孫德山 李偉 馬玉春 董治中 劉德寶

【摘 ?要】 文章以金相實(shí)驗(yàn)為例，結(jié)合專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀與問(wèn)題，提出通過(guò)改善實(shí)驗(yàn)條件、豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、借助學(xué)科競(jìng)賽等方式進(jìn)行材料專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的探索與實(shí)踐。旨在提高實(shí)踐教學(xué)效果，提升大學(xué)生競(jìng)爭(zhēng)力，培養(yǎng)具有工程意識(shí)、創(chuàng)造性思維、團(tuán)隊(duì)合作能力和自主性學(xué)習(xí)能力的專業(yè)型人才，為進(jìn)一步探索理工科專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)改革提供了思路。

【關(guān)鍵詞】 金相分析；實(shí)踐教學(xué)；材料專業(yè)教學(xué)

面對(duì)新一輪的科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，壯大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，積極發(fā)展未來(lái)產(chǎn)業(yè)，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新引領(lǐng)發(fā)展，提升新質(zhì)生產(chǎn)力是當(dāng)務(wù)之急。因此，社會(huì)對(duì)多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才的需求是必不可少的。高校作為工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要基地，如何增強(qiáng)學(xué)生的工程意識(shí)、創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)具備多維知識(shí)結(jié)構(gòu)、熟練掌握新質(zhì)生產(chǎn)資料的應(yīng)用型人才，是高校教育工作的重中之重。

材料學(xué)科是一門與生產(chǎn)企業(yè)，尤其是新興前沿行業(yè)密切相關(guān)的實(shí)踐性學(xué)科。它對(duì)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和專業(yè)素養(yǎng)有較高的要求，因此實(shí)踐教學(xué)對(duì)學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)至關(guān)重要，需要與產(chǎn)業(yè)、行業(yè)、企業(yè)的技術(shù)需求緊密結(jié)合。為了貫徹落實(shí)本科工程教育專業(yè)認(rèn)證中的“產(chǎn)出導(dǎo)向”理念，院校需要加強(qiáng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。金相分析技術(shù)作為材料專業(yè)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，利用金相技術(shù)可以分析材料的微觀組織，從而解析材料組織、結(jié)構(gòu)、加工工藝與性能之間的聯(lián)系，是材料專業(yè)學(xué)生必備的專業(yè)技能。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，新材料不斷涌現(xiàn)，金相學(xué)的應(yīng)用范圍也不再局限于金屬材料，而拓展到了無(wú)機(jī)非金屬材料、礦物、高分子材料等領(lǐng)域，這對(duì)材料專業(yè)學(xué)生進(jìn)行金相技能的培養(yǎng)提出了更高的要求。

一、材料專業(yè)實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀及教學(xué)中存在的問(wèn)題

（一）材料專業(yè)實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀

金相試樣制備及組織分析是材料專業(yè)中一項(xiàng)重要的實(shí)踐課程，涵蓋了金相試樣的制備、金相顯微鏡的使用以及微觀組織結(jié)構(gòu)分析等內(nèi)容，涉及材料科學(xué)與基礎(chǔ)、熱處理工藝、固態(tài)相變等多學(xué)科知識(shí)，對(duì)學(xué)生理論知識(shí)的掌握要求較高。金相試樣的制備過(guò)程包括取樣、鑲嵌、磨制、拋光、腐蝕和顯微組織分析等多個(gè)步驟，每一步都對(duì)學(xué)生的動(dòng)手能力有較高的要求。對(duì)初學(xué)者而言，操作中每一個(gè)環(huán)節(jié)都可能出現(xiàn)問(wèn)題，比如磨制過(guò)程中用力不均可能導(dǎo)致試樣表面不平整；拋光時(shí)用力過(guò)大可能導(dǎo)致拋光介質(zhì)嵌入或試樣飛濺；腐蝕時(shí)間過(guò)短或過(guò)長(zhǎng)都會(huì)影響顯微組織的顯示。因此，學(xué)生要熟練掌握金相試樣的制備，需要長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐鍛煉。

天津理工大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)的金相技能教學(xué)主要包括以下幾個(gè)方面：首先，在“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程中，開設(shè)了“鐵碳合金平衡組織觀察與顯微鏡的使用”演示驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，這使學(xué)生對(duì)金相技術(shù)有了初步的認(rèn)識(shí)。其次，在認(rèn)識(shí)實(shí)踐環(huán)節(jié)，設(shè)置了金相試樣制備實(shí)驗(yàn)，旨在初步培訓(xùn)學(xué)生金相制樣技術(shù)。最后，在材料綜合實(shí)驗(yàn)課程中，通過(guò)對(duì)不同金屬材料進(jìn)行特定熱處理，制備金相試樣，分析其顯微組織，測(cè)試其硬度，以解析熱處理、微觀組織和宏觀性能之間的聯(lián)系。目前的教學(xué)效果顯示，學(xué)生能夠按部就班地完成全流程的實(shí)驗(yàn)操作，并且對(duì)常見材料（如45鋼、T10鋼、40Cr等）經(jīng)過(guò)熱處理后的顯微組織與性能有基本的分析能力。

（二）實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題

1. 實(shí)驗(yàn)相對(duì)單一，學(xué)生鍛煉不足

目前，材料科學(xué)與工程專業(yè)的理論課程主要側(cè)重于碳鋼、鑄鐵等傳統(tǒng)材料，而有色金屬如鋁、鎂、鈦及銅合金等內(nèi)容雖然有涉及，但整體教學(xué)深度較淺。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，以45鋼、T10鋼和鑄鐵等材料為主，對(duì)有色金屬只涉及了鋁合金的熱處理實(shí)驗(yàn)。從目前的教學(xué)效果來(lái)看，學(xué)生在獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)工藝、準(zhǔn)確分析各種材料的顯微組織與性能方面存在一定的能力不足，舉一反三的能力也有所欠缺。這反映了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握還不夠深入、全面，實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中缺乏真正的思考，只是機(jī)械地完成實(shí)驗(yàn)操作。此外，隨著現(xiàn)代社會(huì)技術(shù)的發(fā)展，新材料、新工藝不斷涌現(xiàn)。雖然傳統(tǒng)材料和熱處理工藝仍然重要，但如何與時(shí)俱進(jìn)，引入新材料、新技術(shù)的內(nèi)容，培養(yǎng)適應(yīng)新時(shí)代要求的專業(yè)人才，是高校教師在實(shí)踐教學(xué)中需要認(rèn)真思考和解決的問(wèn)題。

2. 學(xué)生理論基礎(chǔ)較差，實(shí)驗(yàn)態(tài)度敷衍

專業(yè)學(xué)生在材料科學(xué)基礎(chǔ)、熱處理工藝、金屬材料學(xué)等課程的理論知識(shí)掌握不夠扎實(shí)，理解不夠透徹，難以將所學(xué)知識(shí)活學(xué)活用。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生在涉及理論知識(shí)應(yīng)用的情況下，往往會(huì)遺忘大部分知識(shí)點(diǎn)，例如在金相組織分析中，學(xué)生可能無(wú)法清楚區(qū)分相與組織的概念；在中碳鋼顯微組織中，鐵素體和珠光體的區(qū)別甚至無(wú)法明確。此外，學(xué)生對(duì)實(shí)踐教學(xué)的態(tài)度較為敷衍，僅僅是應(yīng)付了事，實(shí)驗(yàn)技巧的掌握僅限于實(shí)驗(yàn)時(shí)段，例如金相顯微鏡的使用是多個(gè)實(shí)驗(yàn)中的常見操作，但總有學(xué)生甚至找不到顯微鏡的開關(guān)。對(duì)實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題，學(xué)生在解決時(shí)缺乏足夠的耐心和技巧，而提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告往往只是實(shí)驗(yàn)結(jié)果的簡(jiǎn)單羅列，缺少對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的深入分析和總結(jié)。

3. 實(shí)驗(yàn)條件受限

專業(yè)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的金相預(yù)磨機(jī)、拋光機(jī)等設(shè)備老化嚴(yán)重，且設(shè)備數(shù)量有限。金相顯微鏡同樣存在老化和配置不足等問(wèn)題。與此同時(shí)，金相試樣制備實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行磨制、拋光、腐蝕等操作，這對(duì)實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地的要求較高。過(guò)去實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地有限，導(dǎo)致學(xué)生排隊(duì)等候的情況頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響了實(shí)踐教學(xué)的效果。

二、實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中的探索與改進(jìn)措施

（一）整合實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，購(gòu)置實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備

2022年底，天津理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料專業(yè)全力準(zhǔn)備工程教育認(rèn)證，并成功通過(guò)認(rèn)證。同時(shí)，學(xué)院計(jì)劃在2024年舉辦天津市大學(xué)生金相技能大賽。為此，專業(yè)對(duì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了整合，并擴(kuò)建了一間金相實(shí)驗(yàn)室，增設(shè)了腐蝕工位，購(gòu)置了10余臺(tái)金相拋光機(jī)，并替換了部分倒置式金相顯微鏡。目前金相實(shí)驗(yàn)室共有20余個(gè)磨制、拋光和腐蝕工位，如圖1所示。另外，組織分析實(shí)驗(yàn)室配備了50余臺(tái)金相顯微鏡?？紤]到實(shí)驗(yàn)操作的時(shí)間性和空間性，目前實(shí)驗(yàn)室可以充分滿足一個(gè)教學(xué)班級(jí)的教學(xué)需求。

（二）充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，開展線上虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

為了提高學(xué)生的預(yù)習(xí)效果并節(jié)省課上教授時(shí)間，教師提前錄制了金相試樣制備的全過(guò)程操作視頻，并在課前要求學(xué)生觀看。這種做法極大地提升了學(xué)生的預(yù)習(xí)效果，部分學(xué)生通過(guò)線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和操作視頻，能夠基本掌握實(shí)驗(yàn)方法。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，教師有更多的時(shí)間和精力可以專注于關(guān)注學(xué)生的操作規(guī)范性和關(guān)鍵步驟，這有助于學(xué)生更好地掌握金相試樣制備的操作技能。

為了彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)條件不足的問(wèn)題，教師還利用實(shí)驗(yàn)空間——國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)提供的線上資源，開展了一系列線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。這些線上實(shí)驗(yàn)包括軸承鋼、滲碳鋼、高速鋼等材料的熱處理實(shí)驗(yàn)，以補(bǔ)充部分無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室中開展的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。通過(guò)這些線上實(shí)驗(yàn)課程，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行操作，獲得更豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

（三）緊密聯(lián)系理論課程，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)考核

基于學(xué)生理論知識(shí)掌握不扎實(shí)的現(xiàn)狀，實(shí)驗(yàn)教師在實(shí)踐教學(xué)前加強(qiáng)了與理論課教師的溝通交流，以便合理調(diào)整實(shí)驗(yàn)時(shí)間與內(nèi)容。舉例而言，在材料科學(xué)基礎(chǔ)課程中，理論課教師講解完Fe-C合金相圖相關(guān)知識(shí)后，及時(shí)安排了“鐵碳合金平衡組織觀察與顯微鏡的使用”實(shí)驗(yàn)。通過(guò)分析典型的試樣，學(xué)生可以將理論知識(shí)與實(shí)踐有機(jī)結(jié)合，鞏固所學(xué)的理論知識(shí)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。另外，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，增設(shè)了考核機(jī)制，針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中的重難點(diǎn)及時(shí)進(jìn)行考核，以提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重視程度，并規(guī)范實(shí)驗(yàn)態(tài)度。例如，在“鐵碳合金平衡組織觀察與顯微鏡的使用”實(shí)驗(yàn)中，隨機(jī)抽查學(xué)生對(duì)試樣的名稱、熱處理狀態(tài)以及顯微組織分析的掌握情況。而在金相試樣制備實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)評(píng)價(jià)每個(gè)學(xué)生制備的試樣的宏觀形貌和顯微組織，來(lái)評(píng)估學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范性。對(duì)不合格的試樣，督促學(xué)生重新制備。通過(guò)這種方式，課程不再局限于規(guī)定的學(xué)時(shí)授課，而是注重評(píng)估學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的實(shí)際掌握程度，從而提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和效果。

（四）依托金相技能大賽，促進(jìn)本科實(shí)踐教學(xué)

學(xué)院成立了金相技能社團(tuán)，主要承擔(dān)普及金相知識(shí)，傳授金相試樣制備技能，組織承辦本校金相技能大賽。依托社團(tuán)，學(xué)院通過(guò)承辦金相技能大賽，以賽促學(xué)、以賽促練、以賽促改，實(shí)現(xiàn)金相相關(guān)實(shí)驗(yàn)的改革。學(xué)院開放實(shí)驗(yàn)室，將金相實(shí)驗(yàn)室在空閑時(shí)間向?qū)W生開放，學(xué)生可通過(guò)預(yù)約進(jìn)行金相實(shí)驗(yàn)練習(xí)。此外，學(xué)院還鼓勵(lì)參加過(guò)比賽的學(xué)生與初學(xué)者分享經(jīng)驗(yàn)，幫助他們更快地掌握金相試樣制備的操作技巧，并解決操作中遇到的問(wèn)題和難點(diǎn)。

（五）增加綜合性實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度

學(xué)院針對(duì)專業(yè)特點(diǎn)，以金相試樣制備為基礎(chǔ)，融入熱處理工藝設(shè)計(jì)、操作，硬度檢測(cè)和組織評(píng)價(jià)等內(nèi)容，對(duì)現(xiàn)有碳鋼的熱處理及組織觀察實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。豐富熱處理試樣種類，增加對(duì)學(xué)生熱處理的工藝設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的訓(xùn)練。以專業(yè)工程教育認(rèn)證為契機(jī)，更新了兩臺(tái)四工位端淬設(shè)備。重開“鋼的淬透性”測(cè)定實(shí)驗(yàn)，通過(guò)熱處理的操作、金相試樣的制備、組織分析、硬度測(cè)定，評(píng)價(jià)不同材料的淬透性，使學(xué)生了解影響淬透性的因素以及淬透性曲線的工程應(yīng)用。

在綜合性實(shí)驗(yàn)授課過(guò)程中，學(xué)院注重培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，結(jié)合材料專業(yè)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，在相關(guān)實(shí)驗(yàn)授課中，規(guī)范化實(shí)驗(yàn)方法。如在“鋼的淬透性”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中指出端淬試驗(yàn)方法的試樣加工尺寸、熱處理工藝、硬度的測(cè)定都要嚴(yán)格按照GB/T 225-2006鋼淬透性的末端淬火試驗(yàn)方法（Jominy試驗(yàn)）中的規(guī)定來(lái)進(jìn)行，如此得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)才有說(shuō)服力和比較性。通過(guò)開設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)態(tài)度，提高學(xué)生綜合分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，使學(xué)生基本具備從事相關(guān)專業(yè)技術(shù)性工作的能力。

（六）加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)安全和環(huán)保教育

在金相試樣制備過(guò)程中，使用金相切割機(jī)、金相拋光機(jī)等高速設(shè)備存在安全隱患。同時(shí)，金相試樣的浸蝕需要接觸無(wú)水乙醇、硝酸酒精等酸性或堿性腐蝕液，這些溶液具有一定的腐蝕性。為確保實(shí)驗(yàn)安全，學(xué)校和學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心都制定了實(shí)驗(yàn)室安全管理制度。在學(xué)生進(jìn)行首次實(shí)驗(yàn)之前，實(shí)驗(yàn)教師會(huì)進(jìn)行統(tǒng)一的安全教育，同時(shí)學(xué)校保衛(wèi)處設(shè)立了實(shí)驗(yàn)安全系統(tǒng)，學(xué)生需通過(guò)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)安全考試并獲得合格證書方可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。此外，在實(shí)際授課時(shí)，教師會(huì)提醒學(xué)生注意佩戴手套、將頭發(fā)挽起等方式以確保實(shí)驗(yàn)安全，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的廢液會(huì)進(jìn)行統(tǒng)一處理，學(xué)生也會(huì)被提醒在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中注意安全和環(huán)保問(wèn)題。

三、結(jié)語(yǔ)

如今社會(huì)對(duì)高級(jí)專業(yè)技術(shù)人才的需求日益增長(zhǎng)，對(duì)大學(xué)生的工程意識(shí)和專業(yè)技能提出了更高的要求。實(shí)踐教學(xué)作為理論教學(xué)的延伸和升華，對(duì)學(xué)生工程意識(shí)和專業(yè)技能的培養(yǎng)至關(guān)重要。以金相實(shí)驗(yàn)為例，文章分析了目前教學(xué)存在的不足之處，并通過(guò)增加實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量、豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、規(guī)范實(shí)驗(yàn)教學(xué)等措施，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的趣味性和科學(xué)性，確保了學(xué)生動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)和效果。通過(guò)舉辦金相技能競(jìng)賽并建立獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，以賽促學(xué)，有效提高了學(xué)生的參與度，為他們提供了實(shí)踐能力培養(yǎng)的機(jī)會(huì)。這不僅提高了材料專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，還為實(shí)踐教學(xué)的改革探索提供了有益啟示。

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