材料科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程改革與實(shí)踐*

陳 錕，王占勇，徐小威，王曉瑞

(上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201418)

《材料科學(xué)基礎(chǔ)》作為材料科學(xué)與工程專業(yè)必修的一門主干專業(yè)基礎(chǔ)課程和學(xué)位課程，它的主要任務(wù)是使學(xué)生掌握材料的成分、原子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、組織結(jié)構(gòu)、制備工藝與材料性能和應(yīng)用之間的相互關(guān)系，將材料的微觀特性和宏觀規(guī)律建立在理論基礎(chǔ)上，為學(xué)習(xí)后續(xù)的各門專業(yè)課程奠定必要的基礎(chǔ)[1]。主要涉及材料的微米級(jí)、亞微米級(jí)乃至原子尺度范圍微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)行為,有較強(qiáng)的理論性，知識(shí)點(diǎn)繁多且相對(duì)抽象,不容易理解,學(xué)生學(xué)習(xí)起來有一定的難度[2-3]。為此，我校材料科學(xué)與工程專業(yè)獨(dú)立設(shè)置學(xué)時(shí)為一周的“材料科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”課程，旨在鞏固學(xué)生的基礎(chǔ)理論知識(shí)、掌握實(shí)驗(yàn)研究的基本技能、提高創(chuàng)新和實(shí)踐能力。然而，以往材料科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)均以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，缺少綜合性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；且教學(xué)方法與手段相對(duì)落后，通過授課觀察，這種形式的實(shí)驗(yàn)造成了學(xué)生的被動(dòng)學(xué)習(xí)[4-6]。因此，圍繞應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo),改革實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法，更好地發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)理論教學(xué)與實(shí)踐能力培養(yǎng)的作用,探索出培養(yǎng)具有實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)人才的有效途徑,已經(jīng)勢(shì)在必行。

1 課程目標(biāo)

材料科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)是建立在材料科學(xué)基礎(chǔ)理論上，綜合應(yīng)用材料科學(xué)基礎(chǔ)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的一門學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。通過本實(shí)驗(yàn)課程，使學(xué)生全面理解與掌握晶體結(jié)構(gòu)、晶體中的缺陷、物質(zhì)擴(kuò)散、材料的相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變等專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，并掌握相應(yīng)的材料制備、檢測(cè)與分析技能，使學(xué)生在知識(shí)和能力方面得到全面發(fā)展，從而培養(yǎng)學(xué)生能夠綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，掌握實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能，提高分析、解決問題的能力。

2 課程改革與實(shí)踐

(1)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化

增設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工程實(shí)踐的結(jié)合。針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容相互獨(dú)立，缺乏內(nèi)在聯(lián)系的問題，以科學(xué)與工程相結(jié)合的指導(dǎo)思想規(guī)劃實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，選定“材料熱處理的相變”為主題，重新構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，在整合驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，開設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)。材料熱處理是利用和控制材料的相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，來改變材料的性質(zhì)。而材料熱處理的相變往往都是伴隨著體積及尺寸改變的一級(jí)相變，同時(shí)也伴隨著材料內(nèi)部組織與微觀結(jié)構(gòu)的改變，以及相應(yīng)的性能改變，因此，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的構(gòu)建中，從顯微組織觀察、體積測(cè)量以及性能表征等方面設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使學(xué)生較好掌握材料的組成、結(jié)構(gòu)、性能、工藝之間的相互影響關(guān)系及制約規(guī)律，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)從注重“知識(shí)體系”向注重“探究過程”方向發(fā)展，培養(yǎng)和引導(dǎo)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和能力。例如，開設(shè)了“固態(tài)相變的測(cè)量與表征”的系列綜合性實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生查閱有關(guān)資料和手冊(cè)后，設(shè)計(jì)熱處理實(shí)驗(yàn)方案，教師按照學(xué)生的方案進(jìn)行熱處理后，學(xué)生分組對(duì)不同熱處理?xiàng)l件下發(fā)生相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的材料進(jìn)行測(cè)量與表征，一部分同學(xué)對(duì)相變前、后材料的體積(或比容)進(jìn)行測(cè)量與對(duì)比分析，另一部分同學(xué)對(duì)相變前、后材料的顯微組織進(jìn)行觀察與分析，還有一部分同學(xué)對(duì)材料的熱膨脹曲線進(jìn)行測(cè)量與分析，由此討論熱處理工藝對(duì)材料相轉(zhuǎn)變的影響。進(jìn)行體積測(cè)量的實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生使用電子天平分別對(duì)熱處理前、后試樣的體積(或比容)進(jìn)行測(cè)量，并獨(dú)立處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過相變引起的體積變化反推出晶體結(jié)構(gòu)改變的信息，最終判斷、分析相變；進(jìn)行顯微組織觀察的實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生使用金相顯微鏡分別對(duì)熱處理前、后試樣的顯微組織進(jìn)行觀察，并獨(dú)立繪制其微觀組織形貌，根據(jù)相的形貌判斷相的特征，從而分析熱處理后顯微組織的變化，判斷是否發(fā)生相變；進(jìn)行熱膨脹曲線測(cè)量的實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生通過熱膨脹曲線的變化反推出晶體結(jié)構(gòu)改變的信息，由此判斷、分析相變。圍繞“材料熱處理的相變”主題而開設(shè)的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與求知意愿，引導(dǎo)學(xué)生深入理解專業(yè)知識(shí)，提高學(xué)生系統(tǒng)分析、綜合設(shè)計(jì)能力，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和運(yùn)用理論知識(shí)解決問題的綜合能力，使其得到材料科學(xué)研究全過程的初步訓(xùn)練，成長(zhǎng)為創(chuàng)造型人才。通過本課程的學(xué)習(xí)后，部分學(xué)生積極參加了科技創(chuàng)新活動(dòng)項(xiàng)目，爭(zhēng)取在實(shí)戰(zhàn)科研中得到鍛煉，這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新和素質(zhì)教育起到了極大的促進(jìn)作用。

(2)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法革新

以提高實(shí)踐應(yīng)用能力為目標(biāo)，引入實(shí)際案例教學(xué)，提高教學(xué)效果。根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容有針對(duì)性地引入一些現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際案例，增加知識(shí)點(diǎn)的工程應(yīng)用性講解。例如一些因精度降低而報(bào)廢的精密軸承，要求學(xué)生全面應(yīng)用所學(xué)的理論知識(shí)，自己獨(dú)立思考后給出導(dǎo)致精密軸承報(bào)廢的原因是什么，問題出在什么地方，并針對(duì)存在的問題提出解決方案，然后按自定的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)合理論知識(shí)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)完成質(zhì)量問題的鑒定。同時(shí)教師在教學(xué)過程中，將學(xué)生進(jìn)行了分組，讓每組學(xué)生完成后以專題型團(tuán)隊(duì)作業(yè)的形式進(jìn)行展示，各組派出代表上臺(tái)匯報(bào)，大家各抒己見，進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。通過變革實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，這樣既培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力，又提高了其通過運(yùn)用理論知識(shí)來分析工程實(shí)際應(yīng)用問題的能力，同時(shí)引發(fā)了學(xué)生對(duì)該課程的興趣。

發(fā)揮多媒體教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，增加一些動(dòng)畫演示實(shí)驗(yàn)。利用數(shù)字化多媒體技術(shù)將課程內(nèi)容有關(guān)的各種類型的信息呈現(xiàn)在學(xué)生面前，尤其是很難用傳統(tǒng)教學(xué)手段表述清楚的教學(xué)內(nèi)容，如材料的晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、晶體凝固等，增加一些動(dòng)畫演示實(shí)驗(yàn)，播放一些視頻等資料，例如組織學(xué)生自主開發(fā)以java語言編制的五十余種三維計(jì)算機(jī)互動(dòng)式動(dòng)態(tài)圖形軟件，在IE界面下，可控制其三維的轉(zhuǎn)動(dòng)，展示晶體中各原子的三維空間相互位置；又比如觀看視頻錄像“Living Metal”，通過演示系統(tǒng)觀察不同晶體、不同晶面上的位錯(cuò)蝕坑，進(jìn)一步加深對(duì)位錯(cuò)的了解，從而對(duì)各類晶體缺陷有一個(gè)全面的、系統(tǒng)的理解。在此基礎(chǔ)上，要求同學(xué)自行編輯和制作“晶體結(jié)構(gòu)之美”的微視頻，詮釋晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱之美，奇異之美，和諧統(tǒng)一之美及均衡之美；要求同學(xué)自己動(dòng)手操作，制作硅單晶體的位錯(cuò)蝕坑試樣，觀察制作效果，繪制其形貌與分布的示意圖。新媒體技術(shù)的運(yùn)用，有效地實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)資源共享，讓學(xué)生直觀地看到不同類型的晶體結(jié)構(gòu)以及各種缺陷的形成過程，增強(qiáng)了學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，使課程的教學(xué)內(nèi)容具體化、形象化，使概念和規(guī)律簡(jiǎn)單化，幫助學(xué)生理解和掌握，為學(xué)生提供自我思考，自我動(dòng)手的一個(gè)知識(shí)挖掘的平臺(tái)。

采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，錄制實(shí)驗(yàn)教學(xué)操作視頻。選取某一典型的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，比如“位錯(cuò)蝕坑的觀察”實(shí)驗(yàn)，課前教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，錄制硅單晶位錯(cuò)蝕坑試樣制備流程的教學(xué)操作視頻，對(duì)試樣制作過程的每一步進(jìn)行詳細(xì)講解。錄制后，嘗試使用雨課堂線上教學(xué)平臺(tái)，以手機(jī)課件的形式線上發(fā)布，要求學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，使其對(duì)硅單晶位錯(cuò)蝕坑試樣的制備實(shí)驗(yàn)流程有直觀的了解。教師可以在雨課堂在線教學(xué)平臺(tái)上查看班級(jí)各學(xué)生在線自主學(xué)習(xí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，具體包括實(shí)驗(yàn)教學(xué)操作視頻完成度以及學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)等數(shù)據(jù)，通過不同維度的數(shù)據(jù)可以反映學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)。實(shí)驗(yàn)課上，學(xué)生進(jìn)行具體的實(shí)驗(yàn)操作，對(duì)于操作中的問題，教師及時(shí)給予糾正并進(jìn)行指導(dǎo)，這就大大提高了實(shí)驗(yàn)課上的時(shí)間利用效率，使學(xué)生真正成為實(shí)驗(yàn)的主體。翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式，較大的提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，培養(yǎng)了學(xué)生的專業(yè)興趣，取得了良好的學(xué)習(xí)效果。

考核形式多樣化，考核內(nèi)容以知識(shí)應(yīng)用為主。通過設(shè)計(jì)不同層次要求的實(shí)驗(yàn)，相應(yīng)地采用不同的考核形式，例如實(shí)驗(yàn)報(bào)告(其中實(shí)驗(yàn)報(bào)告又可以細(xì)分為實(shí)驗(yàn)報(bào)告的課后題與大型綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告)、科技小論文、微視頻等,對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過程進(jìn)行多方面、多形式的考核,促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí),提高學(xué)生的綜合素質(zhì)與動(dòng)手實(shí)踐能力。同時(shí)，引入并提高過程性評(píng)價(jià)在總體實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)評(píng)價(jià)中的占比，強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的學(xué)習(xí)狀況和階段性學(xué)習(xí)成果多方面、多形式的考核。過程性評(píng)價(jià)以課前預(yù)習(xí)(包括實(shí)驗(yàn)教學(xué)操作視頻、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書等), 課堂動(dòng)手操作,以及課堂實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)討論課等評(píng)價(jià)結(jié)果為主, 其中, 課堂實(shí)驗(yàn)方案討論課采用師生合作評(píng)價(jià)模式, 評(píng)價(jià)結(jié)果分為學(xué)生互評(píng)與教師評(píng)價(jià)兩部分組成, 促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí), 提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力。

(3)申請(qǐng)并實(shí)施校企合作，加強(qiáng)教師隊(duì)伍建設(shè)

積極申請(qǐng)并實(shí)施校企合作，加強(qiáng)教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)。聘請(qǐng)企業(yè)工程技術(shù)人員擔(dān)任兼職任課教師，采用項(xiàng)目任務(wù)教學(xué)以及小組討論式教學(xué)的教學(xué)方法，將一系列工程實(shí)際應(yīng)用案例引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，也將與我校教師技術(shù)合作開發(fā)項(xiàng)目，一種高精度測(cè)量軸承鋼零件的殘余奧氏體含量的新方法，以專題的形式串講于教學(xué)中，強(qiáng)化理論與實(shí)踐的有機(jī)融合，豐富材料科學(xué)基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的工程實(shí)際內(nèi)涵。同時(shí)，在教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)方面，加強(qiáng)專兼職教師的融合，充分發(fā)揮專任教師理論研究的優(yōu)勢(shì)，以及企業(yè)教師工程實(shí)踐與工程設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，逐步建立一支實(shí)力較強(qiáng)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)密切配合的師資隊(duì)伍，教學(xué)團(tuán)隊(duì)結(jié)構(gòu)合理，有較高的業(yè)務(wù)素質(zhì)、積極的工作態(tài)度和良好的合作精神。通過校企合作，使本專業(yè)內(nèi)雙師素質(zhì)的教師比例提高。再者，加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研方面的互動(dòng)，通過“走出去”，“請(qǐng)進(jìn)來”，使教師積累豐富的企業(yè)經(jīng)驗(yàn)，并將其轉(zhuǎn)化為實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，提升課堂教學(xué)效果。

3 結(jié) 語

材料科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)是綜合應(yīng)用材料科學(xué)基礎(chǔ)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的一門學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，通過在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法等方面不斷探索與改革，有效改變了傳統(tǒng)單一化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，使理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)并駕齊驅(qū)、協(xié)調(diào)發(fā)展、共同促進(jìn),提高了學(xué)生對(duì)材料科學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)的理解以及動(dòng)手分析問題和解決問題的能力，進(jìn)而培養(yǎng)和引導(dǎo)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和能力，在更高層次上構(gòu)筑人才培養(yǎng)的新平臺(tái)。