材料科學基礎實驗教學改革初探

摘? 要：材料科學基礎是材料科學與工程專業的主干課程，材料科學基礎實驗教學是材料科學基礎理論課程的輔助教學模塊，是材料相關專業必修的實踐訓練課程。文章針對現階段實驗教學中的不足，提出在實驗教學內容和實驗教學方法等方面的探索性改革建議，以期充分發揮實驗教學對學生的積極作用，培養學生掌握材料實驗設計和基本性能測試方法，提高其綜合能力、創新能力、分析問題以及解決實際工程問題的能力，塑造與材料、機械等行業發展相契合的復合應用型人才。

關鍵詞：材料科學基礎；實驗教學；教學改革

中圖分類號：TB30-4? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2023）11-0157-04

作者簡介：黎明燦（1987—），男，博士，新疆大學物理科學與技術學院博士生導師，副教授，研究方向為新型高性能金屬材料。

材料在人類歷史發展進程中具有重要作用，隨著文明和生產的發展，對使用材料要求愈來愈高。材料是推動人類科學技術發展的強大動力，也是工業生產的基石，在現代科學技術的賦能下，原有材料的性能不斷被提高，新材料隨著技術發展而不斷涌現。新材料作為國家十大重點領域，“十二五”以來，新材料產業規模不斷擴大，2021年我國新材料產業市場規模為6.41萬億元。新材料產業規模的不斷擴大使得該領域對人才的需求不斷增加。

目前新材料產業領域人才總量存在較大的供需缺口。新材料屬于技術密集與知識密集型產業，目前，我國新材料人才供需結構存在差異性，主要在于嚴重缺少新材料領軍人才、技能型人才以及復合應用型人才。

材料科學基礎是材料科學的關鍵基礎課程，也是為學生建立良好材料學習基礎的關鍵因素，材料科學基礎實驗是基于此而設立的實踐訓練課程，輔助學生在學習與掌握理論知識的同時，培養實驗設計能力、分析解決問題能力以及創新能力的高效途徑。然而，材料科學基礎課程存在術語概念多、涉及知識面廣以及抽象等特點，學習難度較大，使得學生在學習過程中難以抓住重點。以往的材料科學基礎實驗缺少創新性和綜合性的實驗項目，主要以驗證性實驗為主，教學手段相對陳舊。

基于此，本研究圍繞培育復合應用型人才的目標提出對該課程實驗內容的創新改革，以實驗促理論教學，充分發揮實驗教學的積極作用，在培養學生學習材料科學學科興趣的同時，培養其成為具有創新意識和實踐能力的復合應用型人才。

一、課程信息

新疆大學物理科學與技術學院材料科學與工程專業設立的材料科學基礎課程總計96學時，其中，理論課程為64學時，實驗課程為32學時。

材料科學基礎實驗是以材料科學基礎理論為基礎設立的課程，實驗課程包含：典型金屬晶體結構模型，金相顯微鏡的原理、結構及使用，金相試樣的制備，位錯蝕坑的觀察與分析，結晶及晶體生長形態的觀察，晶粒度的測定及評級方法，二組分合金系統相圖的繪制以及三元合金組織的觀察與分析，實驗類型分為驗證、綜合、設計以及創新。通過該課程，學生對晶體結構、材料的相結構轉變以及晶體缺陷等基礎知識有更加深入的理解，具備材料制備、監測以及分析的能力［1］。

二、課程改革實踐

（一）優化實驗教學內容

注重將實驗教學和工程實踐實際相結合，增加綜合性實驗項目。材料實驗教學內容之間內在聯系不足，獨立性較強，因此，可以采用重構實驗教學內容的方式進行教學。在綜合性實驗中整合驗證性實驗內容。以材料熱處理相變主題為例，在材料熱處理的過程中，材料的尺寸和體積會發生一級相變，伴隨著材料內部的組織和性能等微觀結構的變化，材料熱處理是通過控制和改變材料的相組織轉化而實現的［2］。因此，可以從測量材料體積、顯微觀察材料組織以及觀察材料性能表征三個教學方向設置實驗項目，以此為結構構建材料熱處理實驗教學內容。該教學內容構建方式能夠幫助學生直觀地觀察到材料變化狀態，建立對材料結構、工藝以及性能等多要素之間制約影響關系的正確理解，從而使實驗教學的核心從知識體系向探索轉變，逐步引導學生建立創新意識，培養其創新能力［3］。

材料熱處理相變主題中還可以設立測量與觀察固態相變等系列綜合性實驗教學內容，在該綜合性實驗教學前期，要求學生對相關內容進行查閱，建立初步的了解，并擬設材料熱處理實驗方案，在實驗課程開展的過程中，教師引導依據學生擬設的材料熱處理實驗方案開展實驗。該實驗課程主要以分組實驗的形式開展，探究在不同熱處理條件下材料的相結構變化，可以根據學校實驗設備實際情況進行分組實驗，再將各組進行輪換［4］。通常情況下，可以將學生分為三組，第一組測量并對比分析材料相變前后的比容變化，要求學生利用電子天平對材料熱處理前后的比容變化進行分別測定，并對實驗數據進行處理分析，分析熱處理后材料的體積變化與晶體結構變化的情況，并分析材料相變；第二組顯微觀察并分析熱處理前后材料的相變狀態，該組學生采用金相顯微鏡對熱處理前后材料的相變狀態進行觀察，在觀察后由學生繪制該材料的微觀形貌，并對繪制出的材料微觀形貌進行分析，判斷該材料的內部組織是否發生相變；第三組測量并分析熱處理前后材料的熱膨脹曲線，使用固體線膨脹系數測定儀、光杠桿、溫度計以及尺讀望遠鏡等熱膨脹系數測定儀，通過測量材料受熱后的變化，繪制該材料的熱膨脹曲線，并要求學生通過繪制的材料熱膨脹曲線，判斷該材料內部晶體結構的變化情況，并分析相變。以材料熱處理的相變為教學內容設計的主體，設立綜合性實驗項目，以激發學生對材料的興趣和求知欲，幫助學生建立對材料科學基礎理論知識的深度理解，增強學生實驗設計能力和綜合分析能力，鍛煉學生發現問題、分析問題以及應用理論知識解決問題的能力，為學生提供參加科技創新項目的渠道，以求在實踐中提升其綜合能力［5］。需要將材料科學的發展前沿和最新成果等新內容納入課堂之中，引導學生關注新材料，并根據學校實際項目情況，將教師的研發成果納入教學中，提高教學內容的時效性，避免學生認為學無所用，增強理論知識與工程應用之間的關聯性，提高教學效果。

（二）革新實驗教學方法

以培養學生對理論知識的實際應用能力為教學目的，利用實例教學提高高校學生的學習效率和教學效果。結合實驗教學內容針對性地添加實際案例，講解理論知識在工程中的應用，如精密軸承因精度下降而報廢的原因，需要學生具備將所學理論知識運用在實際工作和生活中的能力，并思考精密軸承因精度下降而報廢的原因、導致精密軸承精度下降的原因以及精密軸承精度下降對工業生產環節的影響等問題，并根據提出的問題，分析相應的解決方式，設計實驗方案［6］。在實驗方案設計后進行實際操作，按相關標準完成質量問題鑒定并與理論知識相結合。在實際教學中，教師可以將學生分組，并以團隊的形式進行專題研究，在課堂上，分組匯報，呈現實驗設計、實驗操作過程、實驗結果以及實驗結果分析，并與其他組別的同學共同討論，最后，由教師進行點評，并指出各組實驗方案中的問題和改進方式。改革實驗教學方式能夠激發學生學習材料的自主性，培養學生實驗操作的實踐能力，深化了學生對材料科學基礎課程的理解和應用能力［7］。

采用多元化的材料教學方式，將互聯網技術應用到實際教學中。在2022年教育部發布的《教育部2022年工作要點》中要求積極發展“互聯網+教育”，推進教育數字化戰略行動，提高教學數字轉型和智能升級的速度［8］。在此背景下，探索互聯網技術在材料教學中的應用，充分發揮多媒體教學的優勢，針對傳統教學方式難以表述清晰的知識內容使，用視頻、圖片以及動畫演示等方式直觀地呈現給學生，幫助學生建立對抽象知識的直觀理解，尤其是在位錯運動、晶體結構、缺陷以及凝固等方面的知識。也可以引入自動正置金相顯微系統多媒體實驗教學平臺開展多媒體互動實驗教學，建立圖像共享且高效率的網絡教學體系，教師和學生在顯微鏡下操作和觀察影像，通過網絡進行共享［9］。請學生自行設計并制作硅單晶的位錯蝕坑試樣，并觀察其制作效果，繪出其形態及分布。運用新媒體技術有效實現資源共享，使學生能夠直觀地了解各種晶體結構和缺陷的形成過程，使教學內容具體化，易于學生理解和掌握。

采用翻轉課堂的教學模式，指的是學生在課外時間瀏覽觀看教師的視頻講解。教師需要將材料的實驗教學視頻進行錄制，以觀察位錯蝕坑的實驗為例，教師按照實驗的流程、操作要點以及知識重點，對硅單晶位錯蝕坑試樣制備流程進行錄制，并對試樣制作的流程和步驟進行詳盡說明，錄制后上傳至雨課堂讓學生自行學習，從而幫助學生更好地理解硅單晶位錯蝕坑試樣的制備過程。教師通過雨課堂查看學生在線學習情況，包括線上學習時長、實驗教學操作視頻觀看進度等數據，從而實現從多個角度來分析學生的學習情況。在線下實驗教學中，教師查看學生的實驗操作，指出其中的問題，并進行及時的指導和糾正。從而有效提高實驗教學的時間利用率，以學生為實驗課堂的主體，激發培養學生學習材料的興趣。其次，可以充分利用思維導圖進行實驗教學，教師將實驗思維導圖的主干圖上傳至雨課堂軟件中，引導學生對思維導圖進行填充，思維導圖主要包含實驗目的、實驗原理、實驗儀器、實驗材料、實驗內容以及注意事項等，要求學生根據上述思維導圖框架進行填充，使其對實驗的整體脈絡建立清晰的了解，并能夠知道該節實驗課程的難點和重點。在實驗課程的開展中，要求學生按照實際實驗步驟、實驗內容以及實驗結果將思維導圖進行細化，并以開放式思維導圖的形式提交實驗報告，引導學生在實驗過程中進行發散式思考，挖掘腦內與此次實驗相關聯的知識線索，并呈現在思維導圖之中，增強學生對以往知識的記憶，提高學生的發散思維能力。

采用多樣化的考核形式，考核的主要內容是考查學生對材料相關知識的應用能力。根據不同層次要求的實驗，采取針對性的考核內容和形式。如大型綜合實驗報告、實驗報告課后題、科技論文等，對學生的學習進行全方位的評價，提高學生的自主學習能力。在整個實驗課程的教學評估中，增加過程性評估的比重，重點關注學生階段性學習成果，過程性評估主要包括網課的學習情況、課堂實驗方案設計、課堂討論課、課堂實驗以及課前預習等方面。其中，課堂實驗方案設計采用師生共同評價的方式，評估結果由教師評估和學生互評組成，增加考核評估的公正性。

（三）提高實驗教學配備

打造以材料技術為核心的產學研協同培養機制，聯合企業和科研院所，采用項目任務教學方式進行教學，推行項目小組制和雙導師制，雙導師即高校專職教師與企業兼職教師。聘請企業工程技術人員在校內定期進行教學，并將實際工程企業中材料的應用案例納入實驗教學中，拓寬學生對新材料的認識和理解，激發學生對新材料研究的學習動力，豐富材料科學基礎實驗課程的工程實踐價值。在教學團隊建設上，要強化專職教師和兼職教師的整合，充分發揮專職教師的理論研究優勢和兼職教師的工程實踐經驗優勢，打造兼具理論教學和實踐教學的師資隊伍。為高校教師提供與企業和科研院所的溝通渠道，建立聯合實驗室。打造校企精準協同體系，培育復合應用型人才。

根據學校實際情況，提高現有實驗教學設備質量和數量。高效開展實驗教學的前提是具備良好的實驗設備和足量的實驗設備，為師生開展實驗教學提供有效支持。建立實驗設備定期檢修制度，由專人負責，并形成記錄。定期對現有實驗設備進行檢查和修復，確保在實驗教學開展的過程中，避免實驗設備不良對教學質量和效果產生影響。在每節實驗教學結束后，要求負責人對實驗設備進行檢查和整理，并根據實驗設備存放條件進行存放。

學校可以選擇性地引入材料虛擬仿真實驗教學系統。虛擬仿真實驗系統主要是采用虛擬交互技術和渲染引擎構建的高度仿真系統。虛擬仿真實驗系統具有較強的互動性、高安全性、使用便捷以及較低的成本等特點，由于在實際教學中部分材料實驗成本過高、實驗操作危險性較高、實驗設備損耗以及實驗持續時間較長等問題，導致實驗教學開展受限，而虛擬仿真實驗系統能夠使學生全面體驗多種實驗操作，學生在操作過程中能夠看到接近于真實的實驗效果，虛擬仿真系統對實驗的直觀演示能夠幫助學生建立對抽象理論知識的理解，教師可以最大限度地發揮該系統的優勢，為學生構建高度仿真的虛擬實驗教學環境，使學生切身體驗到實驗的樂趣，幫助學生構建材料學習思維，深化學生對知識內容的理解。其次，操作虛擬仿真實驗能夠為學生日后參與工作或研發建立更好的基礎，能夠幫助學生更好地適應日后的工作與研究。

虛擬仿真實驗系統能夠幫助教師更好地開展實驗教學考核，學生在虛擬仿真實驗系統進行實驗操作流程、操作要點以及相關知識內容的考核，由系統判定學生的實驗操作情況，并為教師提高評分依據。

虛擬仿真實驗具有更新方便的特點，傳統的實驗室需要定期更換和更新現有硬件設施，在實驗過程中，很容易造成硬件設施被損壞等情況，而虛擬仿真實驗更新成本較小、更新周期短，使得教學開展更高效。

三、結語

材料科學基礎實驗是應用材料科學基礎理論知識的實驗課程，通過探索并革新實驗教學方式和教學內容等方面，有效轉變了以往單一枯燥的實驗教學方式，實現了理論教學與實踐教學的互相促進和協調發展，深化了學生對材料科學基礎理論知識的理解，強化了學生的實驗方案設計能力、實踐能力、分析問題能力以及解決問題的能力等等，通過革新實驗教學，提高實驗教學配備，逐步引導學生樹立創新意識，培養其創新能力，激發學生材料學習的積極性，并鼓勵學生對新材料進行了解和學習，為學生提供渠道開展新材料研究，為人才構筑平臺。

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（責任編輯：淳潔）