逆向思維在工程材料實驗教學中的應用

郭芳芳

（江西科技學院機械工程學院，江西 南昌 330098）

逆向思維在工程材料實驗教學中的應用

郭芳芳

（江西科技學院機械工程學院，江西 南昌 330098）

在工程材料實驗教學中，結合教學現狀以及學生特點，提出了實驗教學中運用逆向思維設計實驗的理念。通過對工程材料實驗教學中的一些驗證性實驗和基礎綜合性實驗進行逆向思維設計，并將其應用于教學實踐。實踐調查結果表明，逆向思維設計實驗的方法提高了學生實驗的積極性、自主性和實踐能力，加深了學生對理論知識理解和應用，顯著提高了實驗教學質量。

逆向思維；實驗設計；實驗教學

0 引言

工程材料實驗是一門機械類和材料科學類專業的一門實踐性很強的專業基礎實驗課，是工程材料及熱處理、機械工程材料、金屬學及熱處理等后續課程必不可少的支撐課程。目前，該實驗教學大部分是教師講授、演示，學生按照要求重復實驗步驟，機械操作、無自主性，缺乏學習積極性，實驗既沒起到加深理論知識的理解的作用，也不利于學生實踐能力的培養，與應用型人才培養目標偏差較大。為了解決以上實驗教學中存在的問題，本文提出采用逆向思維的方法來設計實驗，以提高學生實驗的積極性、自主性和實踐動手能力。

1 逆向思維設計實驗的理念

關于提高學生的學習積極性和實踐能力的教學改革研究目前有很多[1][2][3]，且大多數研究均致力于開放性綜合性實驗教學，研究表明開放性實驗教學對提高學生的實驗積極性和實踐能力起到較好的作用，但其不一定適合適用于所有高校。如我校是一所以應用型人才培養為目標的本科院校，學生基礎水平層次參差不齊，水平層次差的學生不乏少數。這種涵蓋知識點多而廣的開放性實驗教學，對層次水平較低的學生和低年級學生來說可操作性較差，驗證性基礎實驗和一些基本型的綜合實驗可能更適合我校大多數學生。因此，在實驗教學過程中關鍵是如何設計驗證性基礎實驗和基本型綜合實驗，以提高學生實驗積極性、自主性和實踐動手能力。

一般來說，要提高學生實踐能力，前提是學生必須動手做，而興趣和信心是學生樂意動手做的驅動力，它們可以激發學生的求知欲，推動他們去探究和學習，進而發展他們分析問題解決問題的能力。而逆向思維是一種具有啟發性、創造性、靈活性的求異思維，同時也是提出問題、分析問題和解決問題的一種重要方法[4]。逆向思維設計法是從相反方向思考問題，是運用顛倒過來的思維方式進行實驗設計，打破正向思維所形成的思維定勢，克服思維的“框框”，從而取得一定的實驗設計成果[5]。這種方法在中學實驗教學中已經被廣泛研究和應用，它不僅可以提高學生的學習興趣和提高學生實踐動手能力，而且還使教學效果事半功倍。在物理學史上，法拉第提出“把磁轉變成電”的思想，進一步設計了各種實驗發現電磁感應現象，就是一例。可見，逆向思維對于培養應用性和創造性人才有著重要的作用。因此，在工程材料實驗教學中試圖打破傳統實驗方式以逆向思維進行實驗創新設計，以增加學生實驗積極性，提高學生實踐動手能力和創新意識。

2 逆向思維在工程材料實驗教學中的應用

2.1 逆向思維設計實驗

1.在碳鋼的試樣硬度測試實驗中，實驗的常規設計方法是根據已知的試驗材料和所給定的硬度試驗法，分別去測定不同材料的硬度值，然后對實驗結果進行分析和討論，比較不同含碳量的鋼的硬度值與WC的關系。而采用逆向思維的設計方法是給定學生三種或多種未知型號試驗材料，按所給定的硬度試驗法，分別去測定其硬度值，然后通過測試的結果去分析并推斷試樣材料型號。

2.在碳鋼的金相試樣的制備及平衡組織觀察實驗中，實驗的常規設計方法是先制備一已知材料的金相試樣，然后進行金相試樣平衡組織觀察，并將觀察到的金相圖用示意圖表示，最后通過金相圖去比較和分析含碳量不同的鋼的組織是什么，以及含碳量對組織的影響。而采用逆向思維的設計方法是先制備一未知的金相試樣，然后進行金相試樣平衡組織觀察，并將觀察到的金相圖用示意圖表示，同時還要求學生由觀察到的金相試樣平衡組織圖去判定試樣是所指定的哪種材料。

3.在碳鋼的熱處理實驗中，實驗的常規設計方法是根據制定好的工藝要求分別對某種或多種碳鋼進行熱處理，并測定試樣熱處理前后的硬度值，然后通過金相試樣制備及組織觀察，分析其所獲得的組織，具體操作和實驗結果，如表1所示。

表1 常規設計的碳鋼的熱處理實驗表

而采用逆向思維的設計方法是根據已知組織，要求學生去制定相應的熱處理工藝條件，并對試樣進行熱處理，同時測定其熱處理前后的硬度值，具體操作和實驗結果，如表2所示。

表2 逆向思維設計的碳鋼的熱處理實驗表

表1和表2均為碳鋼熱處理實驗的表格，兩者的區別是：表1是直接給出熱處理工藝參數（即淬火加熱溫度及保溫時間），讓學生根據熱處理工藝參數進行熱處理實驗及組織觀察，并將得出實驗結果填入相應的表格內；表2是先已知要得到的組織，讓學生自己去制定熱處理工藝參數，并根據制定的熱處理工藝參數進行熱處理實驗，并將得出實驗數據填入表格內。

2.2 逆向思維設計實驗分析

在碳鋼的試樣硬度測試實驗和金相試樣制備及平衡組織觀察實驗中，同樣是基礎驗證性實驗，常規設計實驗方式是對已知材料進行實驗得出相應的數據結果，驗證理論教學的內容。而基于逆向思維的實驗設計，是對未知材料進行實驗得出相應數據結果，結合理論教學的知識去推斷材料。常規實驗方式往往學生做完了，也不知道自己做了什么，只是簡單操作了一遍，而后者則是首先設置了懸念，讓學生帶著好奇心去做，并且對理論知識進行了應用，加深了理論的學習和印象，效果顯然好于前者。

在碳鋼的熱處理實驗中，常規的實驗設計方式是給定材料，給定冷卻方式，由相應的冷卻方式獲得相應的實驗數據結果（即組織和硬度），然后去分析冷卻速度對組織與性能的影響。其結果是學生只是明白了冷卻速度對組織與性能的影響，對什么條件下獲得什么組織并沒有掌握。而逆向思維的實驗設計是給定材料，并且給定所需要獲得組織，引導學生去確定合適的溫度，選擇合適的冷卻介質，以獲得給定的組織，并測試相應的性能。這讓學生非常清楚如何獲得所需要的組織，從而獲得所需要的性能，對提高學生制定熱處理工作非常有幫助。對學生而言，這種逆向思維設計實驗的方法較給定的實驗內容，讓學生自行設計實驗方案和技術路線的實驗方法的難度要低，對本校學生實驗操作具有可行性。

2.3 逆向思維實驗教學效果

將常規設計方法和逆向思維設計的方法應用于實驗教學實踐，并對參加常規方法設計實驗的班級（2011級光伏專業）與逆向思維方法設計的實驗的班級（2012級光伏專業）進行了問卷調查，主要調查內容及結果如表3和表4所示。

從項目3的調查數據結果可以看出，2011級掌握“含碳量對鋼硬度的影響”這一知識點的學生數所占比例為20%，而2012級為52.5%，逆向思維設計實驗的教學效果是常規設計方法的2.6倍，這大大加深了學生對理論知識的理解。從項目6的調查數據結果可以看出，2011級認為實驗動手能力和綜合知識應用能力收益較多學生數比例占60%，而2012級占72.5%，可見逆向思維的實驗教學方法對學生動手能力是有較大的提高，學生對理論知識的理解和應用也得到了很大的提高。因此，在工程材料實驗教學過程中采用逆向思維設計實驗在加深課程理論學習、提高學生實踐動手能力、提高學生積極性等方面都起到了較大作用。

表3 實驗教學調查內容

表4 實驗教學調查結果

3 結束語

實踐證明，在工程材料實驗教學中采用逆向思維設計實驗是一種有效的實驗設計方法，在提高學生的積極性和自主性的同時提高了教學質量。值得指出的是，逆向思維實驗設計的應用是對本校學生少數班級進行實踐，研究結果有可能失之片面。

[1]趙漢雨，王棟，李云東.《機械工程材料》實驗教學改革研究[J].科技創新導報，2010（3）.

[2]肖宏濱，王長生，王順興.《機械工程材料學》綜合實驗教學改革[J].實驗室科學，2006（3）.

[3]傅樂榮，李堯，余五新.應用型高校工程材料與熱處理課程實驗教學改革的探討和實踐[J].教育與職業，2011(9）.

[4]秦水輝.物理教學中逆向思維能力的“三結合”培養[J].吉林廣播電視大學學報，2013(2）.

[5]李平.創造性思維在化學實驗設計教學中的應用研究[J].化學教育，2010（11).

（責任編輯：陳 輝）

Application of Reverse Thinking in the Experiment Teaching of Mechanical Engineering Materials

GUO Fang-fang
(School of Mechanical,Jiangxi University of Technology,Nanchang 330098,China)

In experiment teaching of engineering materials,combining with the teaching status and characteristics of students,this paper proposes the concept of reverse thinking to design experiment in experiment teaching.The reverse thinking method of experimental design has mainly been used in some validation experiments and basic comprehensive experiments,and it is also applied to teaching practice.Practice survey results show that the method of reverse thinking used in design experiments can improve the students’experimental initiative,autonomy and practice ability,deepen the students’understanding and application of theoretical knowledge,significantly improve the quality of experimental teaching.

reverse think;experimental design;experiment teaching

A

123(2015)01-0019-03

2014-04-04

郭芳芳（1981-），女，江西吉安人，江西科技學院機械工程學院，講師，碩士。研究方向：材料成型及相關材料應用。