以金相實驗為例對材料專業(yè)本科實踐教學的改革與實踐

孫德山 李偉 馬玉春 董治中 劉德寶

【摘 ?要】 文章以金相實驗為例，結(jié)合專業(yè)實驗教學現(xiàn)狀與問題，提出通過改善實驗條件、豐富實驗內(nèi)容、借助學科競賽等方式進行材料專業(yè)實踐教學的探索與實踐。旨在提高實踐教學效果，提升大學生競爭力，培養(yǎng)具有工程意識、創(chuàng)造性思維、團隊合作能力和自主性學習能力的專業(yè)型人才，為進一步探索理工科專業(yè)學生的實踐教學改革提供了思路。

【關(guān)鍵詞】 金相分析；實踐教學；材料專業(yè)教學

面對新一輪的科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，壯大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，積極發(fā)展未來產(chǎn)業(yè)，實現(xiàn)創(chuàng)新引領(lǐng)發(fā)展，提升新質(zhì)生產(chǎn)力是當務之急。因此，社會對多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才的需求是必不可少的。高校作為工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要基地，如何增強學生的工程意識、創(chuàng)新意識，培養(yǎng)具備多維知識結(jié)構(gòu)、熟練掌握新質(zhì)生產(chǎn)資料的應用型人才，是高校教育工作的重中之重。

材料學科是一門與生產(chǎn)企業(yè)，尤其是新興前沿行業(yè)密切相關(guān)的實踐性學科。它對學生的動手實踐能力和專業(yè)素養(yǎng)有較高的要求，因此實踐教學對學生綜合能力的培養(yǎng)至關(guān)重要，需要與產(chǎn)業(yè)、行業(yè)、企業(yè)的技術(shù)需求緊密結(jié)合。為了貫徹落實本科工程教育專業(yè)認證中的“產(chǎn)出導向”理念，院校需要加強應用型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。金相分析技術(shù)作為材料專業(yè)的基礎(chǔ)實驗項目，利用金相技術(shù)可以分析材料的微觀組織，從而解析材料組織、結(jié)構(gòu)、加工工藝與性能之間的聯(lián)系，是材料專業(yè)學生必備的專業(yè)技能。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，新材料不斷涌現(xiàn)，金相學的應用范圍也不再局限于金屬材料，而拓展到了無機非金屬材料、礦物、高分子材料等領(lǐng)域，這對材料專業(yè)學生進行金相技能的培養(yǎng)提出了更高的要求。

一、材料專業(yè)實踐教學現(xiàn)狀及教學中存在的問題

（一）材料專業(yè)實踐教學現(xiàn)狀

金相試樣制備及組織分析是材料專業(yè)中一項重要的實踐課程，涵蓋了金相試樣的制備、金相顯微鏡的使用以及微觀組織結(jié)構(gòu)分析等內(nèi)容，涉及材料科學與基礎(chǔ)、熱處理工藝、固態(tài)相變等多學科知識，對學生理論知識的掌握要求較高。金相試樣的制備過程包括取樣、鑲嵌、磨制、拋光、腐蝕和顯微組織分析等多個步驟，每一步都對學生的動手能力有較高的要求。對初學者而言，操作中每一個環(huán)節(jié)都可能出現(xiàn)問題，比如磨制過程中用力不均可能導致試樣表面不平整；拋光時用力過大可能導致拋光介質(zhì)嵌入或試樣飛濺；腐蝕時間過短或過長都會影響顯微組織的顯示。因此，學生要熟練掌握金相試樣的制備，需要長時間的實踐鍛煉。

天津理工大學材料科學與工程專業(yè)的金相技能教學主要包括以下幾個方面：首先，在“材料科學基礎(chǔ)”課程中，開設(shè)了“鐵碳合金平衡組織觀察與顯微鏡的使用”演示驗證性實驗，這使學生對金相技術(shù)有了初步的認識。其次，在認識實踐環(huán)節(jié)，設(shè)置了金相試樣制備實驗，旨在初步培訓學生金相制樣技術(shù)。最后，在材料綜合實驗課程中，通過對不同金屬材料進行特定熱處理，制備金相試樣，分析其顯微組織，測試其硬度，以解析熱處理、微觀組織和宏觀性能之間的聯(lián)系。目前的教學效果顯示，學生能夠按部就班地完成全流程的實驗操作，并且對常見材料（如45鋼、T10鋼、40Cr等）經(jīng)過熱處理后的顯微組織與性能有基本的分析能力。

（二）實驗教學過程中存在的問題

1. 實驗相對單一，學生鍛煉不足

目前，材料科學與工程專業(yè)的理論課程主要側(cè)重于碳鋼、鑄鐵等傳統(tǒng)材料，而有色金屬如鋁、鎂、鈦及銅合金等內(nèi)容雖然有涉及，但整體教學深度較淺。在實驗教學方面，以45鋼、T10鋼和鑄鐵等材料為主，對有色金屬只涉及了鋁合金的熱處理實驗。從目前的教學效果來看，學生在獨立設(shè)計實驗工藝、準確分析各種材料的顯微組織與性能方面存在一定的能力不足，舉一反三的能力也有所欠缺。這反映了學生對理論知識的掌握還不夠深入、全面，實踐教學過程中缺乏真正的思考，只是機械地完成實驗操作。此外，隨著現(xiàn)代社會技術(shù)的發(fā)展，新材料、新工藝不斷涌現(xiàn)。雖然傳統(tǒng)材料和熱處理工藝仍然重要，但如何與時俱進，引入新材料、新技術(shù)的內(nèi)容，培養(yǎng)適應新時代要求的專業(yè)人才，是高校教師在實踐教學中需要認真思考和解決的問題。

2. 學生理論基礎(chǔ)較差，實驗態(tài)度敷衍

專業(yè)學生在材料科學基礎(chǔ)、熱處理工藝、金屬材料學等課程的理論知識掌握不夠扎實，理解不夠透徹，難以將所學知識活學活用。在實驗教學中，學生在涉及理論知識應用的情況下，往往會遺忘大部分知識點，例如在金相組織分析中，學生可能無法清楚區(qū)分相與組織的概念；在中碳鋼顯微組織中，鐵素體和珠光體的區(qū)別甚至無法明確。此外，學生對實踐教學的態(tài)度較為敷衍，僅僅是應付了事，實驗技巧的掌握僅限于實驗時段，例如金相顯微鏡的使用是多個實驗中的常見操作，但總有學生甚至找不到顯微鏡的開關(guān)。對實驗中遇到的問題，學生在解決時缺乏足夠的耐心和技巧，而提交的實驗報告往往只是實驗結(jié)果的簡單羅列，缺少對實驗結(jié)果的深入分析和總結(jié)。

3. 實驗條件受限

專業(yè)實驗室現(xiàn)有的金相預磨機、拋光機等設(shè)備老化嚴重，且設(shè)備數(shù)量有限。金相顯微鏡同樣存在老化和配置不足等問題。與此同時，金相試樣制備實驗需要進行磨制、拋光、腐蝕等操作，這對實驗室場地的要求較高。過去實驗室場地有限，導致學生排隊等候的情況頻繁發(fā)生，嚴重影響了實踐教學的效果。

二、實踐教學過程中的探索與改進措施

（一）整合實驗教學實驗室，購置實驗教學設(shè)備

2022年底，天津理工大學材料科學與工程學院材料專業(yè)全力準備工程教育認證，并成功通過認證。同時，學院計劃在2024年舉辦天津市大學生金相技能大賽。為此，專業(yè)對教學實驗室進行了整合，并擴建了一間金相實驗室，增設(shè)了腐蝕工位，購置了10余臺金相拋光機，并替換了部分倒置式金相顯微鏡。目前金相實驗室共有20余個磨制、拋光和腐蝕工位，如圖1所示。另外，組織分析實驗室配備了50余臺金相顯微鏡。考慮到實驗操作的時間性和空間性，目前實驗室可以充分滿足一個教學班級的教學需求。

（二）充分利用網(wǎng)絡資源，開展線上虛擬實驗項目

為了提高學生的預習效果并節(jié)省課上教授時間，教師提前錄制了金相試樣制備的全過程操作視頻，并在課前要求學生觀看。這種做法極大地提升了學生的預習效果，部分學生通過線上虛擬仿真實驗和操作視頻，能夠基本掌握實驗方法。在實驗過程中，教師有更多的時間和精力可以專注于關(guān)注學生的操作規(guī)范性和關(guān)鍵步驟，這有助于學生更好地掌握金相試樣制備的操作技能。

為了彌補實驗條件不足的問題，教師還利用實驗空間——國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺提供的線上資源，開展了一系列線上虛擬仿真實驗。這些線上實驗包括軸承鋼、滲碳鋼、高速鋼等材料的熱處理實驗，以補充部分無法在實驗室中開展的實驗教學內(nèi)容。通過這些線上實驗課程，學生可以在虛擬環(huán)境中進行操作，獲得更豐富的實踐經(jīng)驗。

（三）緊密聯(lián)系理論課程，加強實驗考核

基于學生理論知識掌握不扎實的現(xiàn)狀，實驗教師在實踐教學前加強了與理論課教師的溝通交流，以便合理調(diào)整實驗時間與內(nèi)容。舉例而言，在材料科學基礎(chǔ)課程中，理論課教師講解完Fe-C合金相圖相關(guān)知識后，及時安排了“鐵碳合金平衡組織觀察與顯微鏡的使用”實驗。通過分析典型的試樣，學生可以將理論知識與實踐有機結(jié)合，鞏固所學的理論知識，提高實驗教學的效果。另外，在實驗教學中，增設(shè)了考核機制，針對實驗教學過程中的重難點及時進行考核，以提高學生對實驗教學的重視程度，并規(guī)范實驗態(tài)度。例如，在“鐵碳合金平衡組織觀察與顯微鏡的使用”實驗中，隨機抽查學生對試樣的名稱、熱處理狀態(tài)以及顯微組織分析的掌握情況。而在金相試樣制備實驗中，通過評價每個學生制備的試樣的宏觀形貌和顯微組織，來評估學生的實驗操作規(guī)范性。對不合格的試樣，督促學生重新制備。通過這種方式，課程不再局限于規(guī)定的學時授課，而是注重評估學生實驗技能的實際掌握程度，從而提高了實驗教學的質(zhì)量和效果。

（四）依托金相技能大賽，促進本科實踐教學

學院成立了金相技能社團，主要承擔普及金相知識，傳授金相試樣制備技能，組織承辦本校金相技能大賽。依托社團，學院通過承辦金相技能大賽，以賽促學、以賽促練、以賽促改，實現(xiàn)金相相關(guān)實驗的改革。學院開放實驗室，將金相實驗室在空閑時間向?qū)W生開放，學生可通過預約進行金相實驗練習。此外，學院還鼓勵參加過比賽的學生與初學者分享經(jīng)驗，幫助他們更快地掌握金相試樣制備的操作技巧，并解決操作中遇到的問題和難點。

（五）增加綜合性實驗，培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W態(tài)度

學院針對專業(yè)特點，以金相試樣制備為基礎(chǔ)，融入熱處理工藝設(shè)計、操作，硬度檢測和組織評價等內(nèi)容，對現(xiàn)有碳鋼的熱處理及組織觀察實驗進行改進。豐富熱處理試樣種類，增加對學生熱處理的工藝設(shè)計環(huán)節(jié)的訓練。以專業(yè)工程教育認證為契機，更新了兩臺四工位端淬設(shè)備。重開“鋼的淬透性”測定實驗，通過熱處理的操作、金相試樣的制備、組織分析、硬度測定，評價不同材料的淬透性，使學生了解影響淬透性的因素以及淬透性曲線的工程應用。

在綜合性實驗授課過程中，學院注重培養(yǎng)學生的工程意識和嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，結(jié)合材料專業(yè)實驗的特點，在相關(guān)實驗授課中，規(guī)范化實驗方法。如在“鋼的淬透性”實驗教學中指出端淬試驗方法的試樣加工尺寸、熱處理工藝、硬度的測定都要嚴格按照GB/T 225-2006鋼淬透性的末端淬火試驗方法（Jominy試驗）中的規(guī)定來進行，如此得到的試驗數(shù)據(jù)才有說服力和比較性。通過開設(shè)綜合性實驗項目，培養(yǎng)學生嚴謹?shù)膶嶒瀾B(tài)度，提高學生綜合分析和解決實際問題的能力，使學生基本具備從事相關(guān)專業(yè)技術(shù)性工作的能力。

（六）加強實驗安全和環(huán)保教育

在金相試樣制備過程中，使用金相切割機、金相拋光機等高速設(shè)備存在安全隱患。同時，金相試樣的浸蝕需要接觸無水乙醇、硝酸酒精等酸性或堿性腐蝕液，這些溶液具有一定的腐蝕性。為確保實驗安全，學校和學院實驗中心都制定了實驗室安全管理制度。在學生進行首次實驗之前，實驗教師會進行統(tǒng)一的安全教育，同時學校保衛(wèi)處設(shè)立了實驗安全系統(tǒng)，學生需通過系統(tǒng)的實驗安全考試并獲得合格證書方可進入實驗室。此外，在實際授課時，教師會提醒學生注意佩戴手套、將頭發(fā)挽起等方式以確保實驗安全，實驗產(chǎn)生的廢液會進行統(tǒng)一處理，學生也會被提醒在實驗過程中注意安全和環(huán)保問題。

三、結(jié)語

如今社會對高級專業(yè)技術(shù)人才的需求日益增長，對大學生的工程意識和專業(yè)技能提出了更高的要求。實踐教學作為理論教學的延伸和升華，對學生工程意識和專業(yè)技能的培養(yǎng)至關(guān)重要。以金相實驗為例，文章分析了目前教學存在的不足之處，并通過增加實驗設(shè)備數(shù)量、豐富實驗內(nèi)容、規(guī)范實驗教學等措施，提高了實驗教學的趣味性和科學性，確保了學生動手操作的機會和效果。通過舉辦金相技能競賽并建立獎勵機制，以賽促學，有效提高了學生的參與度，為他們提供了實踐能力培養(yǎng)的機會。這不僅提高了材料專業(yè)實驗教學的質(zhì)量，還為實踐教學的改革探索提供了有益啟示。

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