對材料科學基礎實驗教學的一些思考

李一鳴+++段寶玉+++李曉偉+++霍文霞+++張利文+++陳義勝

【摘要】結合創新人才的培養目標，針對材料科學基礎實驗教學過程中存在的一些問題，就實驗教學的內容和形式提出了改進的設想，著重于學生素質和實際動手能力的培養。

【關鍵詞】材料科學基礎實驗 教學改革 能力培養

【基金項目】內蒙古科技廳“內蒙古科技大學大型科學儀器開放共享試點建設”資助。

【中圖分類號】G420 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）10-0243-02

材料科學基礎實驗是材料相關專業最重要的必修實驗課程。該課程的核心內容是材料顯微組織分析能力的培養。作為《材料科學基礎》理論課程外的延伸和補充，實驗課同理論課相互印證并加深，同時培養學生的實驗技能，從而提高材料專業學生分析、解決問題的能力。

從1836年Sorby首次用顯微鏡觀察到魏氏組織開始[1]，顯微組織分析已經演變為一門專業課程在大學中廣泛推廣。該課程歷經幾十年的改革，內容經過增刪和更新，授課方式也由傳統講授轉變為數字化和演示操作結合的方式[2]。然而隨著我國經濟和科技實力的逐步提高，對創新性人才的素質要求也大幅提升，而這也對實驗教學提出了更高的要求[3]。內蒙古科技大學材料專業的實驗教學工作可以追溯到建校初期的金相專業，至今已逾50年。本文根據作者的教學體會和學生反饋情況，對材料科學基礎實驗教學過程中的一些問題和教學改進設想進行了探討。

1.實驗教學中存在的問題

1.1 內容陳舊、設計不合理

材料科學基礎雖然以金屬學為其主要內容，但除了金屬材料同樣包括陶瓷、高分子以及亞穩（納米材料、準晶、非晶等）等多種材料[4]。其內容也更加深入細致，晶體缺陷、擴散等內容都已經單獨作為一個章節進行講授。然而目前材料科學基礎實驗的研究對象仍以金屬材料特別是鋼鐵為主，其主要內容也以金屬熱處理后典型組織的觀察為主，實驗的深度和內容的廣度都亟待進一步提升。

另外，實驗課時緊而任務重，如何在有限的時間里高效的傳承知識決定了實驗課程的質量，而實驗內容的設計就顯得尤為重要。以“金相樣品制備”為例，學生初次制備效果普遍較差。除了手法、力度使用不當以外，對每道次更換砂紙的表面粗糙度的控制確實需要一定操作經驗，而這也是學生普遍反映較為困惑的地方。實驗技能的培養不能一蹴而就，真正練好基本功需要大量的摸索練習。而該實驗中安排接近2個小時來讓學生自行進行磨樣和拋光的練習，由于同學缺乏經驗，因此既無法使學生一下就熟練掌握這些技巧，又大量占用了實驗時間。如果將該課程分為兩段，首先講解制備的基本過程和原理，教師進行親身示范并實地展示制備過程中易出現的問題；而將學生的動手練習放到時間更加充裕的課余時間；然后將練習后的問題反饋，再進行實地糾正。這樣學生帶著疑問上課，講授過程有針對性，使得效率更高。

1.2 實驗課程同理論基礎結合不夠緊密

實驗技術不僅僅是一種“手上活”，而是一項在專業知識、儀器設備工作原理、數據分析知識等一系列問題了然于心的基礎進行的工作。既具有較強的實踐性，又具有相當的理論性。實驗課的學習是一個對理論課程的驗證、加深和拓展的過程。通過實驗現象的觀察和分析，可以將抽象的理論知識轉變為清晰、形象的實驗結果，從而進一步鞏固理論基礎知識。反過來，理論基礎對于實驗現象的分析又起到指導作用。因此理論和實驗應該是相互促進的關系。

然而通過教學過程的反饋發現，學生在實驗過程中很多是知其然但不知其所以然。究其原因，除了理論基礎不夠扎實以外，如何將理論知識和實驗結果聯系在一起也是一個重要原因。以“碳鋼熱處理組織分析實驗”為例，最讓學生感到困惑的是一些復雜多相組織的識別。即使是很有經驗的金相工作者也需要在了解材料的成分和加工處理工藝的基礎上，然后根據金相組織特征進行辨識和分析。實際上在金相下簡單的黑與白都有其理論背景在里面，例如馬氏體和回火馬氏體在金相組織下的襯度差別歸因于兩者亞結構的不同，不同組織的細微結構決定了其在侵蝕劑和顯微鏡下的不同形貌。然而實驗課程更加側重儀器原理和技術，但各種基礎理論同金相照片上不同襯度之間的聯系仍是實驗課程講解的重要內容，而這也是目前實驗課程較為欠缺的部分。

1.3 缺乏引導性和吸引力

實驗教學并不是簡單的傳承實驗理論和技術，其最終的目的是對動手分析解決問題能力的培養。因此實驗教學應對學生進行引導，讓學生利用所學理論知識完成對實驗結果分析的訓練。然而現行實驗課程的設置普遍缺乏引導性，基本以驗證型實驗為主。以“二元三元合金典型組織的觀察和分析”實驗為例，實驗主要內容為學生進行組織觀察后手工繪制組織形貌示意圖。該實驗的基本出發點應該是訓練通過相圖對典型的勻晶、共晶、亞共晶、過共晶、包晶等組織進行識別和分析。應該首先結合相圖進行組織預測，然后分析顯微組織進行驗證，在此基礎上也可以通過顯微組織反推相圖基本情況。如果僅以觀察、繪制的形式進行實驗課程的學習，失去了相圖和顯微組織之間的互動，實驗課的功能大打折扣。

實驗課缺乏引導性同樣會導致吸引力降低，使得學生缺少學習興趣。實驗課程缺少探索的樂趣，無法達到依靠自己的探究完成分析解決問題的成就感，學生以簡單的完成實驗報告作為實驗課的目的，大大降低了實驗教學的效果。

1.4考核方式簡單

現行實驗教學考核的方式是完成實驗報告的課后題，其中相當部分是組織形貌示意圖的繪制。完全用組織形貌示意圖繪制的好壞來評定學生對實驗現象的認知并不可靠，更無法反映實驗能力的高低。另外，部分實驗報告課后題同理論課習題重復，而非實驗教學的范疇，課后題沒有新意，不能引起同學對實驗現象的思考。

2.實驗教學改進的設想

針對上述實驗教學中存在的問題，對如何進一步優化實驗教學提出了以下思路。

2.1 優化實驗課內容和形式

材料科學是一門日新月異的科學，然而實驗教學內容幾年甚至十幾年不變，顯然無法跟上發展的腳步。因此進一步拓展和更新實驗教學知識量勢在必行。例如最新的行業標準和問題都可以傳遞給學生。

另外，實驗教學形式要力求高效而有趣。充分利用多媒體數字技術，可以播放一些經典的科學視頻等資料，進一步增加感性認識。金相顯微鏡多媒體互動系統的引入也十分必要。該系統被認為是當前金屬材料實驗教學的最高水平[5]，結束了原來教學過程一盤散沙、低效的情況。

2.2 組織實驗興趣小組

興趣小組作為建設研究型教學的重要途徑在一些高校已經進行了有益的探索[6]。在這種模式下鼓勵和引導學生進行科學研究的探索，調動學生學習的積極性，進一步鞏固和加深了理論知識，同時鍛煉學生的動手實驗能力。

我校的材料實驗教學雖然歷史悠久，但一直未開展興趣小組的嘗試。借鑒同類高校的成功經驗，完全可以根據我校目前的實驗條件，就一些經典的金屬學問題設計實驗進行探索。例如對于原奧氏體晶粒度的測定，可以結合熱臺原位觀察，冷卻后用染色法和侵蝕法進行嘗試，探索適合不同的鋼種的工藝。這樣既拓展了學生知識面又訓練了實驗技能。

2.3 引入實際案例，開發探索型教學模式

現行實驗教學的內容基本為“紙上談兵”，導致學生對實驗課的功能沒有認識，失去興趣，同時教學內容和現實情況脫節，不利于學生創新能力的培養。將一些現場的實際案例帶入課堂，例如一些失效破壞的材料，鼓勵學生自己思考問題出在什么地方，進行金相分析，結合理論知識和相關標準完成質量問題的鑒定。這樣的案例既鍛煉了實際分析解決問題的能力，又引發了學生對該課程的興趣。

3.結語

實驗教學作為材料科學教學的重要組成部分，在知識傳承和能力培養上發揮著不可替代的作用。不論是研究型還是工程技術型人才的培養都離不開實驗能力的培養。實驗教學的重點在于理論聯系實際，著重動手分析問題和解決問題的能力。如何緊跟學科發展方向，高效引導學生掌握實驗理論和技能仍然是擺在教育工作者面前的重要課題。

參考文獻：

[1]郭可信.金相學史話（1）：金相學的興起[J].材料科學與工程，2000，18：2-9.

[2]周鳳云，羅學心，李國安.金相分析實驗教學改革[J].實驗技術與管理，1999，16（2）：81-83.

[3]趙先銳，馮尚申.本科院校金相及熱處理專業方向教學改革[J].中國冶金教育，2013，16：12-15.

[4]余永寧.材料科學基礎[M].北京：高等教育出版社，2006.

[5]熊小濤，孫建林，薛潤東，等.材料學科實驗教學改革的探索與實踐[J].實驗技術與管理，2011，28（6）：265-267.

[6]萬迪，賀哲豐，王鵬飛，等.運動EBSD技術開展晶體學研究型實驗的探索[J].實驗室研究與探索，2012，31（8）：113-116.

作者簡介：

李一鳴，男，講師，內蒙古科技大學分析測試中心。