無機非金屬材料工程專業實驗課程改革與實踐
——以材料工程基礎實驗為例

夏忠鋒，尹玉成，李亦韋，劉志強，朱青友，劉 浩

（1.武漢科技大學省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室，湖北 武漢 430081；2.武漢科技大學材料與冶金學院，湖北 武漢 430081）

實踐教學是高校本科專業教育的重要環節，實驗課程是其重要的組成部分。傳統的實驗課程教學通常存在以下問題：實驗課程課時較少，實驗教師通常以集中講解和演示的方式進行教學，給予學生實際動手操作的時間不足，開設的實驗項目多為驗證性實驗項目。實驗設備臺套數不夠，且由于設備更新換代快，實驗室擁有的同類教學設備存在規格型號多樣化、儀器結構和工作原理差異大等現象，不能滿足學生分批分組進行實驗的需求。部分實驗項目原理抽象難懂，且實驗過程耗時長，有限的實驗課時無法完成實驗全過程，影響教學效果[1-2]。傳統實踐教學體系沒有基于OBE理念設計，沒有突出培養學生解決復雜工程問題的能力，學生的思考、創新能力也沒有得到有效地激發。因此，現有實驗教學已不能完全適應當前新時代高等教育培養創新型、綜合型人才的需求[3-5]。

我校無機非金屬材料工程專業2019年申請國家一流專業及工程教育認證。為了滿足國家一流專業建設及工程教育認證要求，本專業于2018年對專業實驗課程進行了改革，修訂了專業實驗課程教學大綱，增加了實驗課程中綜合性、設計性實驗項目數量。提升了學生的學習興趣，增強了實驗課程教學效果，于2019年獲批國家一流專業建設點，2020年通過工程教育認證。《材料工程基礎實驗》作為無機非金屬材料工程專業本科生必修的一門重要專業核心基礎實踐課程，對培養運用材料工程基礎理論知識來解決無機非金屬材料工程領域實際復雜工程問題的能力具有重要意義[6-7]。

1 課程改革前的《材料工程基礎實驗》開課情況

本校的無機非金屬材料工程專業是以耐火材料學科方向為特色，因此，《材料工程基礎實驗》主要開設的實驗項目均與耐火材料的制備與表征方法有關。課程改革前開出的實驗項目如表1（P178）所示，開設的實驗項目全是驗證性實驗，且實驗項目之間相對孤立，沒有延續性。在實驗教學過程中，單批次安排上課學生人數約為10～15人，由實驗項目負責授課老師集中講解實驗目的、原理，演示實驗設備的操作方法，最后展示預先存儲的實驗結果。由于單個實驗項目學時較短，且上課學生人數較多，考慮學習時長及實驗安全因素，學生可參與的實驗環節有限。導致學生在實驗過程中沒有較多的動手操作及獨立思考，參與度較低，處于一種被動學習狀態，學習效果不佳。而且主要通過填寫的實驗報告考查學生實驗課程學習情況，考核形式較單一，不能較好地反映教學情況。

表1 改革前課程包含實驗項目

2 《材料工程基礎實驗》課程改革

針對上述問題，為了增強實驗課程教學效果，課程授課團隊經過商討后從以下三個方面對課程進行了改革：實驗內容、授課形式及考核方式。

2.1 實驗內容改革

為了調動學生學習的主觀能動性，增加了設計性和綜合性實驗項目課時占比。根據實驗內容的重要性，將原有的實驗項目進行適當的增減，多個孤立的驗證性實驗項目整合為設計性或綜合性實驗項目，整改后實驗項目與整改前實驗項目對應關系如表2（P178）所示，“原料篩分及材料顆粒級配設計”項目除了要求學生掌握原料破碎及篩分曲線的繪制，增加了材料顆粒級配設計相關內容，有利于學生了解實驗項目在實際應用中的價值。兩個設計性實驗項目“低氣孔黏土磚的制備與表征”及“剛玉澆注料的研制”包含了常見兩種耐火材料（定形耐火材料和不定形耐火材料）的成型方法與常溫物理性能測試方法等實驗內容。“耐火材料高溫性能測試方法”綜合了三種具有代表性的耐火材料高溫性能測試方法。整改后的實驗課程內容包含了耐火材料原料生產、耐火材料制備、耐火材料常溫物理性能及高溫使用性能測試完整鏈條，具有較好的延續性。

表2 改革后課程包含實驗項目

2.2 授課形式改革

為了增加學生動手操作的實驗環節、降低實驗安全風險、培養團隊合作精神，改變了以往簡單的分批次實驗模式，將每批實驗學生細分為幾個小組，每組3人，小組成員分工協作，各司其職。除了實驗項目主講老師外，每個小組另外安排了指導老師，主講老師集中對實驗內容進行講授，隨后指導老師帶領各小組完成實驗操作并監控學生實驗安全。此外，為了增強實驗教學效果，設計性實驗項目要求學生在進入實驗室之前完成相關實驗內容的文獻調研，并結合所學理論知識對實驗方案進行設計，同時為了保證實驗能夠順利進行，對設計性實驗的實驗原料種類及配比在一定范圍內進行了限定，實驗的參考配方分別如表3和表4（P179）所示。改變了學生以前枯燥無味的按照指令教條式完成任務的學習狀態，增加了學生在實驗中設計的主動性及探索的趣味性。由于設計性實驗項目學習內容較多，且實驗樣品的干燥及熱處理需要時間較長，導致在單次實驗課上無法完成所有實驗任務。為此，將設計性實驗項目分為樣品制備、樣品干燥及熱處理、樣品性能測試三個階段，每個階段不超過4個學時，保證實驗項目按照正常的課堂教學時間及耐火材料生產工藝及性能測試要求進行。

表3 低氣孔黏土磚實驗配方

表4 剛玉澆注料實驗配方

2.3 考核方式改革

調整平時成績及實驗報告成績的考核比重，分別將原實驗課程考核中平時成績占比30%上調為40%，實驗報告成績占比70%下調為60%。為了改變原來較為單一的考核方式，其中平時成績又細分為考勤占比30%+實驗預習占比30%+實驗操作占比40%。考勤主要考核學生上課遲到早退情況。同時實驗課程要求學生在進入實驗室之前完成實驗預習，并通過實驗過程中簡單的問答及交流評估學生預習情況，對其預習成績進行考核。實驗操作主要考查學生主觀動手意愿、動手能力及實驗完成情況等。實驗報告使用電腦排版替代傳統手抄形式，提供給學生實驗報告電子版模版，學生只需將報告內容填寫完整再打印上交即可。因而學生可將更多時間用于思考實驗報告內容，減輕了學生抄寫實驗報告的學習強度。

3 課程改革成效

已按照改革后的實驗課程對本專業2016～2018級學生進行教學。由于學生經歷了親自設計配比、制備樣品及驗證樣品性能全過程，參與度與動手積極性明顯提高，學習興趣也顯著增強，實驗教學效果也大幅度提升。根據學生的反饋，分析其中主要有以下原因：學生采用自己設計的配方，親手完成配料、混料及成型過程，制備的樣品編寫自己對應的號碼，有的同學甚至寫上自己的姓名，這樣就將實驗樣品與學生個體之間建立了聯系。學生將實驗樣品當作自己的作品對待，最后性能測試是對自己作品優劣的鑒定，有的學生還要求實驗結束后將制作的樣品帶走保存，學生學習的成就感增強。

學生在實驗報告總結中寫道“設計性實驗生動有趣，實驗課上收獲頗豐，不僅學會了實驗設備的操作，還掌握了耐火材料簡單的研究方法”“通過親手參與設計和實驗，制作的樣品性能超過了預期，體會到了設計、生產、制造的樂趣”“通過親眼觀察實驗設備構造、親耳聆聽老師講解實驗方法、親手進行實驗操作，讓原本教科書上抽象的知識有了較為真實的感受，留下的印象深刻”。由此可知，課程改革后學生由被動學習轉變為主動學習，學習的積極性得到有效調動。而且由于每個學生的想法不同，不同的學生可以通過不同的途徑和方法達到同一個實驗目的，相互之間還可以進行對比驗證。在實驗過程中，學生的獨立思維、才智、個性得到充分尊重，改變了千人一面的傳統教學模式，有利于創新人才的培養，體現了以人為本的教育思想。

4 結論

為了培養學生解決復雜工程問題的能力，適應當前新時代高等教育培養創新型、綜合型人才的需求，通過整合孤立的驗證性實驗項目、采用分批分組式教學、增加學生動手參與實驗操作平時成績考核等方式對實驗課程進行改革，調動了學生學習的主觀能動性，學生的思考、創新能力得到有效的培養，提高了實驗教學效果。