專業(yè)認證背景下材料科學與工程實驗教學改革探索
——以河海大學為例

＊史相如

（河海大學力學與材料學院 江蘇 211100）

工程教育專業(yè)認證是針對高等教育機構開設的工程類專業(yè)教育實施的專門性認證，是我國高等教育的重要組成部分[1-3]。河海大學材料科學與工程專業(yè)于2020年入選為國家級一流本科專業(yè)建設點，按照一流專業(yè)建設條件與國家一流專業(yè)認定標準，通過專業(yè)認證成為了材料專業(yè)能否通過一流本科專業(yè)建設點考核的決定性條件，也是我校材料科學與工程專業(yè)建設迎來的重大發(fā)展機遇。以專業(yè)認證為契機，進一步規(guī)范本專業(yè)人才培養(yǎng)體系和促進教學質量，為提高本專業(yè)在國內外的影響力奠定基礎。

材料作為與能源和信息并稱的現代社會發(fā)展三大支柱之一，在一定程度上左右著人類文明發(fā)展的進程，對于國家戰(zhàn)略具有著深遠的意義。近年來，國家高度重視材料學的發(fā)展與建設，中國制造2025更是把新材料作為十大重大突破領域之一[4]。材料科學與工程專業(yè)是研究材料結構組成、工藝和性能之間關系的學科，不僅要培養(yǎng)具有扎實理論基礎的人才，更要培養(yǎng)具有較強工程實踐和創(chuàng)新能力，能夠從事科學研究、技術開發(fā)、工藝和設備設計的工程技術人才。而實驗教學則在本科人才培養(yǎng)過程中扮演了至關重要的一環(huán)，對通過專業(yè)認證也起了至關重要的作用[5-7]。

盡管近年來的實驗教學在全面提升本科生的實踐動手能力、思考解決問題的能力以及創(chuàng)新理念的培養(yǎng)方面具有一定的推動作用，但仍存在著國內材料專業(yè)實驗課程的普遍通病[8]。例如，部分課程的實驗內容重復，缺乏應有的聯系；實驗教學強調模仿和訓練，創(chuàng)新內容不夠；課程結果的考核評價單一，學生的主動性和積極性缺乏等，極大影響了材料科學與工程專業(yè)創(chuàng)新性、復合型人才的培養(yǎng)，導致本科生在就業(yè)市場被否定、就業(yè)能力顯著下降等情況的發(fā)生。因此，如何依托材料科學與工程專業(yè)現有的實驗教學條件，高效優(yōu)化整合資源，融合實驗教學體系，注重開放性、創(chuàng)新性實驗能力培養(yǎng)，根據一流本科專業(yè)建設背景下材料科學與工程專業(yè)培養(yǎng)目標的要求，構建“開放、創(chuàng)新、融合”的實驗教學框架顯得尤為迫切。

1.材料科學與工程實驗教學現狀

(1)教學內容重復，整體布局混亂

目前材料科學與工程專業(yè)開設的實驗課程內容存在部分重復現象，整體布局不合理。以金屬材料方向為例，該方向開設的實驗課程主要有“金屬材料與熱處理綜合實驗、金屬腐蝕性能實驗、金屬力學與物理性能實驗、材料表面技術綜合實驗”等，但課程安排不同教師講授，由于任課教師之間缺乏深入溝通交流，導致不同課程部分實驗原理類似、內容相近，造成人力、物力、時間的浪費；此外，現有的實驗課程安排主要依據理論課程而設置，導致不同實驗課程之間的連續(xù)性嚴重缺乏。例如，材料表面技術綜合實驗涉及到金屬表面的腐蝕防護，該部分內容如果在合理的統(tǒng)籌規(guī)劃下可以有效地延伸至金屬腐蝕性能實驗中。

(2)教學資源匱乏，教學內容缺主次

實驗教學資源匱乏、實驗設備陳舊是本專業(yè)面臨的巨大難題，尤其是大型設備價格昂貴、精密度高，普通本科學生很難觸及，導致了設計性、創(chuàng)新性實驗很難由本科學生自主完成，實驗安排只能以滿足學生基礎知識和基本技能培養(yǎng)的要求為主。這顯然違背了“厚基礎、寬口徑、強能力、高素質”的創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標。此外，現有實驗教學方式較單一，大部分實驗任然是以教師演示-學生跟做的授課模式，學生積極性較低，課堂效果較差，尤其是部分耗時較長的實驗，很難保證每位同學都能親自參與實驗的每一個環(huán)節(jié)，導致教學效果的大打折扣。

(3)教學評價簡單，成績評定不科學

目前，實驗報告仍是實驗類課程成績的主要評價方式，但實驗課程大都分組進行，同組成員之間實驗結果基本類似，根據實驗報告很難判斷學生對理論知識和實驗技能等掌握的差異；此外，實驗教學注重培養(yǎng)的是學生的實踐動手能力以及思考解決問題的能力，通過“一刀切”式的實驗報告進行成績評定，不僅會降低學生實驗過程的積極性，還會打消學生實驗的自主性和創(chuàng)新性，導致實驗課程學習效果和操作規(guī)范度的不足。

2.材料科學與工程實驗教學改革探索

材料科學與工程專業(yè)實驗教學不僅要滿足學生基礎知識和基本技能培養(yǎng)的要求，更要注重學生創(chuàng)新精神、動手能力和應用實踐能力的培養(yǎng)。因此在材料科學與工程實驗教學過程中必須從專業(yè)培養(yǎng)方案全局出發(fā)，優(yōu)化設置連續(xù)性、延展性的實驗課程體系，建立基礎性與前沿性結合的實驗教學內容，發(fā)展學知識與重能力兼顧的實驗教學形式，形成系統(tǒng)性與開放性的實驗評價體系，對調動任課教師和學生的積極性，提高實驗教學效果，培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的應用型人才具有至關重要的作用。

圖1 實驗教學改革探索措施示意圖

(1)實驗教學體系的優(yōu)化設置

基于材料科學與工程專業(yè)培養(yǎng)方案對實驗課程進行統(tǒng)籌規(guī)劃，以材料的結構、制備、性能和應用關系為主線，縱向規(guī)劃相關實驗內容，避免不同課程之間基本實驗原理、實驗內容的簡單重復，實現專業(yè)理論知識應用的連續(xù)性與實驗開展過程的經濟性。例如，熱處理是將金屬在固態(tài)下經加熱、保溫和冷卻，以改變金屬的內部組織和結構，從而獲得所需性能的一種工藝過程。“金屬材料與熱處理綜合實驗”就是通過設計合理的熱處理工藝（退火、淬火、正火、調質、回火等）改變不同鋼鐵材料與有色金屬的顯微組織結構，從而得到優(yōu)異力學性能的實驗課程。而“金屬力學與物理性能實驗”則是專門探究金屬材料常規(guī)力學性能和物理性能測試的實踐教育課程，里面包含了“金屬材料與熱處理綜合實驗”中的金屬材料硬度測試，這就造成了實驗課程設置里面的部分重疊，造成教學資源的浪費。在教學過程中可以統(tǒng)籌規(guī)劃兩門實驗課程的開展，讓同學們綜合對比熱處理前后金屬材料的硬度變化，不僅可以減少重復實驗的時間浪費，還可以加深同學們對熱處理相關知識的理解。再比如“材料表面技術綜合實驗”旨在通過對金屬材料的表面處理和涂覆層制備提高基體材料的綜合性能，在教學過程中可以將其于“金屬腐蝕性能實驗”相關聯，使學生對比探究金屬腐蝕防護的重要性。這樣不僅加深學生對材料成分—工藝—組織—性能之間相互關系的理解，也節(jié)約了實驗材料，提高了不同理論知識應用與實驗過程的連續(xù)性與延展性。

(2)實驗教學資源的合理分配

在以上實驗課程優(yōu)化的基礎上，對本專業(yè)現有實驗教學資源進行整合，根據學科特點和專業(yè)優(yōu)勢建立分層次的實驗資源分配方案。第一層次主要包括材料微觀組織結構表征、金相實驗和部分力學性能實驗（拉伸、壓縮、硬度）等材料科學相關的基礎驗證性實驗，該部分主要涉及的教學資源包括光學顯微鏡、拋光機、砂紙、拉伸萬能試驗機等，實驗室現在資源可以充分鍛煉每位同學的動手能力并加強對基礎問題的理解。第二層次主要涉及腐蝕、摩擦和斷裂等材料領域的綜合性實驗，需要用到摩擦磨損試驗機、電化學工作站、三維光學顯微鏡以及一些專用的化學藥品等。針對該部分稀缺的教學資源，可以進行分組分階段教學，通過團隊合作發(fā)揮不同學生的主觀能動性、創(chuàng)造性，考察學生應對復雜問題團隊協作解決問題的能力。第三層次主要針對的是學科領域內的一些創(chuàng)新性實驗，可能會涉及到包括XRD、SEM、TEM、納米壓痕儀、等離子噴涂系統(tǒng)等大型精密設備，該部分不僅資源稀缺，本科學生操作難度也高。可通過結合大學生創(chuàng)訓、畢業(yè)設計、學科競賽和授課教師研究項目，建立科研資源與教學資源的共享平臺，通過研究生的傳幫帶效應，實現本科生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

(3)實驗教學內容的科學設置

在上述三層次教學資源分配的基礎上合理安排教學內容。第一層次的基礎驗證實驗及認知性實驗教學內容主要根據理論課堂教學知識點的內容開展。如鐵碳相圖是研究鐵碳合金在加熱和冷卻時的結晶過程和組織轉變的圖解，是研究鋼鐵鑄造、鍛造和熱處理的重要依據之一。在進行“材料科學基礎”課程教學時，可以設計實驗讓同學們制備并觀察不同碳含量鋼鐵的典型金相組織，掌握鐵素體、珠光體、滲碳體等形貌特征，對比鐵碳相圖分析不同碳含量下典型碳鋼的金相組織特征與變化規(guī)律。對于第二層次的綜合實驗需要定期更新實驗教學項目和內容。授課教師通過查閱文獻，在以往實驗內容的基礎上需要把最新的研究理念和研究方法引入到實驗教學中。例如，目前對涂層樣品力學性能的表征實驗教學仍是采用截面試樣的顯微硬度測試方法，該方法不僅制樣繁瑣，測試結果也缺乏精度，而近年來發(fā)展的納米壓痕技術通過高精度位移載荷傳感器可以實現小到納米級的壓入深度，可實現涂層表面硬度的精確測量。針對第三層次的創(chuàng)新性實驗，鼓勵學生開放式選題。由授課教師根據教學內容提出問題，學生通過文獻調研自主選題設計方案，在授課教師的指導下開展探索式科學研究，拓展學生的創(chuàng)新能力和實踐能力。

(4)實驗考核方式的持續(xù)改進

在實驗教學內容的基礎上，要根據實驗前-中-后的表現實行多元化的考核方式。實驗前的工作包括實驗內容的預習、實驗步驟的設計以及實驗材料的準備等工作，該部分工作授課教師監(jiān)管較難，可實行團隊之間互評的方式進行打分，也可讓團隊內部成員之間相互進行成績評定工作。實驗中的成績評定部分主要包括操作規(guī)范、安全意識、動手能力以及分工合作等，將各部分之間的成績細化，充分考察實驗教學的全流程目標。實驗后的考察部分重點表現在實驗數據的分析整理、實驗結果的呈現以及表述規(guī)范性。針對實驗數據的分析部分，增加不同團隊之間數據的橫向比較，豐富實驗內容，提高實驗效率。對于部分實驗課程，可要求通過ppt答辯的方式進行考核，進一步培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識，學習主動性和表述規(guī)范性。

3.結語

工程教育專業(yè)認證是高等教育質量保證體系的重要組成部分，是學科在國內外宣傳的“通行證”。本文從河海大學材料科學與工程專業(yè)實驗教學存在的問題出發(fā)，以專業(yè)認證為契機，從教學體系、教學資源、教學內容和教學評價四個方面出發(fā)，對材料科學與工程專業(yè)實驗教學進行全面化和系統(tǒng)化的改革探索，不僅可以將本專業(yè)人才的創(chuàng)新實踐能力提高到一個新的高度，還可以滿足新時期國家對新材料產業(yè)和材料類專業(yè)人才的需求。