材料表面技術(shù)概論教學(xué)中學(xué)生科研能力的培養(yǎng)

王燦明 孫宏飛

[摘 要]材料表面技術(shù)概論課程的教學(xué)要將教學(xué)和科研結(jié)合起來，培養(yǎng)學(xué)生科研能力，合理設(shè)計教學(xué)內(nèi)容，把教師的科研工作和專業(yè)課程的教學(xué)結(jié)合在一起，鼓勵學(xué)生參加科技立項活動，根據(jù)授課內(nèi)容采用多樣化的教學(xué)方法，強化實驗教學(xué)和開設(shè)創(chuàng)新性實驗可有效提高學(xué)生的專業(yè)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和科學(xué)素養(yǎng)。

[關(guān)鍵詞]表面技術(shù) 教學(xué)方法 科研能力 創(chuàng)新性實驗

[中圖分類號] G424.1[文獻標(biāo)識碼] A[文章編號] 2095-3437（2015）07-0149-02

在傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)及新材料研發(fā)領(lǐng)域，表面技術(shù)具有非常重要的地位。目前，材料表面技術(shù)概論課程已經(jīng)成為許多高等院校金屬材料、焊接、材料成型與控制、材料加工工程等專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課程。通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以初步掌握材料的表面基礎(chǔ)理論、表面涂層技術(shù)、表面涂層設(shè)計及表面質(zhì)量檢測技術(shù)等。這是一門所學(xué)內(nèi)容可直接面向工業(yè)應(yīng)用的專業(yè)課程，具有非常強的實踐性，通過該課程的學(xué)習(xí)能夠有效提高同學(xué)們運用所學(xué)知識解決實際問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的開拓創(chuàng)新能力，同時，也為學(xué)生學(xué)習(xí)其他相關(guān)課程、畢業(yè)設(shè)計和將來從事的生產(chǎn)技術(shù)工作奠定必要的專業(yè)基礎(chǔ)。

該課程一般安排在大三下學(xué)期或大四上學(xué)期，是同學(xué)們學(xué)完物理化學(xué)、材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料工程基礎(chǔ)等課程后的延伸課程。本課程授課內(nèi)容雖然理論性不強，但涉及知識面廣，包含了工業(yè)生產(chǎn)及科研中所能用到的各類表面技術(shù)知識，具有較強的專業(yè)性和實踐性。針對這一特點及授課對象的知識儲備程度，作者在多年教學(xué)實踐的基礎(chǔ)上，嘗試從以下幾個方面對材料表面技術(shù)概論課程進行教學(xué)改革，重點培養(yǎng)學(xué)生動手能力、設(shè)計能力和創(chuàng)新能力，鍛煉并提高學(xué)生的科研素養(yǎng)。

一、科研與教學(xué)結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)興趣

對于高校教師來說，教學(xué)與科研是相輔相成、互相促進的。教學(xué)是高校教師的基本職責(zé)，是從事科研工作的基礎(chǔ)和依托。科研能夠讓高校教師熟悉本學(xué)科的最新進展，有助于革新教學(xué)內(nèi)容，反哺教學(xué)，不斷的提高教學(xué)質(zhì)量。[1]高校教師如果不開展科學(xué)研究，知識更新慢，授課內(nèi)容得不到及時的更新，在教學(xué)過程中就難以引導(dǎo)學(xué)生積極地學(xué)習(xí)和思考，創(chuàng)新能力培養(yǎng)也就成為空談。[2]在課堂教學(xué)中，教師應(yīng)當(dāng)結(jié)合自己的科研工作，及時地將表面技術(shù)領(lǐng)域的新動態(tài)、新技術(shù)和新工藝充實到教學(xué)內(nèi)容中，鼓勵有興趣的同學(xué)進入實驗室，成為老師的科研小助手。

山東科技大學(xué)材料學(xué)科在表面技術(shù)領(lǐng)域具有突出特色，擁有“山東省金屬材料與表面工程研究中心”和“山東省耐磨耐蝕材料工程技術(shù)研究中心”兩個省級工程技術(shù)研究中心。在硬件設(shè)備方面，擁有火焰噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂、等離子熔敷、激光熔敷、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、微弧氧化等完善的表面技術(shù)實驗設(shè)備，在師資隊伍方面，擁有專業(yè)從事涂層技術(shù)和涂層材料開發(fā)的教授、副教授和講師組成的科研和教學(xué)團隊，為該課程的教學(xué)改革提供了強有力的支撐。在本課程教學(xué)中，積極鼓勵學(xué)生參與到教師的科研項目中，成立科研興趣小組，利用業(yè)余時間輔助老師承擔(dān)部分科研工作，以提高學(xué)生的動手能力、分析能力和創(chuàng)新精神。學(xué)校每年組織一次面向?qū)W生的科研立項活動，鼓勵學(xué)生根據(jù)自身愛好組建科技創(chuàng)新團隊，承擔(dān)部分小的科研課題，將課程學(xué)習(xí)與科研立項活動結(jié)合起來。在課題進行的過程中同學(xué)們協(xié)助自主設(shè)計實驗方案，制備樣品，分析檢測，并在教師的指導(dǎo)下撰寫科研論文或申請專利。在這一過程中，同學(xué)們的綜合能力得到全面的鍛煉，提高了對材料，特別是對表面技術(shù)的專業(yè)興趣。

二、巧用多種教學(xué)方法，啟發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生思考

水無常態(tài)，教無定法。在材料表面技術(shù)概論的教學(xué)過程中，可根據(jù)授課內(nèi)容，采用多種教學(xué)手段和教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生自覺的學(xué)習(xí)和思考。以熱噴涂章節(jié)的教學(xué)為例，學(xué)習(xí)內(nèi)容主要包括火焰噴涂、電弧噴涂和等離子噴涂三大部分，共安排8個學(xué)時的教學(xué)時間。由于在大學(xué)階段專業(yè)課程的學(xué)習(xí)中，學(xué)生普遍反映實驗偏少，動手機會偏少，不清楚所學(xué)知識能夠應(yīng)用在哪些領(lǐng)域，因此在該課程的教學(xué)中，針對上述問題，結(jié)合學(xué)校實驗條件，安排了4個學(xué)時用于課堂理論教學(xué)，其中2個學(xué)時講授熱噴涂原理，2個學(xué)時講授熱噴涂材料及其應(yīng)用。讓學(xué)生對熱噴涂技術(shù)原理、熱噴涂材料有了全面的了解后，再安排2個學(xué)時的時間在實驗室現(xiàn)場教學(xué)，主要內(nèi)容包括參觀、講解火焰噴涂、電弧噴涂和等離子噴涂設(shè)備，演示噴涂過程;選取在工業(yè)和科研中應(yīng)用到的典型熱噴涂產(chǎn)品，給同學(xué)們討論、分析講解。如高爐風(fēng)帽的熱噴涂防護，首先給同學(xué)們分析高爐風(fēng)帽的工作環(huán)境：風(fēng)帽端部深入爐膛內(nèi)部，工作溫度在1400℃左右，承受爐料的沖刷作用，指出高溫下爐料的沖刷作用是造成風(fēng)帽失效的主要原因。如何解決這一問題？引導(dǎo)同學(xué)們思考，提出對防護涂層的基本性能要求：抗高溫沖刷性能好，導(dǎo)熱性差，具有熱障功能。然后再提出問題：具有這種特性的涂層材料一般是什么，是金屬、金屬陶瓷或氧化物陶瓷嗎？讓同學(xué)們討論，最后得出結(jié)論：氧化物陶瓷如Al2O3、ZrO2抗高溫性能好，導(dǎo)熱性差，可用于高爐風(fēng)帽的表面防護涂層，這類涂層材料熔點高，一般采用等離子噴涂工藝制備涂層。采用這種現(xiàn)場參觀、演示、講解、提問和討論的方式，大大提高了同學(xué)們學(xué)習(xí)該課程的興趣。最后2個學(xué)時為熱噴涂實驗，由老師預(yù)先準(zhǔn)備好標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的鋼板，熱噴涂材料，同學(xué)們在老師的指導(dǎo)下獨立完成熱噴涂前處理（主要是噴砂粗化）、噴涂、涂層質(zhì)量檢測等工作。通過這8個學(xué)時的學(xué)習(xí)，同學(xué)們對熱噴涂技術(shù)、設(shè)備和熱噴涂材料有了較為全面的認識和了解。

在課堂教學(xué)中，部分章節(jié)可以采取預(yù)先布置任務(wù)、分組討論的方式，讓學(xué)生參與到教學(xué)中來，成為課堂上的主體，教師在中間主要起到組織、引導(dǎo)和協(xié)調(diào)的作用。如在講述電鍍和化學(xué)鍍這一章節(jié)時，可采用任務(wù)驅(qū)動法。老師在講述完基本知識點后，給學(xué)生布置系列探究性學(xué)習(xí)任務(wù)，5-6人分成一個小組，指導(dǎo)學(xué)生通過學(xué)校圖書館提供的各種渠道查閱文獻資料，如通過中國知網(wǎng)學(xué)術(shù)文獻總庫查閱中文期刊、學(xué)位論文以及會議論文，通過Elsevier、SpringerLink、EBSCO數(shù)據(jù)庫平臺查閱和下載英文論文等。各個小組根據(jù)老師分配的任務(wù)，查閱相關(guān)論文和信息，然后進行篩選、提煉、歸納和分析，完成綜述性報告，并做成ppt形式，每個小組輪流在課堂上向大家展示和講解。通過這種任務(wù)分配、查閱資料、信息檢索與提煉、整理報告和匯報的過程，提高了學(xué)生的分析和歸納能力，部分同學(xué)還能在整理和查閱資料的過程中提出新的問題和看法，創(chuàng)新能力得到了很好的鍛煉。

三、設(shè)計創(chuàng)新性實驗，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力

長期以來，材料專業(yè)基礎(chǔ)課程輔助實驗多數(shù)是驗證型、演示型實驗，由實驗老師講解實驗內(nèi)容，學(xué)生按照老師要求及實驗指導(dǎo)書上規(guī)定的內(nèi)容、方法和步驟機械的完成實驗內(nèi)容即可，在這一過程中需要學(xué)生自主設(shè)計和創(chuàng)新的地方較少。著名的美國教育家布魯納雷曾說過，知識乃是一個過程，不是結(jié)果。開設(shè)實驗教學(xué)的真正目的不僅僅是為了去驗證一些已知的結(jié)果，而是在實驗過程中培養(yǎng)學(xué)生從事材料應(yīng)用或科學(xué)研究的能力，并在此基礎(chǔ)上開闊視野，發(fā)展思維，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)興趣。[3]多年的教學(xué)經(jīng)驗表明，合理設(shè)計課程實驗，增加學(xué)生的動手機會，對提高課程教學(xué)的質(zhì)量至關(guān)重要。我校材料學(xué)科以表面技術(shù)為特色，擁有包括熱噴涂、物理氣相沉積、微弧氧化、噴焊等較為齊全的實驗條件，為本課程實驗的設(shè)置和實施提供了有力的支撐。

在本課程教學(xué)中，設(shè)置了4學(xué)時的標(biāo)準(zhǔn)實驗課程，以驗證性為主，以加深學(xué)生對課本知識的理解。同時，通過這些驗證性實驗讓學(xué)生了解和熟悉表面技術(shù)試驗設(shè)備，為創(chuàng)新性實驗做好準(zhǔn)備。在本課程進行到中期的時候，給同學(xué)們布置創(chuàng)新性實驗任務(wù)，內(nèi)容可廣泛選用在生活、工業(yè)或科研中遇到的，和表面技術(shù)有關(guān)的課題，如鋼結(jié)構(gòu)的長效防腐、高速公路護欄的防護涂層技術(shù)、門把手的裝飾及防腐涂層技術(shù)、家用碳鋼自來水管的防銹技術(shù)、水輪機葉片的抗沖蝕涂層技術(shù)、機械傳動齒輪接觸齒面的表面強化技術(shù)等，讓學(xué)生根據(jù)自己的興趣分組選擇合適的題目，設(shè)計涂層工藝和涂層材料，并制訂詳細的實驗方案，經(jīng)指導(dǎo)教師審核后進入實驗室，自主進行實驗。為了確保該實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的質(zhì)量，加強實驗過程的管理，指導(dǎo)教師應(yīng)做好實驗進度跟蹤和管理，做好實驗安全培訓(xùn)，合理安排、協(xié)調(diào)公共實驗設(shè)備的使用時間。對于學(xué)生在實驗中遇到的難題，要及時的給予提示或協(xié)助解決。實驗結(jié)束后，以小組為單位提交一份實驗報告作為評分依據(jù)。通過創(chuàng)新性實驗，學(xué)生經(jīng)歷了查閱、收集資料，設(shè)計實驗方案，實驗操作及實驗數(shù)據(jù)分析等過程，熟悉了科研工作的基本環(huán)節(jié)，從事科研工作的能力得到了有效的鍛煉。

四、結(jié)束語

在材料表面技術(shù)概論專業(yè)課程教學(xué)中，通過鼓勵同學(xué)們進入實驗室，協(xié)助老師承擔(dān)部分科研工作，加強課堂教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革，增加創(chuàng)新性實驗等措施，有效提高了學(xué)生的動手能力和科研能力。尤其是創(chuàng)新性實驗的設(shè)立，和傳統(tǒng)專業(yè)課程輔助實驗形成了良好的互補作用，對提高學(xué)生的綜合素質(zhì)、實踐能力和充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新能力起到了重要的促進作用。由于材料表面技術(shù)發(fā)展迅速，涂層新材料、新工藝革新非常快，在以后的教學(xué)中將及時更新授課內(nèi)容，進一步強化實驗教學(xué)，跟蹤表面技術(shù)發(fā)展的新趨勢，更好的培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)興趣和科研能力。

[ 注 釋 ]

[1] 黃秋燕.教學(xué)型地方高校遙感課程教學(xué)與科研互動模式探索[J].高教論壇，2008（5）：74-76.

[2] 呂迎，李俊剛，吳明忠，等，現(xiàn)代表面技術(shù)教學(xué)和科研相結(jié)合的教學(xué)改革探討[J].鑄造設(shè)備與工藝，2012（4）：52-54.

[3] 周衡志，巴志新，王章忠.應(yīng)用型本科材料專業(yè)表面工程綜合實驗課程改革初探[J].科教文匯（下旬刊），2010（10）：39-40.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]