針對應用型本科人才培養“材料科學基礎”課程實驗教學改革的探索與思考

方一航 吳建波 王宇 霍顏秋 張平 王天樂

摘要：針對“材料科學基礎”課程實驗教學中存在的問題，對原有實驗教學內容、教學方式、設備進行了革新。除保留并改進少量經典的驗證性小實驗外，增設了綜合性實驗，嘗試了“三動式”、“三結合”和“二平臺”三位一體的教學模式，進行了設備的資源優化。實踐證明，通過教學改革，大大提高學生的動手能力以及分析和解決問題的能力，為其后續學習打下堅實的基礎。

關鍵詞：材料科學基礎;實驗教學改革;應用型人才

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）43-0132-03

隨著地方應用型本科院校的轉型發展，如何強化培養學生與地方社會經濟相對應的創新能力、應用能力和實際操作能力，是目前地方應用型高校人才培養亟須解決的問題[1，2]。實驗教學作為高校教學工作的重要組成部分，對培養學生理論聯系實際的能力、科學思維方法、實踐動手能力以及嚴謹的工作作風等，均具有十分重要的意義[3，4]。重視實驗教學，加強學生動手能力的訓練和創新意識的培養，已成為地方性本科院校人才培養的共識。

“材料科學基礎”是臺州學院材料類專業大一下半學期開設的一門重要專業基礎課。該課程從各種材料的共性基礎出發，闡明了材料的成分、結構、工藝、性能之間的關系，對材料的生產、使用和發展具有重要指導意義[5]。該課程具有術語概念多、推導多、設計知識面廣且抽象等特點，學生在學習中易出現概念混淆、難以理解和學習興趣提高困難等問題。為解決這一難題，大部分高校開設了與材料科學基礎課程教學配套的實驗課程。該課程的主要目的是培養學生的基本實驗、實踐能力，能應用所學基本知識分析實驗現象，解決實驗中出現的問題，不僅能驗證理論教學的內容，還能提高學生的實驗基礎技能。為進一步凸顯地方性本科院?！皯谩钡奶卣?，臺州學院醫藥化工與材料工程學院材料工程系啟動材料類人才培養方案，將材料科學基礎課程實驗的學時數從原先的15學時提高至32學時，課程分兩個學期進行。學時的提高對實驗教學提出更高的要求，如新增的實驗學時如何設置實驗內容，是否更換原先的實驗內容，實驗教學和設備是否進一步革新。因此，如何解決這些問題，成為材料科學基礎課程實驗能否進一步改善的一大挑戰[6，7]。

一、原有實驗內容及實驗教學現狀

原材料工程系人才培養計劃中設置的材料科學基礎課程實驗只有2個，除了金相顯微試樣的制備與觀察、Fe-C合金相圖及平衡組織觀察等與金屬材料相關的基礎實驗外，材料科學基礎課程中相關的其他理論實驗幾乎沒有。隨著現代材料技術的突飛猛進，無機非金屬材料、納米材料、功能材料等新材料進入井噴式發展[8，9]，以上實驗已無法滿足其最基本的課程實驗要求，應著重加大材料類別及相關的理論基礎實驗。

（一）實驗內容單一且相似度高

原實驗項目大多為驗證性實驗，僅針對金屬材料進行必要的金相制備、組織分析，常常出現理論知識點相近的基礎實驗項目，但材料科學基礎課程中出現的相關章節理論知識難點均未涉及，比如晶體結構、晶體缺陷、相平衡及相圖、擴散定理等。以上知識點是材料科學基礎的核心，缺乏知識點的融會貫通，不利于對材料核心知識點的掌握。

（二）實驗教學模式缺乏創新

實驗教學模式大多采用陳舊的教科書式教學：首先，對理論知識點進行詳細講解，從實驗目的、原理、操作、注意事項等進行闡述;然后，在實驗教師的指導下，學習實驗步驟及注意事項;最后，按照實驗指導書及上課內容按部就班地進行基礎實驗。通過一堂課的實驗學習，學生只知道其然，而不知道其所以然，不能充分掌握所學的理論知識點。

（三）實驗設備陳舊且臺套數不足

由于對材料科學基礎實驗室的重視度不足，原先實驗室配置的金相顯微鏡、磨拋機等設備基本都是2003—2006年購買的老舊設備，經常出現照明燈失明、目鏡及物鏡磨損嚴重導致觀察視野模糊、目鏡轉換系統失靈等問題。因此，學生上課時間延長，非教學問題眾多，嚴重影響教學質量。

二、實驗教學改革的探索與思考

針對上述實驗問題，結合我校其他學院實驗教學中心的經驗以及調研其他兄弟院校，材料工程實驗室對原有材料科學基礎實驗進行了改革，以期滿足地方性應用型本科人才培養要求，充分發揮實驗教學在專業教學中的作用。

（一）實驗項目的革新

在原材料科學基礎實驗項目的基礎上，增加典型金屬晶體結構堆垛模型分析、單晶硅片位錯蝕坑的觀察、金屬表面滲鍍層的顯微組織觀察、氯化銨飽和溶液的結晶、Pb-Sn二元相圖的測定、金屬塑性變形及再結晶、金屬材料的熔煉與鑄錠、材料密度和吸水率及氣孔率的測定等實驗項目。這不僅保留了能加深學生對經典基礎理論知識理解的驗證性實驗，還增加了側重培養學生綜合實踐能力的綜合性實驗。如單晶硅片位錯蝕坑的觀察實驗，學生通過動手操作切割、清洗、腐蝕、觀察單拋硅片等實驗步驟，理解了晶體線缺陷的理論知識點，學會了如何通過實驗了解更多材料理論知識點的方法。課堂結束后，學生都意猶未盡，基本消除剛開始接觸晶體缺陷理論知識的迷茫。

（二）實驗課堂教學攻略

傳統的預習、理論講解、實驗操作等教學環節，學生做完實驗后常常不知道做此實驗的目的、意義。為進行課堂教學改革，我們嘗試了“三動式”、“三結合”和“二平臺”三位一體的教學模式，極大提高教學質量，深受學生歡迎[10，11]。“三動式”是指“互動、聯動和滾動”，其實質就是注重調動學生主動參與的積極性，突出表現教學觀的與時俱進?！盎印笔侵笇W生與教師相互交流，相互碰撞，相互啟發，達成共識;“聯動”是指促進課堂教學與社會實踐的有機結合和良性結合;“滾動”是指挖掘和盤活學生中蘊藏的自我教育資源，增強教育影響力?！叭Y合”是指系統學習和專題講授相結合、課堂理論教學與現代化教學手段相結合、課堂學習與課外學習相結合?！岸脚_”是指通過網絡教學資源信息發布，形成一個開放式的輔助教學平臺，延伸課堂教學內容，搭建師生互動平臺。通過以上教學方式的改革，實驗課堂充滿生機，學生滿載而歸。

（三）舊設備的再利用和新設備的更新

為提高設備的利用率以及助力實驗項目順利開展，實驗室進行了設備資源的優化。如金相顯微鏡過于陳舊，基本購置于2003年，但是丟棄屬于國家資產的流失，因此我們開發了氯化銨飽和溶液的結晶實驗。本實驗目的主要是觀察材料的結晶過程及其晶體組織特征，由于原先金屬材料的結晶過程實驗溫度過高，不利于結晶實驗的觀察，因此采用硫酸鋅飽和溶液的常溫結晶觀察。為能有效提高觀察質量，在原先金相顯微鏡的基礎上，增加了簡易電子顯微攝像系統。除此之外，實驗室根據最新的網絡化教學需求，新增了金相多媒體實驗室，配備了金相多媒體系統和模擬軟件系統[12，13]。此實驗室既解決了因實驗場地不足導致的實驗效率問題，也將教師的傳統教學與網絡教學有機結合起來，提高了教學效果。另外，通過開設部分教學動畫、錄像等演示實驗替代部分驗證性實驗，將有限經費盡可能投入綜合性、設計性實驗教學，有效提高資金使用效率和實際教學效果。

三、教學實驗改革的預期效果

我院材料科學基礎課程實驗開設在第二學期，是材料類本科生接觸的第一門專業基礎課程實驗。它原先是主要圍繞金屬材料的實驗項目，課程理論知識點較多，學生往往出現踏出實驗室即遺忘的現象。經過實驗教學改革，學生的創新能力、動手能力得到極大提升，實驗教學改革成效初顯。

（一）調動學生學習專業知識的積極性

材料科學基礎實驗課程中的實驗項目大多根據核心理論知識難點開設，匹配度高。學生通過實驗的講解、互動、操作，把握住關鍵知識。課程實驗完成后，學生還會積極主動去圖書館或網上查閱資料，自行安排時間再度完成實驗操作，實現從要做實驗到自己想做實驗的態度轉變。

（二）實驗內容合理，驗證性和綜合性實驗相輔相成

在保留原先經典驗證性實驗的基礎上，增加具有一定創新性和動手能力強的綜合性實驗的比例。開設綜合性實驗后，整個實驗都是在實驗室教師的指導下由學生獨立完成，對培養學生主動學習、靈活運用所學理論知識、激發學生的學習熱情、提高學生解決分析問題的能力，都具有一定的效果。

（三）參加專業技能競賽成績喜人

學生通過材料科學基礎實驗的培養與鍛煉，為后續材料專業實驗學習打下良好的基礎，進一步增強專業技能和自信心，敢于和清華大學、北京科技大學等“985”院校的學生比拼。例如，從第三屆開始，學生分別赴北方民族大學、昆明理工大學、清華大學、南昌大學，參加了四屆“蔡司杯”全國大學生金相技能大賽，累計獲得團體一等獎2項，個人一等獎獎項3項，個人二等獎6項目，個人三等獎3項，優秀指導教師獎10項，獲獎人數和獲獎等級名列浙江省高校第一。這些賽事擴大了臺州學院在全國高校中的影響力，也充分展現了我校注重強化學生應用能力培養的成果。

四、結論

“材料科學基礎實驗”是“材料科學基礎”課程建設的有機組成部分，兩者相輔相成，實驗教學更是直接影響到學生專業實踐動手能力和創新能力的培養。經過各實驗的學習和鍛煉，學生掌握了基本實驗技能。教學改革的一個任務就是讓學生從“要我學”轉化為“我要學”，著重培養學生獨立思考、分析問題和解決問題的能力。因此，實驗教學改革是一項勢在必行的艱巨任務。如何開展材料科學基礎實驗的教學改革，仍然值得進一步深思和探討。

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