黃雪飛 葉金文 王文武 馮慶芬 嚴(yán)群
[摘 要]金相樣品的制備及金相組織觀察是材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)本科生必備的基本實(shí)驗(yàn)技能。組織全校大學(xué)生金相技能大賽、帶隊(duì)參加國(guó)家級(jí)及省級(jí)大學(xué)生金相技能大賽,能夠促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)同行的交流與學(xué)習(xí)。課題組以金相技能大賽為引領(lǐng),對(duì)材料科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行教學(xué)改革,因材施教,探索出了材料科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的新方法,顯著提高了學(xué)生的動(dòng)手能力、探索能力,激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)材料科學(xué)的熱情,培養(yǎng)了學(xué)生精益求精、追求卓越的工匠精神和在科學(xué)研究中勇于克服困難與挫折的意志。同時(shí),也促進(jìn)了任課教師對(duì)材料類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的反思與改進(jìn),優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置,促進(jìn)了課堂知識(shí)與工程實(shí)踐的結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了“以賽促教、以賽促學(xué)”的良好效果。
[關(guān)鍵詞]金相技能;實(shí)驗(yàn)教學(xué);金相技能大賽;材料科學(xué)基礎(chǔ);教學(xué)改革
[中圖分類(lèi)號(hào)] G642.423 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437(2023)20-0033-03
材料科學(xué)是研究材料的成分、工藝、組織、性能之間相互聯(lián)系的科學(xué)[1]。其中,材料的顯微組織是材料科學(xué)研究的核心,對(duì)材料制備工藝的控制和性能的調(diào)控都需要以材料的顯微組織為依據(jù)。對(duì)材料不同尺度顯微組織的表征一般需要使用金相(光學(xué))顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡或其他顯微分析儀器,其中金相組織觀察是研究材料顯微結(jié)構(gòu)特征的最基本的表征手段,對(duì)材料更深入細(xì)致的顯微組織的觀察往往都以金相組織為參考。因此,金相樣品的制備及金相組織觀察是金屬材料工程專(zhuān)業(yè)乃至材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生必備的基本實(shí)驗(yàn)技能,金相樣品的制備和金相顯微鏡的使用是全國(guó)大多數(shù)材料類(lèi)專(zhuān)業(yè)本科生必修的基本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之一。為了提高材料類(lèi)專(zhuān)業(yè)本科生的金相樣品制備及金相組織鑒別能力、培養(yǎng)大學(xué)生的工匠精神,在2012年,清華大學(xué)、北京科技大學(xué)等全國(guó)知名院校聯(lián)合發(fā)起了全國(guó)大學(xué)生金相技能大賽。2015年8月,教育部高等學(xué)校材料類(lèi)專(zhuān)業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)正式發(fā)文,決定作為全國(guó)大學(xué)生金相技能大賽的主辦單位對(duì)大賽的組織工作進(jìn)行具體指導(dǎo)。全國(guó)大學(xué)生金相技能大賽得到了教育部的認(rèn)可,并于近年來(lái)成功躋身全國(guó)普通高校學(xué)科競(jìng)賽排行榜內(nèi)的競(jìng)賽項(xiàng)目[2]。
四川大學(xué)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)我校)從第三屆全國(guó)大學(xué)生金相技能大賽開(kāi)始組隊(duì)參賽,此后每一屆大賽均未缺席,并以組織、帶隊(duì)參加金相技能大賽為契機(jī),持續(xù)對(duì)我校材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革,探索出了一條有特色的材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)之路。本文擬介紹我校以金相技能大賽為引領(lǐng)開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革思路和舉措,以及由此產(chǎn)生的對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用及對(duì)大學(xué)生綜合素質(zhì)培養(yǎng)的影響。
一、金相實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀
在我校的課程設(shè)置中,金相樣品的制備及金相組織觀察實(shí)驗(yàn)一般安排在原金屬材料工程專(zhuān)業(yè)材料科學(xué)基礎(chǔ)課帶實(shí)驗(yàn)中,每一屆參與實(shí)驗(yàn)的專(zhuān)業(yè)人數(shù)在70人左右。從2018年開(kāi)始,為順應(yīng)國(guó)家新工科的發(fā)展要求,我校對(duì)本科專(zhuān)業(yè)進(jìn)行改革,將原有的金屬材料工程、材料物理、材料化學(xué)、無(wú)機(jī)非金屬材料工程專(zhuān)業(yè)合并為材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè);在專(zhuān)業(yè)改革和合并后,金相樣品的制備及金相組織觀察實(shí)驗(yàn)安排在專(zhuān)門(mén)的實(shí)驗(yàn)課程——材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)-1中。由于每屆參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生人數(shù)較多,而實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)安排較少,學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)金相制樣技能和金相組織的認(rèn)識(shí)難以達(dá)到較高的水準(zhǔn)。同時(shí),現(xiàn)有的課程教學(xué)中僅講授了金相技術(shù)相關(guān)的內(nèi)容,沒(méi)有將金相組織與材料科學(xué)基礎(chǔ)的課堂知識(shí)有機(jī)聯(lián)系起來(lái),存在一定的脫節(jié)現(xiàn)象。而且,課堂中沒(méi)有引入工程案例,導(dǎo)致學(xué)生對(duì)金相樣品制備技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中的重要性認(rèn)識(shí)還不夠充分。此外,實(shí)驗(yàn)課程教師并不是金相技能大賽指導(dǎo)教師,這導(dǎo)致學(xué)生對(duì)金相技能比賽的理解面不足、重要性認(rèn)識(shí)不充分,這也間接導(dǎo)致我校金相技能比賽的參與度不高,參加全國(guó)比賽的成績(jī)不夠理想。同時(shí),我校機(jī)械工程學(xué)院材料成型及控制工程專(zhuān)業(yè)、空天科學(xué)與工程學(xué)院相關(guān)專(zhuān)業(yè)課程也涉及金相組織觀察及鑒別的相關(guān)知識(shí)和理論,但缺少系統(tǒng)的課程支撐,這也限制了這些專(zhuān)業(yè)學(xué)生對(duì)金相相關(guān)知識(shí)和技能的了解和掌握。
二、金相實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革舉措
基于我校金相實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題,近年來(lái),我校以全國(guó)大學(xué)生金相技能大賽為契機(jī),持續(xù)對(duì)材料科學(xué)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行改革,特別注重從課堂教學(xué)內(nèi)容、課程—賽訓(xùn)結(jié)合、教師團(tuán)隊(duì)組建等方面進(jìn)行改革,主要改革舉措如下。
(一)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)形式,增強(qiáng)課堂知識(shí)教學(xué)的基礎(chǔ)性和拓展性
金屬材料學(xué)涉及的課程知識(shí)面廣,包括材料科學(xué)基礎(chǔ)、金屬材料學(xué)、金屬材料相變及熱處理、材料力學(xué)性能以及相關(guān)聯(lián)的技能實(shí)驗(yàn)等。根據(jù)金相技能大賽的要求和多次比賽的經(jīng)驗(yàn),教師們認(rèn)識(shí)到金相技能比賽不僅可以考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能,也要求學(xué)生有深入扎實(shí)的理論知識(shí),因此須加強(qiáng)基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能教學(xué),使學(xué)生明白實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練是獲得材料相關(guān)知識(shí)的重要途徑。在教學(xué)中應(yīng)使學(xué)生清晰認(rèn)識(shí)到實(shí)驗(yàn)的目的和要解決的問(wèn)題是什么,即為什么要做和怎么做。在材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)中,將金相樣品的制備、金相組織的觀察、Fe?C二元合金的平衡組織觀察、金屬的變形與再結(jié)晶組織觀察、合金凝固與鑄錠組織觀察等與金相組織觀察及辨識(shí)密切相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有機(jī)結(jié)合,使學(xué)生更充分認(rèn)識(shí)到金相樣品的制備及金相組織觀察的重要意義。
(二)引入材料金相實(shí)驗(yàn)相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用的教學(xué)
金相技能實(shí)驗(yàn)不僅需要?jiǎng)邮植僮髂芰?,還要求有一定的規(guī)范性和標(biāo)準(zhǔn)性。因此,學(xué)生不僅要深入理解材料專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)知識(shí)和基本理論,還應(yīng)明晰工程實(shí)際中應(yīng)遵守的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。實(shí)驗(yàn)技能及規(guī)范要求在傳統(tǒng)教學(xué)中是缺位的,我校以組織參加金相技能大賽為契機(jī),在課堂上講解如《金相學(xué)術(shù)語(yǔ)》(GB/T 30067—2013)《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》(GB/T 13298—2015)《鋼的游離滲碳體、珠光體和魏氏組織的評(píng)定方法》(GB/T 13299—2022)等相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),并結(jié)合這些國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)在行業(yè)的應(yīng)用案例講解來(lái)達(dá)到實(shí)驗(yàn)技能規(guī)范性教學(xué)目標(biāo),使工程類(lèi)的學(xué)生能夠更深入理解金相技能相關(guān)規(guī)范及其在工業(yè)中的應(yīng)用。
(三)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)與個(gè)性化教學(xué)相結(jié)合
在基礎(chǔ)性、大眾化教學(xué)的基礎(chǔ)上,組建專(zhuān)門(mén)的金相技能比賽訓(xùn)練隊(duì)伍,通過(guò)對(duì)參賽的初選人員進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的個(gè)性化訓(xùn)練和指導(dǎo),使有興趣有能力參賽的學(xué)生的材料類(lèi)專(zhuān)業(yè)知識(shí)水平、實(shí)驗(yàn)技能水平、標(biāo)準(zhǔn)化意識(shí)水平得到進(jìn)一步提高。對(duì)于金相技能特別優(yōu)秀的學(xué)生,可以引導(dǎo)其參與先進(jìn)金屬結(jié)構(gòu)材料相關(guān)研究領(lǐng)域教師的科研項(xiàng)目、將金相技能充分應(yīng)用于科學(xué)研究中,激發(fā)他們的研究興趣和創(chuàng)新意識(shí)。通過(guò)因材施教、個(gè)性化培養(yǎng),能夠顯著提升參賽學(xué)生對(duì)金屬材料專(zhuān)業(yè)的研究興趣,很多參加金相技能大賽的學(xué)生在大四期間被免試推薦攻讀研究生,繼續(xù)選擇金屬材料相關(guān)的專(zhuān)業(yè)方向進(jìn)行深造。
(四)加深學(xué)生對(duì)金相技能的認(rèn)識(shí),夯實(shí)學(xué)生的基本功
我校通過(guò)組織和參與金相技能大賽,借助金相研究協(xié)會(huì)在學(xué)生中進(jìn)行賽前宣講,并在金相課堂及實(shí)驗(yàn)教學(xué)中講解大賽的流程和制樣標(biāo)準(zhǔn),使學(xué)生清楚地認(rèn)識(shí)到所學(xué)知識(shí)的有用性和實(shí)驗(yàn)遵循的標(biāo)準(zhǔn)性,提高他們對(duì)金相技能及相關(guān)材料理論的認(rèn)識(shí)和參與實(shí)驗(yàn)的主動(dòng)性。通過(guò)校賽和省賽,提高了學(xué)生對(duì)金相技能的認(rèn)知度和參與度,也使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中更加認(rèn)真,在訓(xùn)練中更加刻苦和規(guī)范,對(duì)技能的掌握更加扎實(shí)穩(wěn)定,培養(yǎng)了勤學(xué)苦練、追求卓越、精益求精的工匠精神,練就了扎實(shí)的基本功。
(五)組建固定的指導(dǎo)教師團(tuán)隊(duì),加強(qiáng)專(zhuān)業(yè)交流與溝通
我校機(jī)械工程學(xué)院、空天科學(xué)與工程學(xué)院相關(guān)專(zhuān)業(yè)課程中也涉及金相組織的觀察及鑒別的相關(guān)知識(shí)。通過(guò)組建金相技能大賽集訓(xùn)隊(duì)伍和指導(dǎo)教師團(tuán)隊(duì)、聯(lián)合舉辦校內(nèi)選拔賽、共同帶隊(duì)參加省賽和國(guó)賽等方式,不同專(zhuān)業(yè)的教師之間的交流和切磋得以加強(qiáng),金相樣品的制備和組織觀察的經(jīng)驗(yàn)更加豐富,形成了穩(wěn)定的金相參賽隊(duì)伍的指導(dǎo)機(jī)制。
三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的效果與思考
通過(guò)以上改革舉措,教師以培養(yǎng)學(xué)生的工匠精神、科研探索與創(chuàng)新能力、工程實(shí)踐能力為目標(biāo)和著眼點(diǎn),穩(wěn)步提高參賽學(xué)生的水平,積極提升實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)質(zhì)量,取得了良好的參賽和教學(xué)成績(jī)。
(一)激發(fā)了學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)課程的興趣與探索精神
通過(guò)組織和參與金相技能大賽,提升了學(xué)生對(duì)材料顯微組織觀察與研究的興趣,也提升了材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)的課堂參與度與活躍度。特別是學(xué)生通過(guò)動(dòng)手實(shí)驗(yàn),親自揭示材料的顯微組織特征如鐵素體、珠光體、晶粒、位錯(cuò)、樹(shù)枝晶、夾雜物等后,真切感受到了理論課堂中的范式和概念,加深了對(duì)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)的認(rèn)識(shí),對(duì)金屬材料的研究產(chǎn)生了濃厚的興趣。特別是實(shí)驗(yàn)選用的樣品并非完全是理想樣品,甚至包括一些隨機(jī)的工程用零部件樣品,制樣過(guò)程中也會(huì)存在各種缺陷,這些缺陷對(duì)現(xiàn)象的影響能夠促使學(xué)生去不斷思考,追根溯源,不斷分析實(shí)驗(yàn)過(guò)程對(duì)制樣效果的影響,推測(cè)材料的制備工藝等,鍛煉學(xué)生獨(dú)立思考的能力,并為以后的研究生生涯打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí),這也在一定程度上培養(yǎng)了學(xué)生在材料專(zhuān)業(yè)工程應(yīng)用中的失效分析技能。
(二)培養(yǎng)了學(xué)生的工程實(shí)踐意識(shí)和工匠精神
相對(duì)于以往實(shí)驗(yàn)課程中僅強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生金相組織的基礎(chǔ)知識(shí)和制樣技能方面的培養(yǎng),實(shí)驗(yàn)改革引入了金相樣品制備及金相組織鑒別相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的講解,建立了金相組織的相關(guān)知識(shí)與生產(chǎn)實(shí)踐的有機(jī)聯(lián)系,使學(xué)生意識(shí)到所學(xué)知識(shí)的有用性。同時(shí),在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中培養(yǎng)了學(xué)生精益求精、追求卓越、不怕困難與吃苦的精神。眾所周知,制備金相樣品涉及預(yù)磨、拋光、腐蝕和金相顯微鏡的觀察等多個(gè)環(huán)節(jié),如果上一環(huán)節(jié)準(zhǔn)備不充分,必然會(huì)對(duì)下一環(huán)節(jié)產(chǎn)生負(fù)面影響。因此,金相樣品的制備流程是環(huán)環(huán)相扣的。這使得學(xué)生在倒角的準(zhǔn)備、不同號(hào)碼砂紙的切換、拋光膏的涂抹、腐蝕的時(shí)間及腐蝕液濃度等方面都特別小心,積累了熟練控制樣品組織的經(jīng)驗(yàn),最終制備的金相樣品質(zhì)量、成功率都有了顯著的提高,這極大鍛煉了學(xué)生的抗挫折能力和堅(jiān)韌不拔的意志。同時(shí),金相技能比賽強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程的規(guī)范性和實(shí)驗(yàn)后設(shè)備的歸位及場(chǎng)地的清理,培養(yǎng)了學(xué)生的責(zé)任意識(shí)。
(三)形成了穩(wěn)定的指導(dǎo)教師團(tuán)隊(duì),提高了實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)質(zhì)量
我校組建了金相技能大賽指導(dǎo)教師團(tuán)隊(duì)和學(xué)生集訓(xùn)隊(duì),隊(duì)伍中新老結(jié)合,既促進(jìn)了金相相關(guān)知識(shí)和指導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)的傳承,也加強(qiáng)了不同學(xué)院、不同背景教師之間在金相領(lǐng)域的相互交流和切磋,豐富了教師的教學(xué)經(jīng)驗(yàn),使得實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)相對(duì)以往在課程的參與度、活躍度等方面都有了顯著提升。同時(shí),以金相顯微組織知識(shí)為依托,提高了其他相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目甚至是整個(gè)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)質(zhì)量,使學(xué)生的獲得感、參與度更高,為打造材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課程“金課”打下了良好的基礎(chǔ)。
四、結(jié)語(yǔ)
全國(guó)大學(xué)生金相技能大賽對(duì)促進(jìn)材料類(lèi)專(zhuān)業(yè)本科生基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能水平的提升具有重要的意義。參與金相技能大賽不僅是對(duì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)學(xué)科的傳承,也是培養(yǎng)學(xué)生探索和創(chuàng)新精神的重要途徑。我校以全國(guó)大學(xué)生金相技能大賽為契機(jī),在實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置、課程內(nèi)容、教師隊(duì)伍交流及大賽準(zhǔn)備等方面開(kāi)展了多項(xiàng)改革舉措,在有限的實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)下充分發(fā)揮了金相知識(shí)和技能教學(xué)的育人作用,使學(xué)生在規(guī)則意識(shí)、責(zé)任意識(shí)、專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)、工匠精神、意志品格等方面都得到了很好的鍛煉和提高。未來(lái),隨著教育部新工科教育的實(shí)施和推廣[3-5],金相實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的實(shí)施也應(yīng)進(jìn)一步考慮與新科技革命的融合,思考金相組織知識(shí)在材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)和其他專(zhuān)業(yè)學(xué)科的交叉作用。材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容和形式改革應(yīng)隨著國(guó)際、國(guó)內(nèi)科技變革及工業(yè)發(fā)展形勢(shì)的變化而變化。
[ 參 考 文 獻(xiàn) ]
[1] 教育部高等學(xué)校教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì).普通高等學(xué)校本科專(zhuān)業(yè)類(lèi)教學(xué)質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn):上[M].北京:高等教育出版社,2018.
[2] 中國(guó)高等教育學(xué)會(huì)發(fā)布“學(xué)科競(jìng)賽排行榜”和“教師教學(xué)競(jìng)賽分析報(bào)告”[J].中國(guó)高教研究,2020(3):111.
[3] 鐘登華.新工科建設(shè)的內(nèi)涵與行動(dòng)[J].高等工程教育研究,2017(3):1-6.
[4] 金東寒.深化拓展新工科建設(shè) 培養(yǎng)新時(shí)代卓越工程師[J].中國(guó)高等教育,2022(12):12-14.
[5] 吳巖.勇立潮頭,賦能未來(lái):以新工科建設(shè)領(lǐng)跑高等教育變革[J].高等工程教育研究,2020(2):1-5.
[責(zé)任編輯:周侯辰]