以金相技能大賽為契機(jī)，提高本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平

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業(yè)乃至材料科學(xué)與工程專業(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)材料類專業(yè)本科生必修的基本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之一。為了提高材料類專業(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)校材料類專業(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)稱我校）從第三屆全國(guó)大學(xué)生金相技能大賽開始組隊(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)的專業(yè)人數(shù)在70人左右。從2018年開始，為順應(yīng)國(guó)家新工科的發(fā)展要求，我校對(duì)本科專業(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)、無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)合并為材料科學(xué)與工程專業(yè)；在專業(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)安排在專門的實(shí)驗(yàn)課程——材料科學(xué)與工程專業(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，存在一定的脫節(jié)現(xiàn)象。而且，課堂中沒有引入工程案例，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業(yè)、空天科學(xué)與工程學(xué)院相關(guān)專業(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)狀和存在的問題，近年來，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題是什么，即為什么要做和怎么做。在材料科學(xué)與工程專業(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)用案例講解來達(dá)到實(shí)驗(yàn)技能規(guī)范性教學(xué)目標(biāo)，使工程類的學(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，組建專門的金相技能比賽訓(xùn)練隊(duì)伍，通過對(duì)參賽的初選人員進(jìn)行專門的個(gè)性化訓(xùn)練和指導(dǎo)，使有興趣有能力參賽的學(xué)生的材料類專業(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)與工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)的課堂參與度與活躍度。特別是學(xué)生通過動(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)材料類專業(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，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)與工程專業(yè)和其他專業(yè)學(xué)科的交叉作用。材料科學(xué)與工程專業(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)校本科專業(yè)類教學(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：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］