基于課程思政的材料類專業實驗課程教學探討
——以差熱分析實驗為例

王洪紅，許聚良，李 君，倪月娥，范麗霞

（武漢科技大學材料與冶金學院，湖北 武漢 430081）

0 引言

課程思政指以構建全員、全程、全課程育人格局的形式，將各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協同效應，把“立德樹人”作為教育的根本任務的一項綜合教育理念[1]。課程思政主要形式，是將思想政治教育的理論知識、價值理念以及精神追求等思政教育元素融入各門課程中去，潛移默化地對學生的思想意識、行為舉止產生影響。由于各種原因，現實的課程教學過程中知識傳授、價值塑造和能力培養存在一定程度的割裂，通過課程思政改變教育結構，實現三者重新統一。要求教師在教學中積極探索實質性介入學生日常生活的方式，有意識地回應學生在學習、生活、社會交往和實踐中遇到的問題和困惑，真正觸及學生認知和實踐的隱性根源，從而對其產生積極影響。

材料類專業主要包括無機非金屬材料工程、金屬材料工程、高分子材料與工程、冶金工程、材料化學等專業，材料學是研究材料組成、結構、工藝、性質和使用性能之間相互關系的學科，為材料設計、制造、工藝優化和合理使用提供科學依據[2]。除了基礎課、專業基礎課，材料類專業課程包括材料科學基礎、材料工程基礎、材料分析測方法、材料工藝學、材料物理性能等。材料類專業實驗課程，包括專業基礎課程及主要專業課程的相關實驗，以課程實驗為主體，突出體現相關體系材料的合成/制備、測試/表征、性能等及其相互之間的內在關聯，涉及實驗原理、儀器構造與原理、實驗設計與操作、數據處理等內容[3]。通過實驗課程教學活動的開展，促進專業理論聯系實際的同時，培養學生的實踐動手能力與創新能力。

差熱分析技術是開展建材、冶金、石化、地質等材料科學與工程相關領域研究過程中通用的分析測試手段，與相應體系材料的化學組成、結構及測試條件密切相關[4]。但是，由于實驗課程本身相對抽象的特點，從實際教學過程以及學生的反饋情況來看，都存在一定的難點和不足。這就要求指導教師在實驗教學設計和教學開展過程中，處理好相關的問題，并將教學知識點與課程思政教育進行有機融合，充分發揮課程思政在實驗教學中的同向同行作用，為實現教育立德樹人的根本任務奠定基礎。

1 實驗教學過程存在的問題

差熱分析實驗屬于我校《材料科學基礎實驗》課程中的熱分析實驗模塊，其前導課程為《材料科學基礎》。該模塊的教學目標為，在學習差熱分析基本原理的基礎上，掌握熱分析技術的主要實驗方法，學會結合影響實驗數據的因素分析評價測試結果。模塊課程教學內容主要包括熱重法、差熱法與差示掃描量熱法、熱分析聯用技術原理、應用舉例等。由于涉及材料體系、實驗測試內容、操作條件等方面的影響，主要采用“教師講，學生做”的傳統模式，以驗證性和演示性教學為主，設計性、探究性實驗較少。并且整個實驗過程忽視了學生的主體作用，無法通過實驗鍛煉和培養學生發現問題、分析問題、解決問題的能力，不利于培養學生的創新思維和創新精神。此外，在差熱分析實驗教學過程發現還存在以下難點與不足：

（1）實驗原理相對抽象。差熱分析是把被測試樣和參比物放置于同樣的熱處理條件下，進行加熱或冷卻。其中，參比物在加熱過程始終不發生熱效應，其溫度隨程序溫度增加而升高；被測試樣在某一特定溫度下發生物理或化學反應而產生熱效應，其溫度在某一區間內發生變化。將二者溫度差以特定方式記錄即得差熱曲線。由于實驗過程中被測試樣的結構變化無法直觀判斷，僅能通過測得的數據曲線進行分析，因而實驗過程原理理解起來相對抽象枯燥。

（2）實驗操作過程影響因素復雜。差熱分析實驗操作過程中，測定物質在發生熱反應時的特征溫度及相應過程中吸收或放出的熱量，包括物質相變、分解、化合、凝固、脫水、蒸發等物理變化或化學反應。實驗設定條件、操作方式、被測試樣化學組成與呈現狀態等因素，對實驗過程、實驗數據的獲取及其分析都具有顯著影響，也增加了對實驗結果評判的復雜程度。

（3）后續課程及前后銜接的問題。實驗教學設計過程中，需要依據學生所處的專業知識學習階段進行設計，即結合學生的知識接收與理解能力。此外，既要考慮實驗設計對課程知識點的覆蓋，還需要兼顧材料類專業知識相關性及與后續課程之間的銜接。這在一定程度上增加了指導教師在教學過程中的難度。

（4）學生學習積極性引導問題。專業實驗課程教學的開展，對于培養學生掌握專業科研方法和思維能力發揮具有重要作用。然而，實驗課程教學過程中，很難通過圖片、動畫等形式將試樣結構及形態變化直觀、形象地展示給學生，部分實驗環節存在周期長、溫度高等問題，且受社會環境、行業現狀及專業發展、學生所處專業學習階段等因素的影響，實驗教學的設計與開展，需要綜合考慮各項因素，以充分調動學生的專業學習積極性。

2 差熱分析實驗教學探討

2.1 熱分析技術發展歷程

熱分析技術已經應用了一個多世紀，熱分析儀器也經過了很多年的發展，得到了眾多科研工作者和企業參與的技術開發與持續改進，目前熱分析儀器已經在生產、生活與科學研究各方面得到了普遍應用。

1887年，法國人Le Chatelier使用熱電偶測量溫度的方法，對試樣升溫或降溫來研究黏土類礦物的熱性能，根據獲得的升/降溫曲線鑒定樣品特征。他使用了高純度物質來標定溫度，為了提高儀器的靈敏度，測量試樣溫度與參比物溫度之差的差示法獲得數據，并首次就獲得的差熱曲線發表了相關論文。為此，人們認為他是差熱分析技術的創始人。

1899年，英國人Roberts-Austen改進了Le Chatelier差溫測量時的差示法，把被測試樣與參比物放在同一個加熱爐中升溫或降溫，并采用兩對熱電偶反向串聯，分別將熱電偶插入被測試樣和參比物中測量，提高了儀器的靈敏度和重復性。1915年，日本的本多光太郎，在分析天平的基礎上研發了“熱天平”，開創了熱重分析（TG）技術。但是，由于當時的差熱分析儀和熱天平相對較為粗糙，重復性差、靈敏度低，分辨力也不高，因而在很長一段時間內推廣應用進展緩慢。第二次世界大戰后，由于儀器自動化程度的提高，熱分析方法開始普及。20世紀40年代末，美國的Leeds和Northrup公司開發了商品化電子管式的差熱分析儀，此后也出現了商品化的熱天平。但此時的熱分析儀器體積龐大、價格昂貴、所需試樣量大。

1955年以前，研究者們通常將熱電偶直接插到被測試樣和參比物中測量溫度和差熱信號，但是這樣容易使熱電偶被試樣或其分解的氣體所污染、老化。Boersma針對這種方法的缺陷提出了改進辦法，即坩堝內放置被測試樣或參比物，坩堝底部與熱電偶接觸，目前的商品化差熱分析儀都采用了這種方法。此后直至20世紀60年代初，包括逸氣檢測法、逸氣分析法、扭辮分析法等在內的熱分析技術向自動化、定量化、微型化方向發展。1964年，美國的瓦特遜和奧尼爾在DTA技術的基礎上發明了功率補償式差示掃描量熱法（DSC）。

20世紀70年代末，美國的Perkin-Elmer公司開發了專用于熱分析儀器方面的微處理機溫度控制器。隨后，日本理學電機、第二精工舍、島津、瑞士Mettler、美國Du-Pont、法國Setaram、德國Netzsch等公司相繼開發了類似的熱分析產品。20世紀80年代初，各公司先后又把微型計算機用于熱分析方面的數據處理，并制成了商品化的熱分析數據臺。

2.2 實驗教學方法設計

2.2.1 基于科研人文素養的教學理念

由上述熱分析技術及設備的開發過程可以看到，從熱分析技術發明與設備原型開發，數據處理自動化、定量化、設備微型化，到數據分析平臺的開發，始終圍繞不同體系材料在升/降溫過程中的結構與性質變化特征，也離不開一代代科學家的接力研究?？茖W成就離不開精神支撐。習近平總書記在科學家座談會上提出要大力弘揚科學家精神，這是科技工作者在長期科學實踐中積累的寶貴精神財富。2019年5月，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發《關于進一步弘揚科學家精神加強作風和學風建設的意見》，要求大力弘揚胸懷祖國、服務人民的愛國精神，勇攀高峰、敢為人先的創新精神，追求真理、嚴謹治學的求實精神，淡泊名利、潛心研究的奉獻精神，集智攻關、團結協作的協同精神，甘為人梯、獎掖后學的育人精神。新中國成立以來，我國在科技、工業、經濟等各方面發展所取得的偉大成就，是一代又一代矢志報國的科技工作者在黨的領導下前赴后繼、接續奮斗的結果。

實驗課程教學，是材料類專業工程技術人才教育教學的重要組成部分。課程的教學目的主要包括對材料類專業理論知識的驗證、培養學生動手實踐/觀察/分析問題/解決問題的能力、培養學生的專業科研態度與創新思維方法等[5]。通過差熱分析實驗課程模塊教學，使學生在學習專業理論知識、了解實驗技術與設備發展歷程、設備技術原理、數據分析方法的同時，結合國情及行業與專業特色教育，明確個人在國家、社會、專業科研與技術發展歷程中的重要作用，為學生科研素質與人文素養的提升奠定基礎。

2.2.2 面向專業發展的環保意識培養

材料類專業涉及的行業包括建材、冶金、機械、化工、電子信息、航空航天等眾多領域，在國民經濟發展中占據重要地位。但是，這些行業的能耗和碳排放量同樣顯著，例如，建材行業的廢氣排放量占到了全國工業廢氣排放總量的18%，鋼鐵冶煉行業、有色冶金行業的碳排放量分別占全國碳排總量的15%和6%，化工行業產生的廢水和廢氣分別占全國工業總量的16%和7%，這些生產行業領域節能減排任務艱巨。作為材料類專業大學生，學習相關行業領域材料的合成/生產、加工、使用過程原理與工程應用技術的基礎上，還應明確上述過程與環境的相互作用及其處置方法。

差熱分析實驗過程中，坩堝內的被測試樣在升溫或降溫過程中發生熔化、晶型轉變、分解、化合等物理變化或化學反應。除了熱效應，不可避免地會有氣體、液體等中間產物的生成，其排放將會對周圍環境產生影響。結合專業人才培養定位及學生所處的知識結構階段，引導學生對所研究的材料體系組成進行設定，并將實驗過程中產生的氣體、液體、固體產物與外部環境之間的相互作用結合分析，并設計相應的處置方法。通過上述教學方法的實施，培養學生的實驗設計、環保意識與綜合處置能力，以提升學生作為未來專業工程技術人才所應具備的工程師社會責任意識。

2.2.3 創新驅動的實驗教學方法

傳統的實驗課程教學方法，包括實驗前預習、原料準備與設備調試、動手操作過程、數據記錄與分析、師生互動討論、實驗結果總結與評價等步驟[6]。經過不同角度的教學方法改革，專業實驗教學已經取得了顯著的進步。例如，將填鴨式教學改為師生互動的討論式教學，強調對學生專業知識學習興趣的調動與參與意識的培養，旨在提高學生發現問題、分析問題和解決問題的能力。然而，在差熱分析實驗所用原料選擇、有限的實驗操作條件范圍內，最終能夠得到的實驗結果是已知的。這種教學方法，在調動學生學習積極性和創新性方面所能夠發揮的作用并不明顯。

基于國家、社會及行業對材料類專業工程技術人才知識、能力、綜合素養各方面的要求，提高解決復雜工程問題能力的同時，還需注重培養學生的健全人格、歷史使命感和社會責任心。結合當前大學生科研人文素養、環保意識、學習主動性等方面的培養要求，以及差熱分析實驗模塊所屬課程的前導與后續課程設置，在實驗教學設計過程中，可以選取與本專業相關的原料及其組合，考察實驗操作條件對原料反應行為及特征溫度等方面的影響，以及實驗過程中生成的產物對環境的影響及相應的處置方法。在原料組合設定、操作條件的調節方面，設置實驗參數庫，由學生根據指導教師與小組討論確定的實驗目的，進行相應選擇搭配；指導教師負責實驗過程安全保障、引導小組實驗過程及數據歸納與討論。調整后的實驗教學方法，綜合考慮了學生所掌握的專業知識水平，以及環保意識、實驗操作能力、團隊協作意識等方面的培養，在實驗教學實施過程中也有利于激發學生的主觀能動性，為提高學生的學習積極性、培養創新意識奠定基礎。

3 結語

材料是人類生產和生活活動的物質基礎，材料類專業實驗課作為相關專業高年級學生的專業必修課程，非常有必要將實驗課程教學與課程思政教育緊密結合。針對當前實驗課程教學過程中存在的難點與不足，以差熱分析實驗模塊為例，結合熱分析技術開發及設備改進的發展歷程，從大學生科研人文素養、學習積極性、環保意識及創新意識培養等多個角度，探討了開展專業實驗教學理念及教學方法的設計思路。以期為推動大學生理論聯系實際、環境意識、實驗操作能力、創新意識等方面的綜合培養奠定基礎。