對材料科學(xué)基礎(chǔ)實驗教學(xué)的一些思考

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，針對材料科學(xué)基礎(chǔ)實驗教學(xué)過程中存在的一些問題，就實驗教學(xué)的內(nèi)容和形式提出了改進的設(shè)想，著重于學(xué)生素質(zhì)和實際動手能力的培養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】材料科學(xué)基礎(chǔ)實驗 教學(xué)改革 能力培養(yǎng)

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

【中圖分類號】G420 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）10-0243-02

材料科學(xué)基礎(chǔ)實驗是材料相關(guān)專業(yè)最重要的必修實驗課程。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充，實驗課同理論課相互印證并加深，同時培養(yǎng)學(xué)生的實驗技能，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)濟和科技實力的逐步提高，對創(chuàng)新性人才的素質(zhì)要求也大幅提升，而這也對實驗教學(xué)提出了更高的要求[3]。內(nèi)蒙古科技大學(xué)材料專業(yè)的實驗教學(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)體會和學(xué)生反饋情況，對材料科學(xué)基礎(chǔ)實驗教學(xué)過程中的一些問題和教學(xué)改進設(shè)想進行了探討。

1.實驗教學(xué)中存在的問題

1.1 內(nèi)容陳舊、設(shè)計不合理

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、準晶、非晶等）等多種材料[4]。其內(nèi)容也更加深入細致，晶體缺陷、擴散等內(nèi)容都已經(jīng)單獨作為一個章節(jié)進行講授。然而目前材料科學(xué)基礎(chǔ)實驗的研究對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，實驗的深度和內(nèi)容的廣度都亟待進一步提升。

另外，實驗課時緊而任務(wù)重，如何在有限的時間里高效的傳承知識決定了實驗課程的質(zhì)量，而實驗內(nèi)容的設(shè)計就顯得尤為重要。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，對每道次更換砂紙的表面粗糙度的控制確實需要一定操作經(jīng)驗，而這也是學(xué)生普遍反映較為困惑的地方。實驗技能的培養(yǎng)不能一蹴而就，真正練好基本功需要大量的摸索練習(xí)。而該實驗中安排接近2個小時來讓學(xué)生自行進行磨樣和拋光的練習(xí)，由于同學(xué)缺乏經(jīng)驗，因此既無法使學(xué)生一下就熟練掌握這些技巧，又大量占用了實驗時間。如果將該課程分為兩段，首先講解制備的基本過程和原理，教師進行親身示范并實地展示制備過程中易出現(xiàn)的問題；而將學(xué)生的動手練習(xí)放到時間更加充裕的課余時間；然后將練習(xí)后的問題反饋，再進行實地糾正。這樣學(xué)生帶著疑問上課，講授過程有針對性，使得效率更高。

1.2 實驗課程同理論基礎(chǔ)結(jié)合不夠緊密

實驗技術(shù)不僅僅是一種“手上活”，而是一項在專業(yè)知識、儀器設(shè)備工作原理、數(shù)據(jù)分析知識等一系列問題了然于心的基礎(chǔ)進行的工作。既具有較強的實踐性，又具有相當(dāng)?shù)睦碚撔?。實驗課的學(xué)習(xí)是一個對理論課程的驗證、加深和拓展的過程。通過實驗現(xiàn)象的觀察和分析，可以將抽象的理論知識轉(zhuǎn)變?yōu)榍逦⑿蜗蟮膶嶒灲Y(jié)果，從而進一步鞏固理論基礎(chǔ)知識。反過來，理論基礎(chǔ)對于實驗現(xiàn)象的分析又起到指導(dǎo)作用。因此理論和實驗應(yīng)該是相互促進的關(guān)系。

然而通過教學(xué)過程的反饋發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在實驗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)不夠扎實以外，如何將理論知識和實驗結(jié)果聯(lián)系在一起也是一個重要原因。以“碳鋼熱處理組織分析實驗”為例，最讓學(xué)生感到困惑的是一些復(fù)雜多相組織的識別。即使是很有經(jīng)驗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)金相組織特征進行辨識和分析。實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。然而實驗課程更加側(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)系仍是實驗課程講解的重要內(nèi)容，而這也是目前實驗課程較為欠缺的部分。

1.3 缺乏引導(dǎo)性和吸引力

實驗教學(xué)并不是簡單的傳承實驗理論和技術(shù)，其最終的目的是對動手分析解決問題能力的培養(yǎng)。因此實驗教學(xué)應(yīng)對學(xué)生進行引導(dǎo)，讓學(xué)生利用所學(xué)理論知識完成對實驗結(jié)果分析的訓(xùn)練。然而現(xiàn)行實驗課程的設(shè)置普遍缺乏引導(dǎo)性，基本以驗證型實驗為主。以“二元三元合金典型組織的觀察和分析”實驗為例，實驗主要內(nèi)容為學(xué)生進行組織觀察后手工繪制組織形貌示意圖。該實驗的基本出發(fā)點應(yīng)該是訓(xùn)練通過相圖對典型的勻晶、共晶、亞共晶、過共晶、包晶等組織進行識別和分析。應(yīng)該首先結(jié)合相圖進行組織預(yù)測，然后分析顯微組織進行驗證，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、繪制的形式進行實驗課程的學(xué)習(xí)，失去了相圖和顯微組織之間的互動，實驗課的功能大打折扣。

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

1.4考核方式簡單

現(xiàn)行實驗教學(xué)考核的方式是完成實驗報告的課后題，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定學(xué)生對實驗現(xiàn)象的認知并不可靠，更無法反映實驗?zāi)芰Φ母叩?。另外，部分實驗報告課后題同理論課習(xí)題重復(fù)，而非實驗教學(xué)的范疇，課后題沒有新意，不能引起同學(xué)對實驗現(xiàn)象的思考。

2.實驗教學(xué)改進的設(shè)想

針對上述實驗教學(xué)中存在的問題，對如何進一步優(yōu)化實驗教學(xué)提出了以下思路。

2.1 優(yōu)化實驗課內(nèi)容和形式

材料科學(xué)是一門日新月異的科學(xué)，然而實驗教學(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。因此進一步拓展和更新實驗教學(xué)知識量勢在必行。例如最新的行業(yè)標準和問題都可以傳遞給學(xué)生。

另外，實驗教學(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，進一步增加感性認識。金相顯微鏡多媒體互動系統(tǒng)的引入也十分必要。該系統(tǒng)被認為是當(dāng)前金屬材料實驗教學(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 組織實驗興趣小組

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)進行了有益的探索[6]。在這種模式下鼓勵和引導(dǎo)學(xué)生進行科學(xué)研究的探索，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，進一步鞏固和加深了理論知識，同時鍛煉學(xué)生的動手實驗?zāi)芰Α?/p>

我校的材料實驗教學(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，完全可以根據(jù)我校目前的實驗條件，就一些經(jīng)典的金屬學(xué)問題設(shè)計實驗進行探索。例如對于原奧氏體晶粒度的測定，可以結(jié)合熱臺原位觀察，冷卻后用染色法和侵蝕法進行嘗試，探索適合不同的鋼種的工藝。這樣既拓展了學(xué)生知識面又訓(xùn)練了實驗技能。

2.3 引入實際案例，開發(fā)探索型教學(xué)模式

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

3.結(jié)語

實驗教學(xué)作為材料科學(xué)教學(xué)的重要組成部分，在知識傳承和能力培養(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)都離不開實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)。實驗教學(xué)的重點在于理論聯(lián)系實際，著重動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)生掌握實驗理論和技能仍然是擺在教育工作者面前的重要課題。

參考文獻：

[1]郭可信.金相學(xué)史話（1）：金相學(xué)的興起[J].材料科學(xué)與工程，2000，18：2-9.

[2]周鳳云，羅學(xué)心，李國安.金相分析實驗教學(xué)改革[J].實驗技術(shù)與管理，1999，16（2）：81-83.

[3]趙先銳，馮尚申.本科院校金相及熱處理專業(yè)方向教學(xué)改革[J].中國冶金教育，2013，16：12-15.

[4]余永寧.材料科學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[5]熊小濤，孫建林，薛潤東，等.材料學(xué)科實驗教學(xué)改革的探索與實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2011，28（6）：265-267.

[6]萬迪，賀哲豐，王鵬飛，等.運動EBSD技術(shù)開展晶體學(xué)研究型實驗的探索[J].實驗室研究與探索，2012，31（8）：113-116.

作者簡介：

李一鳴，男，講師，內(nèi)蒙古科技大學(xué)分析測試中心。