“論擬驗踐”四面體教學模式的探索與實踐

楊金水 尹昌平 邢素麗

摘要：本文結合材料科學與工程專業教學的實踐，探討了以理論教學、虛擬仿真教學、綜合實驗教學和實踐教學等四要素為基本單元的“論擬驗踐”四面體教學模式，對材料科學與工程專業教學和創新能力培養模式進行了思考和探索。

關鍵詞：材料科學與工程；教學模式；論擬驗踐

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）47-0127-03

“論擬驗踐”四面體教學模式：“論”即理論教學；“擬”即虛擬仿真教學，利用虛擬實驗室在有限的課堂授課時間和實驗條件下建立基礎理論與實踐的關系，加深學生對理論知識的理解；“驗”即綜合實驗教學，例如通過綜合實驗設計完成材料教學六個基本單元“觀察材料行為-材料行為模型化-結構單元分析-結構分析-結構設計-構件制造”的閉環教學實踐；“踐”即實踐教學，例如利用科研項目、研究競賽、企業合作等機會和案例，在綜合實驗基礎上，進行科研訓練和實踐教學。“論擬驗踐”的四面體關系如圖1所示。

“論擬驗踐”四個方面的教學，既是一個“四面體”的關系，又是層層遞進的關系。理論教學和實踐教學之間，有實驗教學作為過渡，實驗教學有虛擬和綜合相互補充，構成一個整體，從而有助于提高學生的綜合能力。筆者長期從事復合材料專業教學工作，對“論擬驗踐”四面體教學模式的探索和實踐，有些微體會。

一、理論教學

理論教學通常以課堂講授為主，重點和核心是知識體系和教學內容。構建知識框架，優化教學內容，體現材料科學的核心和科學邏輯，教學知識模塊應綜合考慮以下幾點：

1.材料科學與工程四要素的內在聯系。材料科學與工程的四要素[1]分別是組成、制備、結構、性能。組成包括原子、分子、配比、組份等；制備工藝有固相法、液相法和氣相法，也可分為化學法和物理法；結構分為微觀結構和宏觀結構，而宏觀結構取決于微觀結構，微觀結構包括原子的排列方式，理想的完整結構、不完整結構、原子和分子的運動、材料的變形和回復、再結晶等；性能包括本征性能和使用性能。四要素中制備工藝取決于組成成分，組成和制備決定組織結構，而性能取決于組成、制備和結構，基本關系可用四面體結構進行描述如圖2所示。

構建理論教學知識框架，精選和優化教學內容，遵循的基本原則即是材料科學與工程四要素的內在聯系。以材料科學基礎課程為例，以材料成分—組織結構—制備工藝—性能之間的關系作為主線，提煉出材料的共性規律（如相變規律），并輔以包括晶體結構、晶體缺陷、金屬凝固、二元和三元合金相圖、金屬材料中的塑性變性與斷裂、回復與再結晶、擴散、金屬固態相變等的相關內容[2]，適當地增加與課程內容相關的材料實例來進一步闡明材料的成分、組織結構、制備工藝和性能之間的內在聯系，增強學生的理解能力[3]。

2.“熱—力—界面—老化”科學問題。材料科學與工程的基本科學問題，總結起來無外乎“熱、力、界面、老化”等四個方面的科學問題。構建理論教學知識框架，精選和優化教學內容，以四要素為主線，重點闡明“熱-力-界面-老化”科學問題、科學規律和科學本質。培養學生綜合應用熱學知識、力學知識、界面物理化學知識和老化理論知識分析材料科學與工程的科學規律，揭示材料學規律，培養材料新技術創新意識和能力。

3.前沿理論和技術。材料學科理論教學的知識體系和教學內容，除了系統性、科學性和邏輯性之外，必須始終緊跟學科前沿，結合本學科特色，精選與本學科知識體系密切相關的學術成果，實時更新并補充到教學內容中。例如，本學科彭超義副教授近期在《Nature Materials》上發表的關于超疏水復合材料的相關理論和技術，補充到表面物理化學基礎課程內容里，既可以提高學生學習興趣，又可以拓展學生視野，培養學生創新思維能力和創新自信。

二、虛擬仿真教學

虛擬實驗室的概念是1989年由美國弗吉尼亞大學William Wolf提出的，是除理論與實驗之外的第3種設計手段和形式，是基于虛擬現實技術所生成的虛擬仿真環境實驗室，該環境雖然是虛擬環境，但具備逼真的視、聽和觸覺，就像熱門游戲界面，用戶能夠與虛擬實驗室中的虛擬空間、儀器設備、材料工裝等交互，從而在虛擬仿真環境中完成實驗設計、操作、驗證、運行、測試、表征和評估等實驗環節，達到實驗教學目的。虛擬仿真教學的突出特點是：（1）無時空限制，機動靈活；（2）教學成本低，節能高效；（3）非真實接觸，安全可靠；（4）體驗式教學，直觀自主；（5）“教—學—做”一體，教學效果好。缺點是某些環節缺乏真實感，操作過于機械，有待于虛擬仿真技術的進一步提高[4，5]。

我國于2013年正式啟動國家級虛擬仿真實驗教學中心的建設，許多高校根據自身科研和教學的需求，開發虛擬仿真實驗項目和建立虛擬實驗室，例如清華大學、上海交通大學和國防科技大學等通過建設虛擬仿真實驗教學中心，推進實驗教學信息化，提高實驗教學的教學效果。對于高危（放射性、易污染等）、高成本（長周期以及高消耗型）、極端條件（高溫、高壓）實驗，虛擬仿真教學可以達到接近現場實體實驗的效果，并可無限制、無污染、無浪費、安全高效地重復操作，節約教學資源，實現綠色實驗教學[6]。

材料科學是一門實驗性很強的學科，實驗教學是培養材料學科高素質人才的重要實踐性環節。有些實驗設備，由于成本和場地的限制，多數高校不具備，例如航空航天復合材料構件成型的熱壓罐設備及其工藝條件。采用虛擬實驗室卻可實現仿真實驗教學，不僅如此，還可以同時進行成型過程中的熱力耦合仿真模擬分析，了解熱壓罐成型過程中的熱力學行為變化規律。

虛擬仿真教學作為傳統實驗教學的補充，已成為實驗教學的重要組成部分，實現了理論教學到實驗教學之間的可視化過渡，將來勢必在工業仿真、軍事模擬、城市規劃、三維游戲、教育教學等領域得到更加廣泛的應用和發展。

三、綜合實驗教學

實驗教學是教學活動中的關鍵環節之一[7]，如果說理論教學是抽象思維、邏輯思維和科學思維的培養，那么實驗教學則是感性認知、實踐驗證和檢驗理論的重要途徑，這對培養學生的實踐創新能力和解決實際問題能力具有重要意義。材料科學與工程的綜合實驗教學可以分為三個層次：基礎認知實驗、專業基礎實驗和專業綜合設計實驗[8，9]。

基礎認知實驗目的是讓學生掌握基本工具、常見儀器儀表的使用及基本操作技能的訓練，使學生對工程實際建立一種初步的感性認識，對本專業的領域、范圍、社會分工等有初步的了解，學會自主學習和運用實驗方法，為今后學習打好基礎。典型的實驗如大學化學、有機無機化學、分析化學及物理化學實驗中的基本操作和金工實習中的工藝實驗。

專業基礎實驗目的是使學生通過獨立實驗操作和各種能力訓練，掌握材料制備、加工、表征及性能測試的基本實驗方法和現代分析技術原理。典型的實驗如化學合成（如精細化工）、材料制備與加工（如復合材料成型、金屬材料機械加工）、材料性能測試與表征（如力學性能測試）、材料結構表征與分析（如SEM分析）等實驗。

專業綜合設計實驗目的是培養學生設計和研究能力，做到學以致用。內容以設計性和研究性實驗為主，指導學生選擇合適的原材料、優化制備工藝和確定檢測分析方法，自選題目、設計實驗方案、選擇實驗儀器、完成實驗操作，獨立完成整個實驗設計，加強學生對原始數據分析處理、歸納總結的能力。典型的實驗如復合材料成型綜合設計實驗，讓學生分工協作，分別完成復合材料結構設計、原材料選擇與分析、模具設計與制備、成型工藝選擇與工藝方案設計、復合材料的制備、復合材料性能測試與分析等實驗步驟，從而實現一個閉環的綜合設計實驗。

實驗教學是理論與實踐、知識與能力相結合的重要教學活動，目的是培養出知行合一的人才。

四、實踐教學

實踐教學是培養學生解決實際工程問題、提高就業和職業資格的重要教學環節。國內外高校歷來重視實踐教學，產學研合作、科研訓練、科研競賽、創新比賽、企業實習、SRTP（Student Research Training Program）項目和創業平臺等實踐教學方式蓬勃發展。這些實踐教學方式可歸納為三大類：工程應用實踐、科研創新實踐和創業實踐[8，9]。

工程應用實踐是指依托各類產學研平臺、工程中心、實習基地等，培養解決工程實際問題的能力，提升工程技能和素養。例如通過工藝改造優化項目、科技發明與制作、自主研發項目、橫向課題開發、企業實習等形式進行工程應用實踐教學，與企業產學研合作，依托產學研平臺，聯合培養高素質技術應用型人才。

科研創新實踐是綜合實驗教學的進一步發展模式，針對某一領域某實際問題，自選題目并通過文獻調研了解國內外研究現狀，明確選題依據和意義，提煉創新點，設計研究技術路線和技術方案，搭建實驗平臺或利用現有平臺的儀器設備，優選原材料，自主開展研究和技術攻關，總結和撰寫技術報告或學術論文，發表交流，直至完成一項科研創新實踐。典型的方式如科研訓練、科研競賽（如挑戰杯）、畢業設計等，通過一個完整的科研實踐過程，培養學生發現問題、提出問題和解決問題的能力，掌握信息調研、科技查新、技術攻關、研究總結、學術交流等創新技能，進而提高學生創新能力[10]。

創業實踐教學，顧名思義，高校通過推出創業項目，鼓勵學生進行創業實踐，是近年來比較熱門的實踐教學方式。

五、結語

“論擬驗踐”四面體教學模式，將理論教學、虛擬仿真教學、實驗教學和實踐教學融合為一個整體，這對加強學生對理論知識的理解，提高學生的動手操作能力和利用理論知識解決實際問題的能力，培養創新意識、科學意識和探索精神，提高學生綜合素質和創新能力具有重要意義。為學生今后走向社會、服務社會，充分發揮自身價值奠定良好基礎。

參考文獻：

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