點(diǎn)面結(jié)合虛實(shí)并行
——通過金相大賽提高大學(xué)生綜合素質(zhì)

黃 鵬， 孫建林， 毛璟紅， 贠 冰， 黃 瑛， 商北雁

（北京科技大學(xué)材料國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，北京 100083）

0 引 言

學(xué)科競賽對(duì)推動(dòng)教學(xué)改革、培養(yǎng)創(chuàng)新應(yīng)用型人才、培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力具有非常重要的意義［1］。全國大學(xué)生金相技能大賽（簡稱金相大賽）是材料及相關(guān)專業(yè)大學(xué)生的專業(yè)競賽，分為校內(nèi)選拔賽、全國大賽兩級(jí)比賽［2-5］。在顯微鏡技術(shù)不斷發(fā)展形勢下，金相實(shí)驗(yàn)技術(shù)是材料及相關(guān)專業(yè)大學(xué)生基礎(chǔ)且重要的實(shí)驗(yàn)技能，而僅靠有限的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)難以使全部學(xué)生達(dá)到完全嫻熟的程度。這種情況下全國大學(xué)生金相技能大賽的舉辦對(duì)培養(yǎng)學(xué)生工匠精神、提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量具有重要意義。但除此以外，金相大賽還可以對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)培養(yǎng)發(fā)揮更大作用。結(jié)合大賽的兩級(jí)比賽體系，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與開放運(yùn)行實(shí)驗(yàn)室［6-8］，構(gòu)建點(diǎn)面結(jié)合、虛實(shí)并行，挑戰(zhàn)度逐步提高的培養(yǎng)機(jī)制，可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，提高學(xué)生分析和解決問題的能力，培養(yǎng)工匠精神、動(dòng)手能力、科研能力、創(chuàng)新能力在內(nèi)的綜合素質(zhì)。

1 金相實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀及我校金相大賽發(fā)展

金相實(shí)驗(yàn)技術(shù)具有直觀性、便捷性、實(shí)用性等優(yōu)點(diǎn)，金相實(shí)驗(yàn)技術(shù)是材料類專業(yè)本科生必須掌握的基本且重要的實(shí)驗(yàn)技能［9］。尤其隨著激光技術(shù)在顯微鏡中應(yīng)用［10-11］，新的功能強(qiáng)大的顯微鏡如激光掃描共聚焦顯微鏡（LSCM）、激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀（LIBS）等科研儀器的出現(xiàn)與應(yīng)用，金相實(shí)驗(yàn)技術(shù)仍然是材料學(xué)科研究中便捷實(shí)用的重要科研技能。因此，金相實(shí)驗(yàn)教學(xué)在材料及相關(guān)專業(yè)的本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，占有重要地位。而由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間空間限制，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中一些學(xué)生僅通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)對(duì)金相實(shí)驗(yàn)技術(shù)的掌握難以達(dá)到較高標(biāo)準(zhǔn)［2］。金相實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀需要調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)動(dòng)手能力和科研能力的培養(yǎng)。

為此，學(xué)校高度重視通過專業(yè)競賽推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高學(xué)生綜合能力。至2021年連續(xù)組織舉辦校內(nèi)金相大賽11屆。累計(jì)有材料科學(xué)與工程學(xué)院、冶金與生態(tài)工程學(xué)院、機(jī)械工程學(xué)院等6個(gè)學(xué)院11個(gè)專業(yè)和來自北京工業(yè)大學(xué)、北方工業(yè)大學(xué)交叉培養(yǎng)學(xué)生逾1 300人參加比賽和培訓(xùn)。

2 點(diǎn)面結(jié)合虛實(shí)并行構(gòu)建引導(dǎo)機(jī)制

在舉辦校內(nèi)比賽和全國大賽選手選拔中，校內(nèi)比賽貼合本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，全國金相大賽選手選拔進(jìn)行科研自主實(shí)驗(yàn)，并采用線上線下虛實(shí)并行的方式。通過技能大賽，點(diǎn)面結(jié)合、虛實(shí)并行提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生綜合素質(zhì)。

2.1 結(jié)合本科教學(xué)組織校內(nèi)金相大賽與培訓(xùn)

校內(nèi)金相大賽及培訓(xùn)著眼于從面上整體提高學(xué)生動(dòng)手能力、實(shí)驗(yàn)技能和教學(xué)質(zhì)量。采用比賽內(nèi)容貼近本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)，比賽規(guī)則貼近全國大賽的方式。

校內(nèi)選拔賽選擇精品課程本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容為比賽試樣［12］。通過比賽使學(xué)生更熟悉實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。比賽規(guī)則貼近全國大賽規(guī)則設(shè)置，限定時(shí)間、耗材使用并對(duì)操作習(xí)慣、實(shí)驗(yàn)清潔進(jìn)行考核，提高對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ囊?，推?dòng)學(xué)生提高實(shí)驗(yàn)操作技能。校內(nèi)選拔賽提高學(xué)生對(duì)金相實(shí)驗(yàn)教學(xué)的關(guān)注度，并通過虛實(shí)結(jié)合方式引導(dǎo)，對(duì)提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量有極大推動(dòng)作用。

校內(nèi)比賽參加人員包括材料專業(yè)低年級(jí)和相關(guān)專業(yè)未接觸金相實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)生，為此賽前對(duì)學(xué)生進(jìn)行線上線下結(jié)合、虛實(shí)并行的培訓(xùn)。線上教師使用中心一期虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)建設(shè)的“結(jié)構(gòu)鋼的成分、工藝、組織與性能綜合熱處理虛擬實(shí)驗(yàn)［13］”（見圖1）對(duì)學(xué)生詳細(xì)講解實(shí)驗(yàn)流程、操作細(xì)節(jié)、安全注意事項(xiàng)和比賽規(guī)則。隨后線下對(duì)學(xué)生分批開放真實(shí)實(shí)驗(yàn)室，提供實(shí)驗(yàn)設(shè)備和耗材，學(xué)生在教師引導(dǎo)下動(dòng)手進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)練習(xí)。比賽進(jìn)行中，根據(jù)全國大賽規(guī)則限定時(shí)間，要求學(xué)生在少于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間內(nèi)完成整個(gè)制樣流程。并要求學(xué)生安全操作、清潔實(shí)驗(yàn)區(qū)，培養(yǎng)良好實(shí)驗(yàn)習(xí)慣和社會(huì)責(zé)任感。同期舉辦國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心開放日活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生參觀實(shí)驗(yàn)室和先進(jìn)儀器設(shè)備，開拓學(xué)生視野，加深學(xué)生對(duì)本學(xué)科科研工作內(nèi)容的認(rèn)識(shí)。整個(gè)過程中采用虛實(shí)并行，線上學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)流程、操作細(xì)節(jié)，線下動(dòng)手實(shí)踐、有目的性自主實(shí)驗(yàn)的方式。賽前培訓(xùn)對(duì)未接觸金相實(shí)驗(yàn)教學(xué)的學(xué)生進(jìn)行了充分全面的“預(yù)熱教學(xué)”，對(duì)已接觸金相實(shí)驗(yàn)教學(xué)的學(xué)生提供更多動(dòng)手實(shí)踐機(jī)會(huì)并提出更高要求，成為課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有力補(bǔ)充。

圖1 使用虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行學(xué)生金相實(shí)驗(yàn)技能培訓(xùn)

中心在總結(jié)一期虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，建成二期虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)“金屬材料成分、工藝、組織和性能一體化設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”（見圖2）。在校內(nèi)金相大賽初選上，增加了通過二期建設(shè)平臺(tái)進(jìn)行線上考核和虛擬實(shí)驗(yàn)操作的內(nèi)容，包括本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容中Fe-Fe3C相圖、金相組織辨識(shí)與分析和全國大賽規(guī)范實(shí)驗(yàn)流程、實(shí)驗(yàn)操作注意事項(xiàng)。大賽不僅考察實(shí)驗(yàn)動(dòng)手操作，還考察理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)安全，內(nèi)容更加全面。

圖2 使用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行線上比賽

2.2 以科研自主實(shí)驗(yàn)方式完成全國大賽選拔

校內(nèi)賽選拔出全國大賽選手后，進(jìn)一步以科研自主實(shí)驗(yàn)方式開放更多資源從點(diǎn)上加以培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)室對(duì)學(xué)生開放，學(xué)生接受設(shè)備使用培訓(xùn)后可自主使用實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備以外的科研儀器，如激光掃描共聚焦顯微鏡（LSCM）、顯微硬度計(jì)等，結(jié)合大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃（SRTP）進(jìn)行感興趣的探索實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生科研探索能力和創(chuàng)新能力。

金相制樣在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中與操作者用力習(xí)慣、不同實(shí)驗(yàn)手法關(guān)系很大。如制樣中可橫向或縱向單程打磨，可手磨或機(jī)磨，浸蝕可用擦拭法、滴蝕法或浸蝕法等，這些不同操作沒有正誤之分?？梢哉f，金相制樣是一項(xiàng)與操作者個(gè)人特點(diǎn)聯(lián)系很大的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。在教師指導(dǎo)下，每位選手需根據(jù)金相組織與個(gè)人特點(diǎn)探索制定最佳實(shí)驗(yàn)方案。

方案制定（見圖3）過程中，學(xué)生先查閱相關(guān)圖書、文獻(xiàn)進(jìn)行學(xué)習(xí)，教師采用翻轉(zhuǎn)課堂形式組織學(xué)生一起對(duì)大賽規(guī)定比賽樣品、組織進(jìn)行分析、討論。充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，可獲得比教師單純講授更好的學(xué)習(xí)效果。討論中學(xué)生根據(jù)教師指導(dǎo)、查找的文獻(xiàn)資料和個(gè)人分析，結(jié)合自身制樣習(xí)慣，設(shè)計(jì)初步實(shí)驗(yàn)方案。隨后進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)問題進(jìn)行總結(jié)分析。繼而思考問題產(chǎn)生原因，是因?qū)嶒?yàn)方案不合理還是個(gè)人制樣技術(shù)問題。并與教師、同學(xué)共同討論、擬定解決方案，并實(shí)行解決方案改進(jìn)實(shí)驗(yàn)。如效果不理想，則需重新思考分析，制定更有效的實(shí)驗(yàn)方案。

圖3 自主實(shí)驗(yàn)研究制定方案

2.3 基于大賽的深入拓展學(xué)習(xí)

學(xué)生進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)中，將在教師引導(dǎo)下學(xué)習(xí)教學(xué)大綱之外的專業(yè)知識(shí)，并使用多種科研儀器設(shè)備觀察分析組織，這樣可以提高學(xué)生專業(yè)知識(shí)水平和綜合科研能力。

學(xué)生完成鐵素體基球墨鑄鐵和工業(yè)純鐵大賽標(biāo)準(zhǔn)試樣的金相制樣后，使用激光掃描共聚焦顯微鏡（LSCM）對(duì)表面形貌進(jìn)行高倍率三維成相觀察與測量（見圖4），發(fā)現(xiàn)樣品表面并不是平面：球墨鑄鐵中石墨球高于鐵素體基體，工業(yè)純鐵鐵素體晶粒高低不平并且部分晶粒中存在褶皺。使用LSCM觀察金相樣品引發(fā)學(xué)生們對(duì)球墨鑄鐵中石墨球的構(gòu)造和形成過程產(chǎn)生濃厚興趣。由此學(xué)生利用圖書館和線上資源，查找相關(guān)圖書和文獻(xiàn)，自學(xué)了球狀石墨形核生長的理論模型［14-16］。不同金相樣品的浸蝕時(shí)間不同，學(xué)生能夠從微電池腐蝕理論入手，學(xué)習(xí)分析、理解不同成分樣品所需浸蝕時(shí)間不同的現(xiàn)象。

圖4 LSCM觀測鐵素體基球墨鑄鐵形貌（單位：μm）

此外，教師以金相大賽為契機(jī)，搭建交流平臺(tái)，組織之前參加全國大賽獲獎(jiǎng)選手與學(xué)生進(jìn)行座談。座談內(nèi)容除參賽感受、實(shí)驗(yàn)技術(shù)外，還包括專業(yè)學(xué)習(xí)、英語學(xué)習(xí)、科研方法、大學(xué)生就業(yè)等學(xué)習(xí)生活多方面內(nèi)容。這種交流有效開拓了學(xué)生視野，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、科研能力，并幫助學(xué)生進(jìn)行發(fā)展規(guī)劃。

3 提高學(xué)生綜合素質(zhì)效果

教師圍繞金相大賽，以提高教育質(zhì)量為目的，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和科研實(shí)踐能力為著眼點(diǎn)組織校內(nèi)大賽和自主實(shí)驗(yàn)，收到了良好效果。

3.1 提高學(xué)習(xí)主動(dòng)性與實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量

校內(nèi)金相大賽的舉辦及自主實(shí)驗(yàn)，從面上整體提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性與實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

專業(yè)知識(shí)方面，與平時(shí)實(shí)驗(yàn)課程教師講授、學(xué)生被動(dòng)接受不同，比賽是在課外活動(dòng)中以問題形式通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)對(duì)金相知識(shí)進(jìn)行考察，幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)掌握知識(shí)上的不足，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性，成為課堂教學(xué)的有力補(bǔ)充。對(duì)正規(guī)實(shí)驗(yàn)流程、實(shí)驗(yàn)安全注意事項(xiàng)和實(shí)驗(yàn)操作細(xì)節(jié)的考察，提高了后續(xù)真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)效率、安全性和實(shí)驗(yàn)效果。

實(shí)驗(yàn)操作方面，比賽增加了學(xué)生動(dòng)手機(jī)會(huì)，同時(shí)采用貼近全國大賽的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)則，如比賽規(guī)定制樣時(shí)間短于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中時(shí)間，要求節(jié)約耗材等，提高了制樣難度。在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中參加過校內(nèi)培訓(xùn)和比賽的學(xué)生相對(duì)于參賽前和未參賽學(xué)生，制樣技能明顯更熟練，制樣時(shí)間縮短，耗材浪費(fèi)減少，組織照片更清晰，對(duì)金相組織知識(shí)掌握更牢固。舉辦首屆校內(nèi)大賽以來，材料科學(xué)與工程、材料成型與控制、材料物理專業(yè)多位教師反映，本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)中部分同學(xué)實(shí)驗(yàn)效率提高，畢業(yè)論文中金相組織照片質(zhì)量大幅提高。

3.2 培養(yǎng)科研探索能力與創(chuàng)新能力

對(duì)于工科學(xué)生，積累掌握知識(shí)僅是大學(xué)階段基礎(chǔ)要求，知識(shí)運(yùn)用和科研創(chuàng)新是更高的要求，而后者大都是在實(shí)驗(yàn)室完成的。單純的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容較為固定，學(xué)時(shí)有限，難以單純依靠實(shí)驗(yàn)教學(xué)達(dá)到上述要求。而大賽培訓(xùn)中的科研自主實(shí)驗(yàn)可以提高學(xué)生的科研探索能力和創(chuàng)新能力。

自主科研實(shí)驗(yàn)中采用“學(xué)習(xí)—實(shí)踐—思考—探索—實(shí)踐”模式，這是一個(gè)自主學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)問題、思考并解決問題的過程，能夠充分培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立解決問題的能力。學(xué)生在該過程中能夠?qū)W習(xí)掌握科研思維，思考能力、探索能力提高。除實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備外，科研設(shè)備向?qū)W生開放，學(xué)生可在教師指導(dǎo)下使用平時(shí)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中接觸不到的儀器設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和學(xué)習(xí)分析，提高了學(xué)生綜合科研能力。

同時(shí)校內(nèi)賽舉辦和自主實(shí)驗(yàn)與大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃（SRTP）相互促進(jìn)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。金相大賽需要較高動(dòng)手能力，僅靠實(shí)驗(yàn)教學(xué)中練習(xí)難以達(dá)到。因此大賽促使學(xué)生尋求更多進(jìn)實(shí)驗(yàn)室機(jī)會(huì)，學(xué)生更積極參加SRTP活動(dòng)。同時(shí)科研自主實(shí)驗(yàn)中要求學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)新思維解決實(shí)驗(yàn)中的問題，也可以使用更多科研設(shè)備進(jìn)行SRTP中多方位探索研究，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新能力。

3.3 培養(yǎng)工匠精神、社會(huì)責(zé)任感在內(nèi)的綜合素質(zhì)

金相大賽中每步環(huán)節(jié)都對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)有極大影響，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中每個(gè)環(huán)節(jié)都需要耐心專注，盡最大可能追求完美。實(shí)驗(yàn)中學(xué)生認(rèn)真磨制拋光試樣，同時(shí)也是在打磨追求完美、精益求精的工匠精神。

實(shí)驗(yàn)室向?qū)W生開放，教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行安全培訓(xùn)和操作培訓(xùn)后，學(xué)生以實(shí)驗(yàn)室管理參與者身份進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生需注意實(shí)驗(yàn)設(shè)備的安全操作、簡單維護(hù)和合理運(yùn)行；同時(shí)，全國金相大賽競賽規(guī)則強(qiáng)調(diào)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中的規(guī)范性和耗材整理、場地清理的要求，這些都有助于培養(yǎng)學(xué)生社會(huì)責(zé)任感。

4 結(jié) 語

全國大學(xué)生金相技能大賽對(duì)培養(yǎng)大學(xué)生工匠精神，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量具有重要意義。而教師針對(duì)校內(nèi)選拔賽、全國大賽的兩級(jí)比賽體系，精心構(gòu)建點(diǎn)面結(jié)合、虛實(shí)并行的培養(yǎng)機(jī)制，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)有限的條件下使金相大賽在大學(xué)生綜合素質(zhì)培養(yǎng)上發(fā)揮更大作用。校內(nèi)賽采用本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，規(guī)則貼近全國大賽，基于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)但又對(duì)學(xué)生提出更高的要求，并使用具有高度交互性的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行培訓(xùn)以及開設(shè)線上比賽模塊擴(kuò)展競賽內(nèi)容；全國大賽選手培養(yǎng)以科研自主實(shí)驗(yàn)方式進(jìn)行，可使學(xué)生熟悉大型儀器設(shè)備操作，培養(yǎng)了工匠精神、動(dòng)手能力、科研能力、創(chuàng)新能力在內(nèi)的大學(xué)生綜合素質(zhì)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)有限的條件下，該機(jī)制有利于更好地發(fā)揮學(xué)科競賽對(duì)提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)大學(xué)生綜合素質(zhì)具有良好效果。