材料科學與工程專業新型實驗教學體系改革淺析

毛衛國+戴翠英+陳尚達+龔躍球+龍士國+趙瑤香+宋婧

[摘要]分析了當前國內材料科學工程專業實驗教學的現狀與存在的主要問題，依托湘潭大學“材料科學與工程”一級博士點學科平臺，推動材料科學與工程專業實驗教學內容、項目類型、教學方法和評價機制等方面進行嘗試性改革，主張以科研引領教學的實驗教學理念，著重培養學生的綜合素質和創新能力，探索出一條適合地方性綜合大學的實驗教學方法。

[關鍵詞]材料科學與工程；實驗教學；改革；創新

[中圖分類號]G642.0[文獻標識碼]A[文章編號]10054634（2016）05005404

0引言

材料學科是一門實踐性較強的傳統學科，實驗教學已成為材料與科學專業學生培養非常重要的部分[1]。在材料學科快速發展的過程中，材料專業實驗教學工作存在教學時數偏少、教學內容滯后、教學設備陳舊、學生考評機制單一等問題，進而直接影響專業培養目標的實現和創新人才的培養，限制了實驗教學作用的發揮[26]。在“十三五”期間，如何探索材料科學與工程專業實驗教學體系改革，如何有效更新實驗課程體系、實驗內容與實驗教學方法，已成為當前材料專家、學者積極面對的熱點問題。建立新穎的實驗教學指導方案，適應現代高等教育發展的客觀要求，有助于厚基礎、寬專業、強能力、高素質創新人才的培養[2，4，5，7]。本文依托湘潭大學多個省部級學科平臺，在材料科學與工程專業實驗教學內容、項目類型、教學方法和評價機制等方面進行嘗試性改革，有望提升地方性綜合大學的實驗教學質量。

1湘潭大學材料科學與工程實驗教學的改革與創新學校材料科學與工程學科依托材料科學與工程學院的師資力量，以及“一般力學與力學基礎”國家重點學科、“材料科學與工程”一級學科博士點、博士后流動站、“特種功能薄膜材料”國家地方聯合工程實驗室、“薄膜材料及器件”湖南省重點實驗室、“裝備用關鍵薄膜材料及應用”湖南省國防科技重點實驗室、 “低維材料及其應用技術”教育部重點實驗室、“材料設計及制備技術”湖南省重點實驗室等一批良好的學科平臺，逐步形成了裝備用關鍵材料及工程化應用、低維材料及其應用技術、薄膜材料與器件力學、材料設計與加工四個代表性的學科方向，形成了以材料、力學、物理、化學、電子等多學科交叉的材料學科體系。2008年，教育部批準立項成立了湘潭大學材料科學與工程實驗教學示范中心，為國家級材料類實驗教學示范中心建設單位。該中心面向材料科學與工程一級學科，立足特殊涂層薄膜材料、航天航空用無機非金屬材料工程、關鍵金屬材料工程、先進復合材料工程、材料物理、材料化學等材料類二級學科專業。目前，該學科已成為湘潭大學學科發展的重要力量，致力于培養基礎知識扎實，能在材料結構設計制備、性能表征、工程化應用等領域從事科學研究、教學、科技開發及相關管理等方面的復合型人才。然而，近幾年實驗教學情況分析顯示，原有的實驗教學體系難以跟上當前材料學科快速發展趨勢和社會需求，不利于材料專業學生的能力培養、繼續深造和社會就業。因此，逐步對材料科學與工程專業的實驗教學內容、教學方法、評價機制等進行了嘗試性探索和改革，預期得到一些可行的教學經驗。

1.1整合和提升實驗教學內容

從2010年開始，教研組通過調研該專業國內外發展趨勢和特點，整合現有的實驗教學項目，補充和完善新興實驗教學內容，從廣度、深度及實際解決問題的角度進行實驗教學改革，加強多學科之間的交叉[4]，突出改革的整體性、綜合性和實踐運用，完善整個實驗課程教學體系，整合原來分散的、與理論課對應的實驗課，分層次組織實驗教學[4，6]。按照4∶3∶3比例，實驗教學內容體系分為基礎類、綜合類和創新類3種類型。

1） 基礎類實驗主要是加深學生對課本基礎理論知識的理解，在實驗中檢驗相關定律、定理和基本概念，掌握基本實驗操作方法，具有一定的實驗操作技能，該層次主要通過設置的“材料科學與工程基礎實驗”課程實現。該實驗類型包括材料基本理論驗證實驗、材料微觀結構實驗、材料性能實驗（光學、熱學、電學、磁學等）、材料研究方法實驗、材料力學性能實驗（強度、斷裂韌性、殘余應力、彈性模量等），結合現代分析測試儀器，建立從化學成分分析到材料微觀結構分析的實驗平臺。在專業培養方案中，增加了實驗教學時數的比例，略微降低課堂教學時數，加強學生的實驗手段、方法和儀器操作技能的培養。從實驗教學出發，讓學生掌握扎實的基礎知識，提高學生的動手能力和獨立思考的能力[8]。

2） 綜合類實驗是指根據材料學科發展趨勢，以及本教研組學科方向的發展規劃，實現不同專業、不同學科間的交叉滲透和輻射作用，形成跨學科、跨專業的交叉學科實驗項目。從教研組成員的科研課題中提煉出新的實驗設備方案，應用新的實驗測試技術，搭建新的實驗平臺，研發出新功能的實驗儀器設備，完善綜合類實驗項目，加強學生工程意識的培養，致力于加強學生動手能力、解決問題的能力，強化學生的工程意識。代表性的新型綜合類實驗有：靜電紡絲法制備納米材料、智能材料力電磁熱耦合性能研究、數字圖像散斑法在材料力學性能測試中的應用、基于維氏壓痕法脆性涂層材料斷裂韌性和殘余應力壓痕法實驗分析等、復雜環境下材料宏微觀變形測試分析、高溫環境下材料壓痕測試分析等。

3） 創新類實驗主要依托教研組的科研項目和各種實驗競賽（例如大學生創新項目、全國“挑戰杯”競賽等），培養學生學以致用的能力。目前，教研組主要根據教研組教師所獲資助的材料，力學、化學、機械等交叉學科方面的科研課題，把創新性較好的實驗測試課題分解成難度適中、數量適當的創新型實驗題目，并發布給學生。根據發布的信息，學生自由組隊或教師協助指定分組，雙方確定感興趣的實驗研究主題框架和內容。然后根據實驗測試所涉及的研究背景，主動查閱相關文獻，結合專業知識，設計合理的實驗方案。在實驗指導教師的幫助下，組裝現有的儀器設備，完成相關實驗測試，并進一步分析實驗測試結果，得出這個方面的研究結論，甚至達到能夠發表學術論文的水平。這種創新類的實驗訓練鼓勵學生和指導教師共同協商選題，大力培養學生的創新素質、實踐能力和思考能力。

1.2多種實驗教學方法和評價機制互補

1） 編寫實驗講義。根據實驗教學項目的設計及發展規劃，刪除或更新原來過舊的實驗講義，補充新實驗項目匹配的實驗講義，實現教材指導資料多樣性。實驗講義不僅體現了課程理論課程的教學內容和關鍵點，而且融合了多學科、新型實驗技術和方法、新型實驗測試設備，緊跟材料發展前沿以及國家中長期發展規劃，提煉出新的實驗教學內容。例如，教研組周益春教授編寫了《材料的宏微觀力學性能實驗指導》，已成為國家精品課程、國家“十一五”規劃教材《材料的宏微觀力學性能》的配套實驗指導教材。該實驗指導書共分3部分：基礎性實驗部分、綜合性實驗部分和創新性實驗部分；全書共45個實驗，涉及硬度、斷裂韌性和殘余應力的常規力學性能測試，完善了金屬材料的疲勞、蠕變、腐蝕實驗測試，智能薄膜材料、功能陶瓷材料、高分子材料和復合材料界面力學性能測試分析等。

2） 多樣化的教學方法。對于基礎類和綜合類實驗教學，一般是指導教師或助教先講解實驗測試原理，然后親自操作一遍整個實驗過程，并同時講解實驗過程中應該注意的事項，對關鍵環節、關鍵知識點，及時提問學生，學生現場作答，加深對課程知識的運用和掌握。在學生分組動手做實驗環節，及時糾正學生在試驗過程中出現的不規范操作和錯誤操作，全程監護學生實驗過程，防止發生人身意外和損壞實驗設備等。對于創新類實驗教學，由于對所涉及的知識點要求提高，結合具體的實驗項目類型，一般先讓學生查閱相關文獻資料，以便了解所研究測試的主題背景、測試內容及數據分析。然后類似于上述的實驗教學方式，在指導教師的幫助下，一起完成具體的科研測試，確保實驗結果可性度。

3） 多種實驗教學考核方式互補。學生的實驗成績和評價標準與實驗項目的類型緊密相關，不同于原來只看實驗報告的那種單一評價模式。對于基礎類實驗成績評價，主要參考學生的實驗操作能力、實驗結果分析程度、實驗報告規范程度。對于綜合類和創新類實驗成績的評價，主要考察學生對所研究的主題理解程度，對文獻的調研能力、消化能力、問題提煉能力，在實驗中的創新程度。同時，參考實驗數據分析水平。對于表現突出，參與發表了學術論文的學生，成績從優。另外，學生通過創新類實驗項目積累的相關科研工作經驗，或者參與發表的相關學術成果，在學生找工作或參加研究生復試過程中發揮了重要的作用。

2實驗教學改革的進展情況

從2010年開始，教研組利用具有國際國內先進水平的儀器設備，為本科生開設實驗項目，拓寬學生視野，提高學生創新研究能力。積極探索“十三五”期間材料科學與工程專業的實驗教學改革，完善多種方式互補的考評機制，激發了學生的專業興趣，提高了學生的專業水平，豐富了實驗教學經驗。

教研組把相關科研成果逐步應用到實驗教學改革中，取得了較好的效果。例如，“多功能一體化數字圖像小負荷維氏壓痕儀”是2011年由毛衛國教授自主設計和研制的，擁有自主知識產權的高科技通用教學科研設備（專利號：201410260206.8，201110221197.8，ZL 201120280201.3和2012R11S048409）；該儀器順利通過了上海市計量測試技術研究院、華東國家計量測試中心的第三官方檢定，完成了湖南省科學技術成果登記，從細觀到宏觀尺度上實現了快速準確測試脆性材料體系顯微硬度、斷裂韌性和殘余應力3個關鍵指標，為脆性涂層材料產品的相關工藝優化、質量檢測及可靠性評價提供了一種功能集成的實驗設備。2012年兩套設備開始服務于學校材料物理、材料科學與工程、新能源材料與器件3個本科專業，在“材料顯微硬度試驗”“脆性塊體陶瓷材料斷裂韌性測試”和“脆性涂層材料體系斷裂韌性和殘余應力測試”3個專業實驗中發揮了重要作用。教研組編寫了配套的實驗講義，豐富了實驗類型，先后承擔了2項國家級大學生創新創業訓練計劃項目的測試任務（1項被評為優秀）。

對于創新類實驗項目，大部分學生能夠在一定時間內協調完成實驗測試任務。部分優秀的選題項目成功獲得了大學生研究性學習和創新性實驗計劃立項資助項目。例如，張瑜負責完成了“基于數字圖像相關技術的熱障涂層體系界面失效實驗表征方法研究”，并獲得2013年度大學生研究性學習和創新性實驗計劃項目省級優秀結題項目。張瑜參與毛衛國教授指導的創新類實驗項目，表現突出，共發表5篇學術性論文（3篇SCI和1篇EI）[913]。2013年謝慧婷承擔了“電纜電線絕緣層老化程度測試研究”、2011級李可可承擔了“1100 ℃環境下熱障涂層體系界面失效實時測試研究”、張沛然負責完成了“石墨烷的隧穿磁阻效應與自旋閥設計”。其中李可可出色完成了所選擇的創新實驗，并參與發表了1篇SCI學術性文章[9]，作為湖南省僅有的2名代表之一，應邀參加了2015年9月由教育部主辦的以“青春、夢想、創新、創業”為主題的第八屆全國大學生創新創業年會，并就項目成果作口頭報告。這充分說明從指導教師科研項目中提煉出難度適中的微型研究課題作為大學生的綜合創新類實驗，既培養了大學生的創新能力，又讓學生了解學科前沿動態，有利于學生就業或者直接攻讀研究生。

3結束語

在新形勢下，為滿足社會經濟發展對材料學科專業人才的需求，全面提高畢業生的質量，依托湘潭大學“材料科學與工程”一級學科博士點和博士后流動站、材料科學與工程國家級實驗教學示范中心、低維材料及應用技術教育部重點實驗室和“薄膜材料及器件”湖南省重點實驗室等學科平臺，以科研項目研究成果及研制的實驗儀器設備，豐富實驗教學內容，提升實驗教學水平和質量，讓學生更加貼近社會實際需求，緊跟材料專業發展前沿，讓學生得到真實有效的鍛煉，有效地提高了教學質量和教學水平，正逐步探索出一條實驗教學改革新途徑。

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AbstractThe main problems of the current situation in experimental teaching of materials and science and engineering in China were analyzed in this paper.We have attempted to reform the experiment teaching content，project type，teaching method and evaluation mechanism of this major on the basis of original academic platforms at Xiangtan University.An opinion that scientific researches lead the development of experimental teaching was proposed，which was useful for improving the abilities of graduate students.A possible teaching method was summarized in this paper.

Key wordsmaterials science and engineering；experimental teaching；reformation；innovation