以金相實驗為例對材料專業本科實踐教學的改革與實踐

孫德山 李偉 馬玉春 董治中 劉德寶

【摘 ?要】 文章以金相實驗為例，結合專業實驗教學現狀與問題，提出通過改善實驗條件、豐富實驗內容、借助學科競賽等方式進行材料專業實踐教學的探索與實踐。旨在提高實踐教學效果，提升大學生競爭力，培養具有工程意識、創造性思維、團隊合作能力和自主性學習能力的專業型人才，為進一步探索理工科專業學生的實踐教學改革提供了思路。

【關鍵詞】 金相分析；實踐教學；材料專業教學

面對新一輪的科技革命與產業變革，壯大戰略性新興產業，積極發展未來產業，實現創新引領發展，提升新質生產力是當務之急。因此，社會對多樣化、創新型卓越工程科技人才的需求是必不可少的。高校作為工程創新人才培養的重要基地，如何增強學生的工程意識、創新意識，培養具備多維知識結構、熟練掌握新質生產資料的應用型人才，是高校教育工作的重中之重。

材料學科是一門與生產企業，尤其是新興前沿行業密切相關的實踐性學科。它對學生的動手實踐能力和專業素養有較高的要求，因此實踐教學對學生綜合能力的培養至關重要，需要與產業、行業、企業的技術需求緊密結合。為了貫徹落實本科工程教育專業認證中的“產出導向”理念，院校需要加強應用型創新人才的培養。金相分析技術作為材料專業的基礎實驗項目，利用金相技術可以分析材料的微觀組織，從而解析材料組織、結構、加工工藝與性能之間的聯系，是材料專業學生必備的專業技能。隨著科學技術的不斷發展，新材料不斷涌現，金相學的應用范圍也不再局限于金屬材料，而拓展到了無機非金屬材料、礦物、高分子材料等領域，這對材料專業學生進行金相技能的培養提出了更高的要求。

一、材料專業實踐教學現狀及教學中存在的問題

（一）材料專業實踐教學現狀

金相試樣制備及組織分析是材料專業中一項重要的實踐課程，涵蓋了金相試樣的制備、金相顯微鏡的使用以及微觀組織結構分析等內容，涉及材料科學與基礎、熱處理工藝、固態相變等多學科知識，對學生理論知識的掌握要求較高。金相試樣的制備過程包括取樣、鑲嵌、磨制、拋光、腐蝕和顯微組織分析等多個步驟，每一步都對學生的動手能力有較高的要求。對初學者而言，操作中每一個環節都可能出現問題，比如磨制過程中用力不均可能導致試樣表面不平整；拋光時用力過大可能導致拋光介質嵌入或試樣飛濺；腐蝕時間過短或過長都會影響顯微組織的顯示。因此，學生要熟練掌握金相試樣的制備，需要長時間的實踐鍛煉。

天津理工大學材料科學與工程專業的金相技能教學主要包括以下幾個方面：首先，在“材料科學基礎”課程中，開設了“鐵碳合金平衡組織觀察與顯微鏡的使用”演示驗證性實驗，這使學生對金相技術有了初步的認識。其次，在認識實踐環節，設置了金相試樣制備實驗，旨在初步培訓學生金相制樣技術。最后，在材料綜合實驗課程中，通過對不同金屬材料進行特定熱處理，制備金相試樣，分析其顯微組織，測試其硬度，以解析熱處理、微觀組織和宏觀性能之間的聯系。目前的教學效果顯示，學生能夠按部就班地完成全流程的實驗操作，并且對常見材料（如45鋼、T10鋼、40Cr等）經過熱處理后的顯微組織與性能有基本的分析能力。

（二）實驗教學過程中存在的問題

1. 實驗相對單一，學生鍛煉不足

目前，材料科學與工程專業的理論課程主要側重于碳鋼、鑄鐵等傳統材料，而有色金屬如鋁、鎂、鈦及銅合金等內容雖然有涉及，但整體教學深度較淺。在實驗教學方面，以45鋼、T10鋼和鑄鐵等材料為主，對有色金屬只涉及了鋁合金的熱處理實驗。從目前的教學效果來看，學生在獨立設計實驗工藝、準確分析各種材料的顯微組織與性能方面存在一定的能力不足，舉一反三的能力也有所欠缺。這反映了學生對理論知識的掌握還不夠深入、全面，實踐教學過程中缺乏真正的思考，只是機械地完成實驗操作。此外，隨著現代社會技術的發展，新材料、新工藝不斷涌現。雖然傳統材料和熱處理工藝仍然重要，但如何與時俱進，引入新材料、新技術的內容，培養適應新時代要求的專業人才，是高校教師在實踐教學中需要認真思考和解決的問題。

2. 學生理論基礎較差，實驗態度敷衍

專業學生在材料科學基礎、熱處理工藝、金屬材料學等課程的理論知識掌握不夠扎實，理解不夠透徹，難以將所學知識活學活用。在實驗教學中，學生在涉及理論知識應用的情況下，往往會遺忘大部分知識點，例如在金相組織分析中，學生可能無法清楚區分相與組織的概念；在中碳鋼顯微組織中，鐵素體和珠光體的區別甚至無法明確。此外，學生對實踐教學的態度較為敷衍，僅僅是應付了事，實驗技巧的掌握僅限于實驗時段，例如金相顯微鏡的使用是多個實驗中的常見操作，但總有學生甚至找不到顯微鏡的開關。對實驗中遇到的問題，學生在解決時缺乏足夠的耐心和技巧，而提交的實驗報告往往只是實驗結果的簡單羅列，缺少對實驗結果的深入分析和總結。

3. 實驗條件受限

專業實驗室現有的金相預磨機、拋光機等設備老化嚴重，且設備數量有限。金相顯微鏡同樣存在老化和配置不足等問題。與此同時，金相試樣制備實驗需要進行磨制、拋光、腐蝕等操作，這對實驗室場地的要求較高。過去實驗室場地有限，導致學生排隊等候的情況頻繁發生，嚴重影響了實踐教學的效果。

二、實踐教學過程中的探索與改進措施

（一）整合實驗教學實驗室，購置實驗教學設備

2022年底，天津理工大學材料科學與工程學院材料專業全力準備工程教育認證，并成功通過認證。同時，學院計劃在2024年舉辦天津市大學生金相技能大賽。為此，專業對教學實驗室進行了整合，并擴建了一間金相實驗室，增設了腐蝕工位，購置了10余臺金相拋光機，并替換了部分倒置式金相顯微鏡。目前金相實驗室共有20余個磨制、拋光和腐蝕工位，如圖1所示。另外，組織分析實驗室配備了50余臺金相顯微鏡。考慮到實驗操作的時間性和空間性，目前實驗室可以充分滿足一個教學班級的教學需求。

（二）充分利用網絡資源，開展線上虛擬實驗項目

為了提高學生的預習效果并節省課上教授時間，教師提前錄制了金相試樣制備的全過程操作視頻，并在課前要求學生觀看。這種做法極大地提升了學生的預習效果，部分學生通過線上虛擬仿真實驗和操作視頻，能夠基本掌握實驗方法。在實驗過程中，教師有更多的時間和精力可以專注于關注學生的操作規范性和關鍵步驟，這有助于學生更好地掌握金相試樣制備的操作技能。

為了彌補實驗條件不足的問題，教師還利用實驗空間——國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺提供的線上資源，開展了一系列線上虛擬仿真實驗。這些線上實驗包括軸承鋼、滲碳鋼、高速鋼等材料的熱處理實驗，以補充部分無法在實驗室中開展的實驗教學內容。通過這些線上實驗課程，學生可以在虛擬環境中進行操作，獲得更豐富的實踐經驗。

（三）緊密聯系理論課程，加強實驗考核

基于學生理論知識掌握不扎實的現狀，實驗教師在實踐教學前加強了與理論課教師的溝通交流，以便合理調整實驗時間與內容。舉例而言，在材料科學基礎課程中，理論課教師講解完Fe-C合金相圖相關知識后，及時安排了“鐵碳合金平衡組織觀察與顯微鏡的使用”實驗。通過分析典型的試樣，學生可以將理論知識與實踐有機結合，鞏固所學的理論知識，提高實驗教學的效果。另外，在實驗教學中，增設了考核機制，針對實驗教學過程中的重難點及時進行考核，以提高學生對實驗教學的重視程度，并規范實驗態度。例如，在“鐵碳合金平衡組織觀察與顯微鏡的使用”實驗中，隨機抽查學生對試樣的名稱、熱處理狀態以及顯微組織分析的掌握情況。而在金相試樣制備實驗中，通過評價每個學生制備的試樣的宏觀形貌和顯微組織，來評估學生的實驗操作規范性。對不合格的試樣，督促學生重新制備。通過這種方式，課程不再局限于規定的學時授課，而是注重評估學生實驗技能的實際掌握程度，從而提高了實驗教學的質量和效果。

（四）依托金相技能大賽，促進本科實踐教學

學院成立了金相技能社團，主要承擔普及金相知識，傳授金相試樣制備技能，組織承辦本校金相技能大賽。依托社團，學院通過承辦金相技能大賽，以賽促學、以賽促練、以賽促改，實現金相相關實驗的改革。學院開放實驗室，將金相實驗室在空閑時間向學生開放，學生可通過預約進行金相實驗練習。此外，學院還鼓勵參加過比賽的學生與初學者分享經驗，幫助他們更快地掌握金相試樣制備的操作技巧，并解決操作中遇到的問題和難點。

（五）增加綜合性實驗，培養學生嚴謹的科學態度

學院針對專業特點，以金相試樣制備為基礎，融入熱處理工藝設計、操作，硬度檢測和組織評價等內容，對現有碳鋼的熱處理及組織觀察實驗進行改進。豐富熱處理試樣種類，增加對學生熱處理的工藝設計環節的訓練。以專業工程教育認證為契機，更新了兩臺四工位端淬設備。重開“鋼的淬透性”測定實驗，通過熱處理的操作、金相試樣的制備、組織分析、硬度測定，評價不同材料的淬透性，使學生了解影響淬透性的因素以及淬透性曲線的工程應用。

在綜合性實驗授課過程中，學院注重培養學生的工程意識和嚴謹的科學態度，結合材料專業實驗的特點，在相關實驗授課中，規范化實驗方法。如在“鋼的淬透性”實驗教學中指出端淬試驗方法的試樣加工尺寸、熱處理工藝、硬度的測定都要嚴格按照GB/T 225-2006鋼淬透性的末端淬火試驗方法（Jominy試驗）中的規定來進行，如此得到的試驗數據才有說服力和比較性。通過開設綜合性實驗項目，培養學生嚴謹的實驗態度，提高學生綜合分析和解決實際問題的能力，使學生基本具備從事相關專業技術性工作的能力。

（六）加強實驗安全和環保教育

在金相試樣制備過程中，使用金相切割機、金相拋光機等高速設備存在安全隱患。同時，金相試樣的浸蝕需要接觸無水乙醇、硝酸酒精等酸性或堿性腐蝕液，這些溶液具有一定的腐蝕性。為確保實驗安全，學校和學院實驗中心都制定了實驗室安全管理制度。在學生進行首次實驗之前，實驗教師會進行統一的安全教育，同時學校保衛處設立了實驗安全系統，學生需通過系統的實驗安全考試并獲得合格證書方可進入實驗室。此外，在實際授課時，教師會提醒學生注意佩戴手套、將頭發挽起等方式以確保實驗安全，實驗產生的廢液會進行統一處理，學生也會被提醒在實驗過程中注意安全和環保問題。

三、結語

如今社會對高級專業技術人才的需求日益增長，對大學生的工程意識和專業技能提出了更高的要求。實踐教學作為理論教學的延伸和升華，對學生工程意識和專業技能的培養至關重要。以金相實驗為例，文章分析了目前教學存在的不足之處，并通過增加實驗設備數量、豐富實驗內容、規范實驗教學等措施，提高了實驗教學的趣味性和科學性，確保了學生動手操作的機會和效果。通過舉辦金相技能競賽并建立獎勵機制，以賽促學，有效提高了學生的參與度，為他們提供了實踐能力培養的機會。這不僅提高了材料專業實驗教學的質量，還為實踐教學的改革探索提供了有益啟示。

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