《材料科學(xué)基礎(chǔ)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革討探

白佳海，杜慶洋，張紅鷹，趙云霞

(山東理工大學(xué) 材料學(xué)院，山東 淄博 255000)

《材料科學(xué)基礎(chǔ)》是材料科學(xué)與工程專業(yè)的必修課，也是材料科學(xué)與工程專業(yè)的專業(yè)核心課程，材料科學(xué)研究的核心問(wèn)題是材料的結(jié)構(gòu)、性能及其相互關(guān)系，屬于一門應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)科[1]。由于材料科學(xué)基礎(chǔ)既具有較強(qiáng)的理論性，還具有很好的應(yīng)用性，因此在培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際方面具有非常重要的的作用。目前，《材料科學(xué)基礎(chǔ)》的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大多屬于驗(yàn)證性或操作性實(shí)驗(yàn)，而綜合實(shí)驗(yàn)的數(shù)量較少，特別是綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)數(shù)量極少。此外，該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往和后續(xù)的專業(yè)課實(shí)驗(yàn)在設(shè)置上有所沖突。因此，有必要對(duì)《材料科學(xué)基礎(chǔ)》的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行梳理，研究與開展新型的、能突出《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程特色的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

《材料科學(xué)基礎(chǔ)》(內(nèi)容偏向于無(wú)機(jī)非金屬方向的課程)中很多理論知識(shí)的聯(lián)系非常密切，如在陶瓷材料、耐火材料的研究、制備與生產(chǎn)中，往往會(huì)同時(shí)應(yīng)用到幾個(gè)知識(shí)點(diǎn)的理論知識(shí)，這就給《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，特別是綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的設(shè)置和開展提供非常重要的理論知識(shí)條件。因此，可以把不同的知識(shí)點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)，合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力以及理論聯(lián)系實(shí)際的能力，同理鍛煉提高學(xué)生的動(dòng)手操作能力?；谝陨峡紤]，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，嘗試把固溶體-固相反應(yīng)-燒結(jié)等知識(shí)點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)，同時(shí)還能運(yùn)用其他學(xué)科的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行表征、論證，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的綜合性與設(shè)計(jì)性，全面提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，為培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供有利的支撐。

1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目理論知識(shí)基礎(chǔ)

燒結(jié)是陶瓷材料制備過(guò)程中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，涉及到傳質(zhì)方式、基礎(chǔ)理論和影響因素等眾多的知識(shí)點(diǎn)，其中外加劑是影響燒結(jié)的非常重要的因素之一。所以，我們考慮以燒結(jié)作為綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的核心內(nèi)容，然后通過(guò)內(nèi)涵的延伸，把固溶體和固相反應(yīng)等相關(guān)的知識(shí)融合到實(shí)驗(yàn)中，再結(jié)合材料的表征技術(shù)，提高學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論的掌握和運(yùn)用能力。

因此，作者把《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程中三個(gè)主要的知識(shí)點(diǎn)(固溶體、固相反應(yīng)、燒結(jié))結(jié)合起來(lái)，研究、設(shè)計(jì)出一個(gè)合理可行的、能全面包含三個(gè)知識(shí)點(diǎn)的綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通過(guò)該項(xiàng)目的實(shí)施，讓學(xué)生較深刻地理解與掌握與固溶體、燒結(jié)和固相反應(yīng)相關(guān)的基礎(chǔ)理論知識(shí)(該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目還涉及到《材料測(cè)試技術(shù)與方法》課程中的X-射線知識(shí))；此外，該實(shí)驗(yàn)還需要大量的實(shí)際操作，能顯著地提高學(xué)生的動(dòng)手能力與團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)；通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與討論(如燒結(jié)過(guò)程中固溶體的形成、固相反應(yīng)等，以及固溶體、燒結(jié)反應(yīng)對(duì)燒結(jié)程度的影響等)，能有效地提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力及科學(xué)素養(yǎng)等。

2 實(shí)驗(yàn)工作內(nèi)容

基于以上分析，學(xué)生在熟練掌握燒結(jié)、固溶體和固相反應(yīng)的相關(guān)知識(shí)后，還應(yīng)該查閱、研讀一定數(shù)量的參考文獻(xiàn)，了解當(dāng)前相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，并在實(shí)驗(yàn)中力爭(zhēng)獨(dú)立完成以下工作：

(1)設(shè)計(jì)陶瓷材料的組份體系，并通過(guò)配方的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)的優(yōu)化，在燒結(jié)過(guò)程中確保能分別生成固溶體和固體化合物；

(2)在老師的指導(dǎo)下，學(xué)生制定合理的實(shí)驗(yàn)流程，動(dòng)手完成原料的混合、成型、燒結(jié)以及各種性能指標(biāo)的測(cè)試；

(3)利用XRD技術(shù)分析燒結(jié)體中的固相組成，即是否有固溶體和化合物的生成；

(4)測(cè)定燒結(jié)陶瓷的吸水率、開氣孔率與燒成收縮率等性能參數(shù)，對(duì)比不同燒結(jié)體的致密化程度；

(5)對(duì)比研究固溶體的形成、固態(tài)化合物的生成對(duì)陶瓷燒結(jié)體的致密化程度的影響規(guī)律。

指導(dǎo)教師則需要預(yù)作實(shí)驗(yàn)，并在以上實(shí)驗(yàn)工作的基礎(chǔ)上，制定實(shí)驗(yàn)大綱與實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，探索如何引導(dǎo)學(xué)生制定、設(shè)計(jì)合理的配方與實(shí)驗(yàn)參數(shù)，以及在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中如何確保綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的順利實(shí)施并取得優(yōu)良的教學(xué)效果。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱和指導(dǎo)書中，指導(dǎo)教師可以提供一些參考的物相體系(例如氧化鋁與二氧化鈦體系，氧化鋁與氧化鎂體系，對(duì)二者進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn))，讓學(xué)生根據(jù)所掌握的知識(shí)及個(gè)人的想法，合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的物相體系與實(shí)驗(yàn)參數(shù)，保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有可操作性、合理性與可對(duì)比性。

3 實(shí)驗(yàn)考核方法

為了保障實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行，并有效保障學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題以及理論與實(shí)際相聯(lián)系等能力的提高，確定如下的考核方案：

(1)預(yù)習(xí)及復(fù)習(xí)(1.5分)：需要復(fù)習(xí)固溶體、固相反應(yīng)等知識(shí)，并詳細(xì)闡述影響燒結(jié)的主要因素。

(2)陶瓷材料的燒結(jié)實(shí)驗(yàn)(需預(yù)習(xí))(4分)：

a. 詳細(xì)說(shuō)明實(shí)驗(yàn)的目的、實(shí)驗(yàn)所用的儀器設(shè)備；

b. 小組討論具體實(shí)驗(yàn)方案，合理設(shè)計(jì)配方以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程，完成實(shí)驗(yàn)操作；

c. 實(shí)驗(yàn)測(cè)定過(guò)程中的操作細(xì)節(jié)、數(shù)據(jù)記錄和處理、結(jié)果計(jì)算

(3)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理(列表)：(1.5分)：測(cè)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，主要包括收縮率，吸水率和線性收縮率等，根據(jù)要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理。

(2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與討論(3分)：根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和過(guò)程，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和討論，重點(diǎn)討論生成固溶體和通過(guò)固相反應(yīng)生成的化合物對(duì)燒結(jié)程度的影響規(guī)律，分析二者影響燒結(jié)程度的主要原因。

4 結(jié)束語(yǔ)

把《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程中的三個(gè)主要的知識(shí)點(diǎn)(固溶體、固相反應(yīng)、燒結(jié))結(jié)合起來(lái)，研究、設(shè)計(jì)出一個(gè)合理可行的、能全面包含三個(gè)知識(shí)點(diǎn)的綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通過(guò)該項(xiàng)目的實(shí)施，讓學(xué)生較深刻地理解與掌握固溶體、燒結(jié)和固相反應(yīng)等基礎(chǔ)理論知識(shí)，并能有效提高學(xué)生動(dòng)手能力、理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。