逆向思維在工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

郭芳芳

（江西科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江西 南昌 330098）

逆向思維在工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

郭芳芳

（江西科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江西 南昌 330098）

在工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，結(jié)合教學(xué)現(xiàn)狀以及學(xué)生特點(diǎn)，提出了實(shí)驗(yàn)教學(xué)中運(yùn)用逆向思維設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的理念。通過(guò)對(duì)工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的一些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和基礎(chǔ)綜合性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行逆向思維設(shè)計(jì)，并將其應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐。實(shí)踐調(diào)查結(jié)果表明，逆向思維設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的方法提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性、自主性和實(shí)踐能力，加深了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)理解和應(yīng)用，顯著提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

逆向思維；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

0 引言

工程材料實(shí)驗(yàn)是一門(mén)機(jī)械類(lèi)和材料科學(xué)類(lèi)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，是工程材料及熱處理、機(jī)械工程材料、金屬學(xué)及熱處理等后續(xù)課程必不可少的支撐課程。目前，該實(shí)驗(yàn)教學(xué)大部分是教師講授、演示，學(xué)生按照要求重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟，機(jī)械操作、無(wú)自主性，缺乏學(xué)習(xí)積極性，實(shí)驗(yàn)既沒(méi)起到加深理論知識(shí)的理解的作用，也不利于學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，與應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)偏差較大。為了解決以上實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，本文提出采用逆向思維的方法來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，以提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性、自主性和實(shí)踐動(dòng)手能力。

1 逆向思維設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的理念

關(guān)于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和實(shí)踐能力的教學(xué)改革研究目前有很多[1][2][3]，且大多數(shù)研究均致力于開(kāi)放性綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，研究表明開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性和實(shí)踐能力起到較好的作用，但其不一定適合適用于所有高校。如我校是一所以應(yīng)用型人才培養(yǎng)為目標(biāo)的本科院校，學(xué)生基礎(chǔ)水平層次參差不齊，水平層次差的學(xué)生不乏少數(shù)。這種涵蓋知識(shí)點(diǎn)多而廣的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，對(duì)層次水平較低的學(xué)生和低年級(jí)學(xué)生來(lái)說(shuō)可操作性較差，驗(yàn)證性基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和一些基本型的綜合實(shí)驗(yàn)可能更適合我校大多數(shù)學(xué)生。因此，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中關(guān)鍵是如何設(shè)計(jì)驗(yàn)證性基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和基本型綜合實(shí)驗(yàn)，以提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)積極性、自主性和實(shí)踐動(dòng)手能力。

一般來(lái)說(shuō)，要提高學(xué)生實(shí)踐能力，前提是學(xué)生必須動(dòng)手做，而興趣和信心是學(xué)生樂(lè)意動(dòng)手做的驅(qū)動(dòng)力，它們可以激發(fā)學(xué)生的求知欲，推動(dòng)他們?nèi)ヌ骄亢蛯W(xué)習(xí)，進(jìn)而發(fā)展他們分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力。而逆向思維是一種具有啟發(fā)性、創(chuàng)造性、靈活性的求異思維，同時(shí)也是提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的一種重要方法[4]。逆向思維設(shè)計(jì)法是從相反方向思考問(wèn)題，是運(yùn)用顛倒過(guò)來(lái)的思維方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，打破正向思維所形成的思維定勢(shì)，克服思維的“框框”，從而取得一定的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成果[5]。這種方法在中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中已經(jīng)被廣泛研究和應(yīng)用，它不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力，而且還使教學(xué)效果事半功倍。在物理學(xué)史上，法拉第提出“把磁轉(zhuǎn)變成電”的思想，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了各種實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，就是一例?？梢?jiàn)，逆向思維對(duì)于培養(yǎng)應(yīng)用性和創(chuàng)造性人才有著重要的作用。因此，在工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)中試圖打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式以逆向思維進(jìn)行實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以增加學(xué)生實(shí)驗(yàn)積極性，提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)。

2 逆向思維在工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 逆向思維設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

1.在碳鋼的試樣硬度測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)的常規(guī)設(shè)計(jì)方法是根據(jù)已知的試驗(yàn)材料和所給定的硬度試驗(yàn)法，分別去測(cè)定不同材料的硬度值，然后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和討論，比較不同含碳量的鋼的硬度值與WC的關(guān)系。而采用逆向思維的設(shè)計(jì)方法是給定學(xué)生三種或多種未知型號(hào)試驗(yàn)材料，按所給定的硬度試驗(yàn)法，分別去測(cè)定其硬度值，然后通過(guò)測(cè)試的結(jié)果去分析并推斷試樣材料型號(hào)。

2.在碳鋼的金相試樣的制備及平衡組織觀察實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)的常規(guī)設(shè)計(jì)方法是先制備一已知材料的金相試樣，然后進(jìn)行金相試樣平衡組織觀察，并將觀察到的金相圖用示意圖表示，最后通過(guò)金相圖去比較和分析含碳量不同的鋼的組織是什么，以及含碳量對(duì)組織的影響。而采用逆向思維的設(shè)計(jì)方法是先制備一未知的金相試樣，然后進(jìn)行金相試樣平衡組織觀察，并將觀察到的金相圖用示意圖表示，同時(shí)還要求學(xué)生由觀察到的金相試樣平衡組織圖去判定試樣是所指定的哪種材料。

3.在碳鋼的熱處理實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)的常規(guī)設(shè)計(jì)方法是根據(jù)制定好的工藝要求分別對(duì)某種或多種碳鋼進(jìn)行熱處理，并測(cè)定試樣熱處理前后的硬度值，然后通過(guò)金相試樣制備及組織觀察，分析其所獲得的組織，具體操作和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表1所示。

表1 常規(guī)設(shè)計(jì)的碳鋼的熱處理實(shí)驗(yàn)表

而采用逆向思維的設(shè)計(jì)方法是根據(jù)已知組織，要求學(xué)生去制定相應(yīng)的熱處理工藝條件，并對(duì)試樣進(jìn)行熱處理，同時(shí)測(cè)定其熱處理前后的硬度值，具體操作和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。

表2 逆向思維設(shè)計(jì)的碳鋼的熱處理實(shí)驗(yàn)表

表1和表2均為碳鋼熱處理實(shí)驗(yàn)的表格，兩者的區(qū)別是：表1是直接給出熱處理工藝參數(shù)（即淬火加熱溫度及保溫時(shí)間），讓學(xué)生根據(jù)熱處理工藝參數(shù)進(jìn)行熱處理實(shí)驗(yàn)及組織觀察，并將得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入相應(yīng)的表格內(nèi)；表2是先已知要得到的組織，讓學(xué)生自己去制定熱處理工藝參數(shù)，并根據(jù)制定的熱處理工藝參數(shù)進(jìn)行熱處理實(shí)驗(yàn)，并將得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入表格內(nèi)。

2.2 逆向思維設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)分析

在碳鋼的試樣硬度測(cè)試實(shí)驗(yàn)和金相試樣制備及平衡組織觀察實(shí)驗(yàn)中，同樣是基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，常規(guī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方式是對(duì)已知材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)果，驗(yàn)證理論教學(xué)的內(nèi)容。而基于逆向思維的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，是對(duì)未知材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得出相應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)果，結(jié)合理論教學(xué)的知識(shí)去推斷材料。常規(guī)實(shí)驗(yàn)方式往往學(xué)生做完了，也不知道自己做了什么，只是簡(jiǎn)單操作了一遍，而后者則是首先設(shè)置了懸念，讓學(xué)生帶著好奇心去做，并且對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行了應(yīng)用，加深了理論的學(xué)習(xí)和印象，效果顯然好于前者。

在碳鋼的熱處理實(shí)驗(yàn)中，常規(guī)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方式是給定材料，給定冷卻方式，由相應(yīng)的冷卻方式獲得相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果（即組織和硬度），然后去分析冷卻速度對(duì)組織與性能的影響。其結(jié)果是學(xué)生只是明白了冷卻速度對(duì)組織與性能的影響，對(duì)什么條件下獲得什么組織并沒(méi)有掌握。而逆向思維的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是給定材料，并且給定所需要獲得組織，引導(dǎo)學(xué)生去確定合適的溫度，選擇合適的冷卻介質(zhì)，以獲得給定的組織，并測(cè)試相應(yīng)的性能。這讓學(xué)生非常清楚如何獲得所需要的組織，從而獲得所需要的性能，對(duì)提高學(xué)生制定熱處理工作非常有幫助。對(duì)學(xué)生而言，這種逆向思維設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的方法較給定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和技術(shù)路線(xiàn)的實(shí)驗(yàn)方法的難度要低，對(duì)本校學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作具有可行性。

2.3 逆向思維實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

將常規(guī)設(shè)計(jì)方法和逆向思維設(shè)計(jì)的方法應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐，并對(duì)參加常規(guī)方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的班級(jí)（2011級(jí)光伏專(zhuān)業(yè)）與逆向思維方法設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)的班級(jí)（2012級(jí)光伏專(zhuān)業(yè)）進(jìn)行了問(wèn)卷調(diào)查，主要調(diào)查內(nèi)容及結(jié)果如表3和表4所示。

從項(xiàng)目3的調(diào)查數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，2011級(jí)掌握“含碳量對(duì)鋼硬度的影響”這一知識(shí)點(diǎn)的學(xué)生數(shù)所占比例為20%，而2012級(jí)為52.5%，逆向思維設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果是常規(guī)設(shè)計(jì)方法的2.6倍，這大大加深了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解。從項(xiàng)目6的調(diào)查數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，2011級(jí)認(rèn)為實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力和綜合知識(shí)應(yīng)用能力收益較多學(xué)生數(shù)比例占60%，而2012級(jí)占72.5%，可見(jiàn)逆向思維的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力是有較大的提高，學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和應(yīng)用也得到了很大的提高。因此，在工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中采用逆向思維設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)在加深課程理論學(xué)習(xí)、提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力、提高學(xué)生積極性等方面都起到了較大作用。

表3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)調(diào)查內(nèi)容

表4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)調(diào)查結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐證明，在工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用逆向思維設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)是一種有效的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，在提高學(xué)生的積極性和自主性的同時(shí)提高了教學(xué)質(zhì)量。值得指出的是，逆向思維實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的應(yīng)用是對(duì)本校學(xué)生少數(shù)班級(jí)進(jìn)行實(shí)踐，研究結(jié)果有可能失之片面。

[1]趙漢雨，王棟，李云東.《機(jī)械工程材料》實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010（3）.

[2]肖宏濱，王長(zhǎng)生，王順興.《機(jī)械工程材料學(xué)》綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2006（3）.

[3]傅樂(lè)榮，李堯，余五新.應(yīng)用型高校工程材料與熱處理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探討和實(shí)踐[J].教育與職業(yè)，2011(9）.

[4]秦水輝.物理教學(xué)中逆向思維能力的“三結(jié)合”培養(yǎng)[J].吉林廣播電視大學(xué)學(xué)報(bào)，2013(2）.

[5]李平.創(chuàng)造性思維在化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].化學(xué)教育，2010（11).

（責(zé)任編輯：陳 輝）

Application of Reverse Thinking in the Experiment Teaching of Mechanical Engineering Materials

GUO Fang-fang
(School of Mechanical,Jiangxi University of Technology,Nanchang 330098,China)

In experiment teaching of engineering materials,combining with the teaching status and characteristics of students,this paper proposes the concept of reverse thinking to design experiment in experiment teaching.The reverse thinking method of experimental design has mainly been used in some validation experiments and basic comprehensive experiments,and it is also applied to teaching practice.Practice survey results show that the method of reverse thinking used in design experiments can improve the students’experimental initiative,autonomy and practice ability,deepen the students’understanding and application of theoretical knowledge,significantly improve the quality of experimental teaching.

reverse think;experimental design;experiment teaching

A

123(2015)01-0019-03

2014-04-04

郭芳芳（1981-），女，江西吉安人，江西科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，講師，碩士。研究方向：材料成型及相關(guān)材料應(yīng)用。