無(wú)機(jī)非金屬材料工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程改革與實(shí)踐
——以材料工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)為例

夏忠鋒，尹玉成，李亦韋，劉志強(qiáng)，朱青友，劉 浩

（1.武漢科技大學(xué)省部共建耐火材料與冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081；2.武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，湖北 武漢 430081）

實(shí)踐教學(xué)是高校本科專業(yè)教育的重要環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)課程是其重要的組成部分。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)通常存在以下問(wèn)題：實(shí)驗(yàn)課程課時(shí)較少，實(shí)驗(yàn)教師通常以集中講解和演示的方式進(jìn)行教學(xué)，給予學(xué)生實(shí)際動(dòng)手操作的時(shí)間不足，開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺(tái)套數(shù)不夠，且由于設(shè)備更新?lián)Q代快，實(shí)驗(yàn)室擁有的同類教學(xué)設(shè)備存在規(guī)格型號(hào)多樣化、儀器結(jié)構(gòu)和工作原理差異大等現(xiàn)象，不能滿足學(xué)生分批分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的需求。部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目原理抽象難懂，且實(shí)驗(yàn)過(guò)程耗時(shí)長(zhǎng)，有限的實(shí)驗(yàn)課時(shí)無(wú)法完成實(shí)驗(yàn)全過(guò)程，影響教學(xué)效果[1-2]。傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)體系沒(méi)有基于OBE理念設(shè)計(jì)，沒(méi)有突出培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，學(xué)生的思考、創(chuàng)新能力也沒(méi)有得到有效地激發(fā)。因此，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)已不能完全適應(yīng)當(dāng)前新時(shí)代高等教育培養(yǎng)創(chuàng)新型、綜合型人才的需求[3-5]。

我校無(wú)機(jī)非金屬材料工程專業(yè)2019年申請(qǐng)國(guó)家一流專業(yè)及工程教育認(rèn)證。為了滿足國(guó)家一流專業(yè)建設(shè)及工程教育認(rèn)證要求，本專業(yè)于2018年對(duì)專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行了改革，修訂了專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)大綱，增加了實(shí)驗(yàn)課程中綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)量。提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)效果，于2019年獲批國(guó)家一流專業(yè)建設(shè)點(diǎn)，2020年通過(guò)工程教育認(rèn)證?！恫牧瞎こ袒A(chǔ)實(shí)驗(yàn)》作為無(wú)機(jī)非金屬材料工程專業(yè)本科生必修的一門重要專業(yè)核心基礎(chǔ)實(shí)踐課程，對(duì)培養(yǎng)運(yùn)用材料工程基礎(chǔ)理論知識(shí)來(lái)解決無(wú)機(jī)非金屬材料工程領(lǐng)域?qū)嶋H復(fù)雜工程問(wèn)題的能力具有重要意義[6-7]。

1 課程改革前的《材料工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)》開(kāi)課情況

本校的無(wú)機(jī)非金屬材料工程專業(yè)是以耐火材料學(xué)科方向?yàn)樘厣?，因此，《材料工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)》主要開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目均與耐火材料的制備與表征方法有關(guān)。課程改革前開(kāi)出的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如表1（P178）所示，開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目全是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，且實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之間相對(duì)孤立，沒(méi)有延續(xù)性。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，單批次安排上課學(xué)生人數(shù)約為10～15人，由實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目負(fù)責(zé)授課老師集中講解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理，演示?shí)驗(yàn)設(shè)備的操作方法，最后展示預(yù)先存儲(chǔ)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由于單個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目學(xué)時(shí)較短，且上課學(xué)生人數(shù)較多，考慮學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)及實(shí)驗(yàn)安全因素，學(xué)生可參與的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)有限。導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有較多的動(dòng)手操作及獨(dú)立思考，參與度較低，處于一種被動(dòng)學(xué)習(xí)狀態(tài)，學(xué)習(xí)效果不佳。而且主要通過(guò)填寫的實(shí)驗(yàn)報(bào)告考查學(xué)生實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)情況，考核形式較單一，不能較好地反映教學(xué)情況。

表1 改革前課程包含實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

2 《材料工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)》課程改革

針對(duì)上述問(wèn)題，為了增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)效果，課程授課團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)商討后從以下三個(gè)方面對(duì)課程進(jìn)行了改革：實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、授課形式及考核方式。

2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容改革

為了調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，增加了設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目課時(shí)占比。根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的重要性，將原有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑鰷p，多個(gè)孤立的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目整合為設(shè)計(jì)性或綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，整改后實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與整改前實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2（P178）所示，“原料篩分及材料顆粒級(jí)配設(shè)計(jì)”項(xiàng)目除了要求學(xué)生掌握原料破碎及篩分曲線的繪制，增加了材料顆粒級(jí)配設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容，有利于學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在實(shí)際應(yīng)用中的價(jià)值。兩個(gè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“低氣孔黏土磚的制備與表征”及“剛玉澆注料的研制”包含了常見(jiàn)兩種耐火材料（定形耐火材料和不定形耐火材料）的成型方法與常溫物理性能測(cè)試方法等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。“耐火材料高溫性能測(cè)試方法”綜合了三種具有代表性的耐火材料高溫性能測(cè)試方法。整改后的實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容包含了耐火材料原料生產(chǎn)、耐火材料制備、耐火材料常溫物理性能及高溫使用性能測(cè)試完整鏈條，具有較好的延續(xù)性。

表2 改革后課程包含實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

2.2 授課形式改革

為了增加學(xué)生動(dòng)手操作的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)、降低實(shí)驗(yàn)安全風(fēng)險(xiǎn)、培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神，改變了以往簡(jiǎn)單的分批次實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，將每批?shí)驗(yàn)學(xué)生細(xì)分為幾個(gè)小組，每組3人，小組成員分工協(xié)作，各司其職。除了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主講老師外，每個(gè)小組另外安排了指導(dǎo)老師，主講老師集中對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行講授，隨后指導(dǎo)老師帶領(lǐng)各小組完成實(shí)驗(yàn)操作并監(jiān)控學(xué)生實(shí)驗(yàn)安全。此外，為了增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求學(xué)生在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室之前完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的文獻(xiàn)調(diào)研，并結(jié)合所學(xué)理論知識(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)為了保證實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝽樌M(jìn)行，對(duì)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原料種類及配比在一定范圍內(nèi)進(jìn)行了限定，實(shí)驗(yàn)的參考配方分別如表3和表4（P179）所示。改變了學(xué)生以前枯燥無(wú)味的按照指令教條式完成任務(wù)的學(xué)習(xí)狀態(tài)，增加了學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)的主動(dòng)性及探索的趣味性。由于設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目學(xué)習(xí)內(nèi)容較多，且實(shí)驗(yàn)樣品的干燥及熱處理需要時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致在單次實(shí)驗(yàn)課上無(wú)法完成所有實(shí)驗(yàn)任務(wù)。為此，將設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為樣品制備、樣品干燥及熱處理、樣品性能測(cè)試三個(gè)階段，每個(gè)階段不超過(guò)4個(gè)學(xué)時(shí)，保證實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目按照正常的課堂教學(xué)時(shí)間及耐火材料生產(chǎn)工藝及性能測(cè)試要求進(jìn)行。

表3 低氣孔黏土磚實(shí)驗(yàn)配方

表4 剛玉澆注料實(shí)驗(yàn)配方

2.3 考核方式改革

調(diào)整平時(shí)成績(jī)及實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)的考核比重，分別將原實(shí)驗(yàn)課程考核中平時(shí)成績(jī)占比30%上調(diào)為40%，實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)占比70%下調(diào)為60%。為了改變?cè)瓉?lái)較為單一的考核方式，其中平時(shí)成績(jī)又細(xì)分為考勤占比30%+實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)占比30%+實(shí)驗(yàn)操作占比40%?？记谥饕己藢W(xué)生上課遲到早退情況。同時(shí)實(shí)驗(yàn)課程要求學(xué)生在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室之前完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中簡(jiǎn)單的問(wèn)答及交流評(píng)估學(xué)生預(yù)習(xí)情況，對(duì)其預(yù)習(xí)成績(jī)進(jìn)行考核。實(shí)驗(yàn)操作主要考查學(xué)生主觀動(dòng)手意愿、動(dòng)手能力及實(shí)驗(yàn)完成情況等。實(shí)驗(yàn)報(bào)告使用電腦排版替代傳統(tǒng)手抄形式，提供給學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告電子版模版，學(xué)生只需將報(bào)告內(nèi)容填寫完整再打印上交即可。因而學(xué)生可將更多時(shí)間用于思考實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容，減輕了學(xué)生抄寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告的學(xué)習(xí)強(qiáng)度。

3 課程改革成效

已按照改革后的實(shí)驗(yàn)課程對(duì)本專業(yè)2016～2018級(jí)學(xué)生進(jìn)行教學(xué)。由于學(xué)生經(jīng)歷了親自設(shè)計(jì)配比、制備樣品及驗(yàn)證樣品性能全過(guò)程，參與度與動(dòng)手積極性明顯提高，學(xué)習(xí)興趣也顯著增強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果也大幅度提升。根據(jù)學(xué)生的反饋，分析其中主要有以下原因：學(xué)生采用自己設(shè)計(jì)的配方，親手完成配料、混料及成型過(guò)程，制備的樣品編寫自己對(duì)應(yīng)的號(hào)碼，有的同學(xué)甚至寫上自己的姓名，這樣就將實(shí)驗(yàn)樣品與學(xué)生個(gè)體之間建立了聯(lián)系。學(xué)生將實(shí)驗(yàn)樣品當(dāng)作自己的作品對(duì)待，最后性能測(cè)試是對(duì)自己作品優(yōu)劣的鑒定，有的學(xué)生還要求實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將制作的樣品帶走保存，學(xué)生學(xué)習(xí)的成就感增強(qiáng)。

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)報(bào)告總結(jié)中寫道“設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)生動(dòng)有趣，實(shí)驗(yàn)課上收獲頗豐，不僅學(xué)會(huì)了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的操作，還掌握了耐火材料簡(jiǎn)單的研究方法”“通過(guò)親手參與設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，制作的樣品性能超過(guò)了預(yù)期，體會(huì)到了設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、制造的樂(lè)趣”“通過(guò)親眼觀察實(shí)驗(yàn)設(shè)備構(gòu)造、親耳聆聽(tīng)老師講解實(shí)驗(yàn)方法、親手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，讓原本教科書(shū)上抽象的知識(shí)有了較為真實(shí)的感受，留下的印象深刻”。由此可知，課程改革后學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)的積極性得到有效調(diào)動(dòng)。而且由于每個(gè)學(xué)生的想法不同，不同的學(xué)生可以通過(guò)不同的途徑和方法達(dá)到同一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，相互之間還可以進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生的獨(dú)立思維、才智、個(gè)性得到充分尊重，改變了千人一面的傳統(tǒng)教學(xué)模式，有利于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，體現(xiàn)了以人為本的教育思想。

4 結(jié)論

為了培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，適應(yīng)當(dāng)前新時(shí)代高等教育培養(yǎng)創(chuàng)新型、綜合型人才的需求，通過(guò)整合孤立的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、采用分批分組式教學(xué)、增加學(xué)生動(dòng)手參與實(shí)驗(yàn)操作平時(shí)成績(jī)考核等方式對(duì)實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行改革，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，學(xué)生的思考、創(chuàng)新能力得到有效的培養(yǎng)，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。