逆向思維在工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

黃小華

（江西科技學(xué)院 南昌 330098）

1 引言

工程材料實(shí)驗(yàn)是機(jī)械類(lèi)和材料科學(xué)類(lèi)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，是工程材料及熱處理，機(jī)械工程材料、金屬學(xué)及熱處理以及機(jī)械制造基礎(chǔ)等課程實(shí)現(xiàn)應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，該實(shí)驗(yàn)教學(xué)大都是老師講授、演示，學(xué)生按照要求重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟，機(jī)械操作、無(wú)自主性，缺乏學(xué)習(xí)積極性，實(shí)驗(yàn)既沒(méi)起到加深理論知識(shí)的理解的作用，不利于學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，和應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)偏差較大。為了解決以上實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，本文提出采用逆向思維的方法來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，以提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性、自主性和實(shí)踐動(dòng)手能力。

2 逆向思維設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的理念

目前，關(guān)于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和實(shí)踐能力的教學(xué)改革研究有很多，[1-3]且大多數(shù)研究致力于開(kāi)放性綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，研究表明開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性和實(shí)踐能力起到較好的作用，但其不一定適合適用于所有高校。如，我校是一所以應(yīng)用型人才培養(yǎng)為目標(biāo)的本科院校，學(xué)生基礎(chǔ)水平層次參差不齊，水平層次差的學(xué)生不乏少數(shù)。這種涵蓋知識(shí)點(diǎn)多而廣的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，對(duì)層次水平較低的學(xué)生和低年級(jí)學(xué)生來(lái)說(shuō)可操作性較差，驗(yàn)證性基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和一些基本型的綜合實(shí)驗(yàn)可能更適合我校大多數(shù)學(xué)生。因此，如何設(shè)計(jì)驗(yàn)證性基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和基本型綜合實(shí)驗(yàn)，以激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)積極性、自主性和提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力，就變的非常關(guān)鍵。

一般來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用型人才培養(yǎng)和提高學(xué)生實(shí)踐能力的前提是學(xué)生必須動(dòng)手做，興趣和信心是學(xué)生樂(lè)意動(dòng)手做的驅(qū)動(dòng)力，它們可以激發(fā)學(xué)生的求知欲，推動(dòng)他們?nèi)ヌ骄亢蛯W(xué)習(xí)，進(jìn)而發(fā)展他們分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力。而逆向思維是一種具有啟發(fā)性、創(chuàng)造性、靈活性的求異思維，同時(shí)也是提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的一種重要方法。[4]逆向思維法是指從相反方向思考問(wèn)題的方法，是運(yùn)用顛倒過(guò)來(lái)的思維方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，打破正向思維所形成的思維定勢(shì)，克服思維的“框框”，從而取得一定的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成果。[5]這種方法在中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中已經(jīng)被廣泛研究和應(yīng)用，它不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力，而且還使教學(xué)效果事半功倍。在物理學(xué)史上，法拉第提出“把磁轉(zhuǎn)變成電”的思想，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了各種實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，就是一例。可見(jiàn)，逆向思維對(duì)于培養(yǎng)應(yīng)用性和創(chuàng)造性人材有著重要的作用。因此，在工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)中試圖打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式以逆向思維進(jìn)行實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以增加學(xué)生實(shí)驗(yàn)積極性，提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)，同時(shí)也為其他同類(lèi)院校提供一定借鑒意義。

3 逆向思維在工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 逆向思維設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

3.1.1 在碳鋼的試樣硬度測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)的常規(guī)設(shè)計(jì)方法是對(duì)每種已知的試驗(yàn)材料根據(jù)所給定的硬度試驗(yàn)法，去分別測(cè)定其硬度值，然后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和討論，比較不同含碳量的鋼的硬度值與WC的關(guān)系。而采用逆向思維的設(shè)計(jì)方法是給定學(xué)生三種或多種未知型號(hào)試驗(yàn)材料，按所給定的硬度試驗(yàn)法，去分別測(cè)定其硬度值，然后通過(guò)測(cè)試的結(jié)果去分析并推斷試樣材料型號(hào)。

3.1.2 在碳鋼的金相試樣的制備及平衡組織觀察實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)的常規(guī)設(shè)計(jì)方法是先制備一已知材料的金相試樣，然后進(jìn)行金相試樣平衡組織觀察，并將觀察到的金相圖用示意圖表示，最后通過(guò)金相圖去比較和分析含碳量不同的鋼的組織是什么以及含碳量對(duì)組織的影響。而采用逆向思維的設(shè)計(jì)方法是先制備一未知的金相試樣，然后進(jìn)行金相試樣平衡組織觀察，并將觀察到的金相圖用示意圖表示，同時(shí)還要求學(xué)生由觀察到的金相試樣平衡組織圖去判定試樣是所指定的哪種材料。

3.1.3 在碳鋼的熱處理實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)的常規(guī)設(shè)計(jì)方法是根據(jù)制定的工藝要求分別對(duì)某種或多種碳鋼進(jìn)行熱處理，并測(cè)定試樣熱處理前后的硬度值，然后通過(guò)金相試樣制備及組織觀察，分析其所獲得的組織，具體操作如圖1所示：

圖1 常規(guī)設(shè)計(jì)的碳鋼的熱處理實(shí)驗(yàn)表

而采用逆向思維的設(shè)計(jì)方法是根據(jù)已知組織，要求學(xué)生去制定相應(yīng)的熱處理工藝條件，并對(duì)試樣進(jìn)行熱處理，同時(shí)測(cè)定其熱處理前后的硬度值，具體操作如圖2所示：

圖2 逆向思維設(shè)計(jì)的碳鋼的熱處理實(shí)驗(yàn)表

在碳鋼的試樣硬度測(cè)試實(shí)驗(yàn)和金相試樣制備及平衡組織觀察實(shí)驗(yàn)中，同樣是基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，常規(guī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方式是對(duì)已知材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)果，驗(yàn)證理論教學(xué)的內(nèi)容。而基于逆向思維的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，是對(duì)未知材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得出相應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)果，結(jié)合理論教學(xué)的知識(shí)去推斷材料。常規(guī)實(shí)驗(yàn)方式往往學(xué)生做完了，也不知道自己做了什么，只是簡(jiǎn)單操作了一遍，而后者則是首先設(shè)置了懸念，讓學(xué)生帶著好奇心去做，并且對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行了應(yīng)用，加深了理論的學(xué)習(xí)和深刻映像，效果顯然好于前者。

在碳鋼的熱處理實(shí)驗(yàn)中，常規(guī)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方式是給定材料，分別給定冷卻方式，由相應(yīng)的冷卻方式獲得相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果（即組織和硬度），然后去分析冷卻速度對(duì)組織與性能的影響。其結(jié)果是學(xué)生只是明白了冷卻速度對(duì)組織與性能的影響，對(duì)什么條件下獲得什么組織并沒(méi)有掌握。而逆向思維的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是給定材料，并且給定所需要獲得組織，引導(dǎo)學(xué)生去確定合適的溫度，選擇合適的冷卻介質(zhì)，以獲得給定的組織，并測(cè)試相應(yīng)的性能。這讓學(xué)生非常清楚如何獲得所需要的組織，從而獲得所需要的性能，對(duì)提高學(xué)生制定熱處理工作非常有幫助。對(duì)學(xué)生而言，這種逆向思維設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的方法較給定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和技術(shù)路線的實(shí)驗(yàn)方法的難度要低，對(duì)本校學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作具有可行性。

3.2 逆向思維實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果分析

將常規(guī)設(shè)計(jì)方法和逆向思維設(shè)計(jì)的方法應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐，并對(duì)參加常規(guī)方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的班級(jí)與逆向思維方法設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)的班級(jí)進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查。調(diào)查數(shù)據(jù)結(jié)果表明，前者掌握“含碳量對(duì)鋼硬度的影響”這一知識(shí)點(diǎn)的程度學(xué)生數(shù)所占比例為20%，而后者為52.5%，逆向思維設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果是常規(guī)設(shè)計(jì)方法的2.6倍，這大大加深了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解。前者認(rèn)為實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力和綜合知識(shí)應(yīng)用能力收益較多學(xué)生數(shù)比例占60%，而后者占72.5%，可見(jiàn)逆向思維的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力是有較大的提高，學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和應(yīng)用也得到了很大的提高。從實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中看，參加逆向思維方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性普遍較高。

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，在工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用逆向思維設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)是一種有效的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，在提高了學(xué)生的積極性和自主性的同時(shí)提高了教學(xué)質(zhì)量。值得指出的是，逆向思維實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的應(yīng)用是對(duì)本校學(xué)生少數(shù)班級(jí)進(jìn)行實(shí)踐，研究結(jié)果有可能失之片面。