和科學歸納、總結(jié)，敢于質(zhì)疑和否定前人的理論，勇于提出新的觀點和理念。即便證明自己的結(jié)論存在一定的偏頗或錯誤，也敢于大膽承認和尋找新思路、重新設計和反復實驗，最終提出有說服力的論點，從而驗證實驗方案的正確性。教學內(nèi)容的研究性所能給予學生的正是在一次次挫折或失敗中樹立不懼困難和越挫越勇的精神、彼此取長補短和團結(jié)協(xié)作的團隊意識、敢于冒險嘗試和鼓勵標新立異的創(chuàng)新能力、認真嚴謹和實事求是的科研態(tài)度。

（四）實驗教學方法的虛實結(jié)合性

真實實驗教學不具備或難以完成大型儀器的不可視結(jié)構(gòu)或原理展示和實際工況環(huán)境模擬，虛擬仿真實驗則能對這些教學功能進行有效補充和拓展[8]。通過構(gòu)建仿真虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，學生能獲得與真實實驗近乎相同的切身體驗，深入理解常見實驗儀器設備的基本構(gòu)造、原理和使用方法。正是基于虛擬仿真實驗具有不受時間空間、實驗條件約束限制以及可控制性強等優(yōu)點，學生能實時調(diào)節(jié)實驗工藝參數(shù)、記錄詳細信息和分析實驗結(jié)果。如通過“晶體結(jié)構(gòu)虛擬仿真實驗”，學生可以充分利用人機交互技術(shù)研究原子堆垛方式，從而掌握和理解晶體學中空間點陣、晶胞、晶面和晶面指數(shù)等難點問題。或利用仿真軟件模擬各種材料制備與成型方法，學生就能夠清楚地觀察到在這些實驗過程中材料所發(fā)生的一系列組織和性能變化。因此，在實驗教學活動中引入虛擬仿真實驗不僅為教師的課堂教學和學生的課外學習提供輔助作用，有利于進一步豐富實驗教學內(nèi)容和提高實驗教學質(zhì)量，為學生今后快速適應和從事相關(guān)材料生產(chǎn)與技術(shù)研發(fā)工作奠定基礎。

三、結(jié)語

通過整合和多方位協(xié)調(diào)優(yōu)化教學資源不斷完善實驗教學體系建設，在教學過程中充分利用實驗儀器設備，激發(fā)和調(diào)動學生的學習興趣和參與實驗的主觀能動性，從而進一步深化理解課堂理論知識和提高綜合工程實踐能力，適應當前社會培養(yǎng)應用型創(chuàng)新技術(shù)人才的需求。逐步實現(xiàn)由學會實驗、會做實驗和自行設計完成實驗的平穩(wěn)過渡，有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新精神，是新形勢下實驗教學良性發(fā)展的必然趨勢。