材料凝固與成型實驗課程教學(xué)改革探討

鄭巧玲 李燁飛 孫巧艷 高 圓 王紅潔

西安交通大學(xué)材料學(xué)院金屬材料強度國家重點實驗室 陜西西安 710049

實驗教學(xué)是高校教學(xué)工作的重要組成部分，是培養(yǎng)本科生實踐和創(chuàng)新能力的重要途徑之一。尤其是在國家重點強調(diào)高校本科生培養(yǎng)需要“寬口徑、重實踐”、突出創(chuàng)新的時代背景下，西安交通大學(xué)材料學(xué)院致力培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)、實踐能力及創(chuàng)新意識，探索研究型人才的培養(yǎng)模式[1]，根據(jù)學(xué)院教師及專業(yè)實驗室特點，增加實踐環(huán)節(jié)，組成具有專業(yè)方向特色的實驗課程體系。

西安交通大學(xué)材料教學(xué)實驗中心為省級教學(xué)實驗中心，下設(shè)3個教學(xué)實驗平臺，包括培養(yǎng)學(xué)生全面基礎(chǔ)實驗技能的院級教學(xué)基礎(chǔ)實驗平臺、“科研反哺教學(xué)”培養(yǎng)學(xué)生綜合實驗技能的材料專業(yè)實驗室教學(xué)實驗平臺、依托金屬強度國家重點實驗室的實驗技術(shù)中心建立的材料研究方法教學(xué)實驗平臺。3個平臺相互分工協(xié)作，實現(xiàn)學(xué)生不同層次目標(biāo)及范圍的實驗教學(xué)。

材料凝固成型實驗課程是材料專業(yè)教學(xué)實驗平臺下設(shè)的一門獨立實驗課程，課程結(jié)合鑄造專業(yè)方向在材料凝固與成型的研究成果及鑄造實驗室的硬件條件優(yōu)勢，在本科生系統(tǒng)學(xué)習(xí)材料專業(yè)課程及基礎(chǔ)實驗課程與研究方法后，提供的綜合實踐環(huán)節(jié)。

1 課程現(xiàn)狀及問題

材料凝固成型實驗是材料科學(xué)與工程專業(yè)本科生的必修課程，也是實踐環(huán)節(jié)重要的5門綜合實驗課程之一，共32學(xué)時，1學(xué)分，獨立設(shè)課。實驗項目涵蓋金屬材料凝固、熔體處理、復(fù)合材料制備、單晶連鑄制備方法、凝固過程數(shù)值模擬等材料凝固及成型相關(guān)的基本制備與實驗方法。實驗課程要求學(xué)生在課程進(jìn)行前，完成材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料凝固、材料熱處理、工程材料等專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，具有基本的材料制備及性能研究的基礎(chǔ)知識和能力。本實驗課程的教育目標(biāo)是：將課堂所學(xué)的材料相關(guān)基礎(chǔ)知識運用于具體的材料制備實驗之中，從而培養(yǎng)學(xué)生的實驗設(shè)計、動手能力，儀器選擇及測試分析的綜合實踐能力及創(chuàng)新思維[2]。

根據(jù)實驗課程近幾年的教學(xué)情況，目前的課程主要存在以下幾方面的問題。

1.1 教材內(nèi)容需要更新

材料凝固成型實驗課程原為材料成型與制備實驗[3]，第一版教材是基于鑄造及耐磨材料研究所2008年以前的研究成果凝練總結(jié)得到。在課程開設(shè)之初，教材實驗項目具有內(nèi)容新穎、緊跟科技前沿的特點，貫穿專業(yè)理論知識的同時，加強了學(xué)生實驗方法、實驗技能的訓(xùn)練。例如實驗5鑄滲法制備顆粒增強鐵基表層復(fù)合材料的內(nèi)容，改編自鑄造實驗室在2006年度獲得的國家技術(shù)發(fā)明二等獎(高溫抗磨材料制備技術(shù)及其應(yīng)用)；隨著計算機軟硬件的飛速發(fā)展，使得計算機數(shù)值模擬成為研究材料凝固過程的重要手段，因此實驗課程開設(shè)了鑄件凝固過程傳熱數(shù)值模擬實驗，在實驗研究的同時加入模擬理論研究。近年來，實驗室擴充了計算機硬件配置，使得金屬凝固過程的組織模擬、二維傳熱模擬以及應(yīng)力場模擬成為可能。同時，經(jīng)過近十年實驗室的科研積累探索了許多研究方向，目前已經(jīng)通過大學(xué)生創(chuàng)新項目的方式為本科生提供了實驗機會。但是受眾面小，擬通過更新教材內(nèi)容，使得更多的本科生能夠了解到實驗室的最新科研成果。

因此，盡管初期的教材囊括了凝固及成型實驗的許多方向，但對于目前的科研現(xiàn)狀及實驗室軟硬件條件而言，實驗內(nèi)容已呈現(xiàn)出陳舊和落后的態(tài)勢，不能體現(xiàn)當(dāng)代材料凝固及成型的發(fā)展現(xiàn)狀，無法更有效激發(fā)學(xué)生求知欲望及滿足創(chuàng)新能力的培養(yǎng)需求。

1.2 實驗課程教學(xué)模式過于傳統(tǒng)

材料凝固實驗的教學(xué)模式為現(xiàn)場操作與錄像相結(jié)合的方式進(jìn)行，實驗之前教師將實驗原理、實驗?zāi)康募熬唧w操作方法等介紹給學(xué)生，對于實驗過程也有較為詳細(xì)的講解。也就是說，每個實驗的實驗過程和實驗結(jié)果是預(yù)設(shè)好的，因此在實驗過程當(dāng)中，學(xué)生雖有對實驗過程的思考及實驗結(jié)果的分析，但仍然無法鍛煉學(xué)生獨立設(shè)計實驗和分析結(jié)果的能力，不容易激起學(xué)生的求知欲，訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新能力。

1.3 學(xué)生人均師資量不足 儀器設(shè)備較少

材料凝固成型實驗為專業(yè)平臺實驗課程，課程師資、實驗場地和實驗儀器設(shè)備主要依托鑄造實驗室現(xiàn)有的軟硬件條件。實驗課程為專業(yè)必修綜合實驗，年平均約120學(xué)生，分小組上課，每小組10人左右，實驗組數(shù)多，實驗教師偏少，教學(xué)負(fù)擔(dān)重。實驗設(shè)備多為實驗室科研設(shè)備，數(shù)量有限，難以保證每個人都全流程動手實驗，每個學(xué)生只能負(fù)責(zé)其中一部分實驗的操作，或經(jīng)常出現(xiàn)一個學(xué)生“全包”，其他學(xué)生“觀摩”的場景。

1.4 評價體系尚需健全

目前，材料凝固實驗的考核方式主要是依托實驗報告，以實驗報告中展示的實驗結(jié)果分析的準(zhǔn)確性確定實驗成績，但對實驗過程中，學(xué)生對實驗課程的參與度、對實驗過程中的思考與分析問題的考核評價占比較少，因此無法刺激學(xué)生在實驗課程中的學(xué)習(xí)主動性，極易造成學(xué)生只關(guān)注實驗結(jié)果及實驗報告，而缺乏對實驗過程、實驗方法的全面理解和掌握，無法通過實驗培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和綜合運用專業(yè)知識的能力。

2 實驗課程體系的改革思路

基于材料凝固成型實驗課程存在的系列問題，為了使實驗課程能夠真正地發(fā)揮培養(yǎng)學(xué)生綜合實踐能力的作用，鑄造實驗室的實驗教師結(jié)合實驗室具體情況，對實驗課程內(nèi)容、教學(xué)方式及評價體系等方面提出了如下改革思路。

2.1 更新課程內(nèi)容

在原有教材的基礎(chǔ)上，刪除部分內(nèi)容有重疊的實驗，例如實驗4粉末冶金法制備復(fù)合材料及其組織觀察與分析實驗與實驗5鑄滲法制備顆粒增強鐵基表層復(fù)合材料實驗，均涉及關(guān)于增強顆粒的選擇、顆粒表面與基體潤濕性及結(jié)合性能的觀察與分析等內(nèi)容，因此刪除實驗4，改為在實驗背景復(fù)合材料的其他制備方法中做簡要介紹。并在實驗5中增加現(xiàn)有其他鑄滲技術(shù)即實驗方法的選擇方式，例如除可選擇不同增強顆粒外，還可進(jìn)行不同預(yù)制體增強以及顆粒表面處理等制備方法的選擇和分析等。增加一個新實驗—新型耐磨合金的制備及兩體磨損性能測試，該實驗補充了凝固實驗課程所涵蓋的內(nèi)容，并增加部分新引進(jìn)的測試設(shè)備用于實驗分析，例如激光共聚焦顯微鏡、電子掃描電鏡等設(shè)備。通過更新凝固實驗課程的內(nèi)容，使學(xué)生能夠了解學(xué)科前沿研究內(nèi)容，學(xué)習(xí)到最新的材料凝固成型及材料制備方法，并接觸到高精尖的實驗設(shè)備及材料研究方法。在材料凝固過程數(shù)值模擬的實驗中，刪除溫度場數(shù)值模擬實驗，在凝固過程數(shù)值模擬中加入商業(yè)化數(shù)值模擬軟件如Pro-CAST等，讓學(xué)生了解數(shù)值計算原理的同時，接觸更貼近實際應(yīng)用的數(shù)值模擬技術(shù)。

2.2 采取新的教學(xué)模式

改變固定時間固定組員開展實驗的傳統(tǒng)模式，將實驗室進(jìn)行開放，根據(jù)學(xué)生特點相互組合成實驗小組[4]。在實驗課程進(jìn)行前，將實驗內(nèi)容要求及實驗材料清單、儀器設(shè)備的功能等資料開放給小組成員，教師在線參與實驗小組方案討論。小組確定實驗方案后，預(yù)約實驗時間，實驗過程中教師在旁進(jìn)行必要指導(dǎo)。這樣的教學(xué)安排可將實驗的準(zhǔn)備階段放在課前，實驗報告須包括實驗方案、儀器選擇、實驗過程、實驗結(jié)果(圖片及數(shù)據(jù))、結(jié)果分析及實驗感想。

2.3 課外補充開放實驗

由于在新一版的專業(yè)培養(yǎng)方案中，壓縮了凝固成型實驗的課時量，因此不得不減少凝固實驗數(shù)量，刪除部分課程內(nèi)容。實驗室為有意愿在課程外學(xué)習(xí)和研究凝固與成型技術(shù)的學(xué)生提供了額外的實驗項目。鑄造實驗室的教師和研究生在前幾年便積極參與并推出本科生課外科研訓(xùn)練項目，共有已完成及進(jìn)行中的全國及陜西省大學(xué)生創(chuàng)新項目6個。

這些訓(xùn)練項目不僅更加接近前沿科學(xué)研究，更是必修實驗課程的延伸。例如李燁飛副教授指導(dǎo)本科生申請的開放研究項目—三維ZTA陶瓷預(yù)制體/高鉻鑄鐵新材料制備研究，便是必修實驗鑄滲法制備復(fù)合材料的拓展研究內(nèi)容，更是新型耐磨復(fù)合材料的代表性研究成果；高義民教授指導(dǎo)本科生申請的復(fù)合陶瓷摩擦學(xué)行為研究為本科生了解、熟悉、制備了新一代摩擦潤滑材料。這些開放研究項目完成后，可將內(nèi)容整理成開放實驗，向各年級本科生開放申請。

鑄造實驗室通過積極推進(jìn)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目、重點實驗室向本科生開放研究項目及開放實驗，對凝固成型實驗進(jìn)行補充，并滿足學(xué)生對科研實踐的額外需求。

2.4 建立新的評價體系

材料凝固成型實驗的考核及評價體系也將隨著實驗課程教學(xué)模式及實驗報告要求進(jìn)行調(diào)整。新的評價體系將學(xué)生在實驗前的在線方案討論參與及表現(xiàn)情況、實驗過程操作及表現(xiàn)、實驗報告內(nèi)容的規(guī)范及內(nèi)容作為主要考核方面，并加入小組成員互評機制，建立實驗?zāi)芰C合性的評價方法，弱化實驗報告在考核中的占比，提高學(xué)生在實驗過程中的參與度，有利于活躍課堂氣氛，真正實現(xiàn)實驗課對學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)。

3 結(jié)語

實驗教學(xué)是高等教育人才培養(yǎng)中的重要環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維、綜合實踐能力及創(chuàng)新能力是實驗課程的教學(xué)目標(biāo)。材料凝固成型實驗課程將持續(xù)優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式，完善實驗教學(xué)評價體系，提高學(xué)生的科研實踐及創(chuàng)新能力，提高實驗教學(xué)質(zhì)量。

[1]王紅潔,徐彤,席生岐.“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程研究型教學(xué)改革與實踐[J].高等教育研究學(xué)報,2015,38(4):117-120.

[2]于巖.基于工程教育專業(yè)認(rèn)證要求的材料制備與加工實驗課程改革[J].化工高等教育,2017(2):16-19.

[3]材料教學(xué)實驗編寫組.材料組織性能與加工技術(shù)獨立實驗[M].陜西:西安交通大學(xué)出版社,2015.

[4]田英良,王亞麗,孫詩兵.《玻璃材料實驗》課程在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中的探索與實踐[J].教育教學(xué)論壇,2015(14):122-124.