材料科學(xué)與工程專業(yè)新型實驗教學(xué)體系改革淺析

毛衛(wèi)國+戴翠英+陳尚達+龔躍球+龍士國+趙瑤香+宋婧

[摘要]分析了當(dāng)前國內(nèi)材料科學(xué)工程專業(yè)實驗教學(xué)的現(xiàn)狀與存在的主要問題，依托湘潭大學(xué)“材料科學(xué)與工程”一級博士點學(xué)科平臺，推動材料科學(xué)與工程專業(yè)實驗教學(xué)內(nèi)容、項目類型、教學(xué)方法和評價機制等方面進行嘗試性改革，主張以科研引領(lǐng)教學(xué)的實驗教學(xué)理念，著重培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力，探索出一條適合地方性綜合大學(xué)的實驗教學(xué)方法。

[關(guān)鍵詞]材料科學(xué)與工程；實驗教學(xué)；改革；創(chuàng)新

[中圖分類號]G642.0[文獻標(biāo)識碼]A[文章編號]10054634（2016）05005404

0引言

材料學(xué)科是一門實踐性較強的傳統(tǒng)學(xué)科，實驗教學(xué)已成為材料與科學(xué)專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)非常重要的部分[1]。在材料學(xué)科快速發(fā)展的過程中，材料專業(yè)實驗教學(xué)工作存在教學(xué)時數(shù)偏少、教學(xué)內(nèi)容滯后、教學(xué)設(shè)備陳舊、學(xué)生考評機制單一等問題，進而直接影響專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的實現(xiàn)和創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，限制了實驗教學(xué)作用的發(fā)揮[26]。在“十三五”期間，如何探索材料科學(xué)與工程專業(yè)實驗教學(xué)體系改革，如何有效更新實驗課程體系、實驗內(nèi)容與實驗教學(xué)方法，已成為當(dāng)前材料專家、學(xué)者積極面對的熱點問題。建立新穎的實驗教學(xué)指導(dǎo)方案，適應(yīng)現(xiàn)代高等教育發(fā)展的客觀要求，有助于厚基礎(chǔ)、寬專業(yè)、強能力、高素質(zhì)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)[2，4，5，7]。本文依托湘潭大學(xué)多個省部級學(xué)科平臺，在材料科學(xué)與工程專業(yè)實驗教學(xué)內(nèi)容、項目類型、教學(xué)方法和評價機制等方面進行嘗試性改革，有望提升地方性綜合大學(xué)的實驗教學(xué)質(zhì)量。

1湘潭大學(xué)材料科學(xué)與工程實驗教學(xué)的改革與創(chuàng)新學(xué)校材料科學(xué)與工程學(xué)科依托材料科學(xué)與工程學(xué)院的師資力量，以及“一般力學(xué)與力學(xué)基礎(chǔ)”國家重點學(xué)科、“材料科學(xué)與工程”一級學(xué)科博士點、博士后流動站、“特種功能薄膜材料”國家地方聯(lián)合工程實驗室、“薄膜材料及器件”湖南省重點實驗室、“裝備用關(guān)鍵薄膜材料及應(yīng)用”湖南省國防科技重點實驗室、 “低維材料及其應(yīng)用技術(shù)”教育部重點實驗室、“材料設(shè)計及制備技術(shù)”湖南省重點實驗室等一批良好的學(xué)科平臺，逐步形成了裝備用關(guān)鍵材料及工程化應(yīng)用、低維材料及其應(yīng)用技術(shù)、薄膜材料與器件力學(xué)、材料設(shè)計與加工四個代表性的學(xué)科方向，形成了以材料、力學(xué)、物理、化學(xué)、電子等多學(xué)科交叉的材料學(xué)科體系。2008年，教育部批準(zhǔn)立項成立了湘潭大學(xué)材料科學(xué)與工程實驗教學(xué)示范中心，為國家級材料類實驗教學(xué)示范中心建設(shè)單位。該中心面向材料科學(xué)與工程一級學(xué)科，立足特殊涂層薄膜材料、航天航空用無機非金屬材料工程、關(guān)鍵金屬材料工程、先進復(fù)合材料工程、材料物理、材料化學(xué)等材料類二級學(xué)科專業(yè)。目前，該學(xué)科已成為湘潭大學(xué)學(xué)科發(fā)展的重要力量，致力于培養(yǎng)基礎(chǔ)知識扎實，能在材料結(jié)構(gòu)設(shè)計制備、性能表征、工程化應(yīng)用等領(lǐng)域從事科學(xué)研究、教學(xué)、科技開發(fā)及相關(guān)管理等方面的復(fù)合型人才。然而，近幾年實驗教學(xué)情況分析顯示，原有的實驗教學(xué)體系難以跟上當(dāng)前材料學(xué)科快速發(fā)展趨勢和社會需求，不利于材料專業(yè)學(xué)生的能力培養(yǎng)、繼續(xù)深造和社會就業(yè)。因此，逐步對材料科學(xué)與工程專業(yè)的實驗教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、評價機制等進行了嘗試性探索和改革，預(yù)期得到一些可行的教學(xué)經(jīng)驗。

1.1整合和提升實驗教學(xué)內(nèi)容

從2010年開始，教研組通過調(diào)研該專業(yè)國內(nèi)外發(fā)展趨勢和特點，整合現(xiàn)有的實驗教學(xué)項目，補充和完善新興實驗教學(xué)內(nèi)容，從廣度、深度及實際解決問題的角度進行實驗教學(xué)改革，加強多學(xué)科之間的交叉[4]，突出改革的整體性、綜合性和實踐運用，完善整個實驗課程教學(xué)體系，整合原來分散的、與理論課對應(yīng)的實驗課，分層次組織實驗教學(xué)[4，6]。按照4∶3∶3比例，實驗教學(xué)內(nèi)容體系分為基礎(chǔ)類、綜合類和創(chuàng)新類3種類型。

1） 基礎(chǔ)類實驗主要是加深學(xué)生對課本基礎(chǔ)理論知識的理解，在實驗中檢驗相關(guān)定律、定理和基本概念，掌握基本實驗操作方法，具有一定的實驗操作技能，該層次主要通過設(shè)置的“材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)實驗”課程實現(xiàn)。該實驗類型包括材料基本理論驗證實驗、材料微觀結(jié)構(gòu)實驗、材料性能實驗（光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)等）、材料研究方法實驗、材料力學(xué)性能實驗（強度、斷裂韌性、殘余應(yīng)力、彈性模量等），結(jié)合現(xiàn)代分析測試儀器，建立從化學(xué)成分分析到材料微觀結(jié)構(gòu)分析的實驗平臺。在專業(yè)培養(yǎng)方案中，增加了實驗教學(xué)時數(shù)的比例，略微降低課堂教學(xué)時數(shù)，加強學(xué)生的實驗手段、方法和儀器操作技能的培養(yǎng)。從實驗教學(xué)出發(fā)，讓學(xué)生掌握扎實的基礎(chǔ)知識，提高學(xué)生的動手能力和獨立思考的能力[8]。

2） 綜合類實驗是指根據(jù)材料學(xué)科發(fā)展趨勢，以及本教研組學(xué)科方向的發(fā)展規(guī)劃，實現(xiàn)不同專業(yè)、不同學(xué)科間的交叉滲透和輻射作用，形成跨學(xué)科、跨專業(yè)的交叉學(xué)科實驗項目。從教研組成員的科研課題中提煉出新的實驗設(shè)備方案，應(yīng)用新的實驗測試技術(shù)，搭建新的實驗平臺，研發(fā)出新功能的實驗儀器設(shè)備，完善綜合類實驗項目，加強學(xué)生工程意識的培養(yǎng)，致力于加強學(xué)生動手能力、解決問題的能力，強化學(xué)生的工程意識。代表性的新型綜合類實驗有：靜電紡絲法制備納米材料、智能材料力電磁熱耦合性能研究、數(shù)字圖像散斑法在材料力學(xué)性能測試中的應(yīng)用、基于維氏壓痕法脆性涂層材料斷裂韌性和殘余應(yīng)力壓痕法實驗分析等、復(fù)雜環(huán)境下材料宏微觀變形測試分析、高溫環(huán)境下材料壓痕測試分析等。

3） 創(chuàng)新類實驗主要依托教研組的科研項目和各種實驗競賽（例如大學(xué)生創(chuàng)新項目、全國“挑戰(zhàn)杯”競賽等），培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的能力。目前，教研組主要根據(jù)教研組教師所獲資助的材料，力學(xué)、化學(xué)、機械等交叉學(xué)科方面的科研課題，把創(chuàng)新性較好的實驗測試課題分解成難度適中、數(shù)量適當(dāng)?shù)膭?chuàng)新型實驗題目，并發(fā)布給學(xué)生。根據(jù)發(fā)布的信息，學(xué)生自由組隊或教師協(xié)助指定分組，雙方確定感興趣的實驗研究主題框架和內(nèi)容。然后根據(jù)實驗測試所涉及的研究背景，主動查閱相關(guān)文獻，結(jié)合專業(yè)知識，設(shè)計合理的實驗方案。在實驗指導(dǎo)教師的幫助下，組裝現(xiàn)有的儀器設(shè)備，完成相關(guān)實驗測試，并進一步分析實驗測試結(jié)果，得出這個方面的研究結(jié)論，甚至達到能夠發(fā)表學(xué)術(shù)論文的水平。這種創(chuàng)新類的實驗訓(xùn)練鼓勵學(xué)生和指導(dǎo)教師共同協(xié)商選題，大力培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新素質(zhì)、實踐能力和思考能力。

1.2多種實驗教學(xué)方法和評價機制互補

1） 編寫實驗講義。根據(jù)實驗教學(xué)項目的設(shè)計及發(fā)展規(guī)劃，刪除或更新原來過舊的實驗講義，補充新實驗項目匹配的實驗講義，實現(xiàn)教材指導(dǎo)資料多樣性。實驗講義不僅體現(xiàn)了課程理論課程的教學(xué)內(nèi)容和關(guān)鍵點，而且融合了多學(xué)科、新型實驗技術(shù)和方法、新型實驗測試設(shè)備，緊跟材料發(fā)展前沿以及國家中長期發(fā)展規(guī)劃，提煉出新的實驗教學(xué)內(nèi)容。例如，教研組周益春教授編寫了《材料的宏微觀力學(xué)性能實驗指導(dǎo)》，已成為國家精品課程、國家“十一五”規(guī)劃教材《材料的宏微觀力學(xué)性能》的配套實驗指導(dǎo)教材。該實驗指導(dǎo)書共分3部分：基礎(chǔ)性實驗部分、綜合性實驗部分和創(chuàng)新性實驗部分；全書共45個實驗，涉及硬度、斷裂韌性和殘余應(yīng)力的常規(guī)力學(xué)性能測試，完善了金屬材料的疲勞、蠕變、腐蝕實驗測試，智能薄膜材料、功能陶瓷材料、高分子材料和復(fù)合材料界面力學(xué)性能測試分析等。

2） 多樣化的教學(xué)方法。對于基礎(chǔ)類和綜合類實驗教學(xué)，一般是指導(dǎo)教師或助教先講解實驗測試原理，然后親自操作一遍整個實驗過程，并同時講解實驗過程中應(yīng)該注意的事項，對關(guān)鍵環(huán)節(jié)、關(guān)鍵知識點，及時提問學(xué)生，學(xué)生現(xiàn)場作答，加深對課程知識的運用和掌握。在學(xué)生分組動手做實驗環(huán)節(jié)，及時糾正學(xué)生在試驗過程中出現(xiàn)的不規(guī)范操作和錯誤操作，全程監(jiān)護學(xué)生實驗過程，防止發(fā)生人身意外和損壞實驗設(shè)備等。對于創(chuàng)新類實驗教學(xué)，由于對所涉及的知識點要求提高，結(jié)合具體的實驗項目類型，一般先讓學(xué)生查閱相關(guān)文獻資料，以便了解所研究測試的主題背景、測試內(nèi)容及數(shù)據(jù)分析。然后類似于上述的實驗教學(xué)方式，在指導(dǎo)教師的幫助下，一起完成具體的科研測試，確保實驗結(jié)果可性度。

3） 多種實驗教學(xué)考核方式互補。學(xué)生的實驗成績和評價標(biāo)準(zhǔn)與實驗項目的類型緊密相關(guān)，不同于原來只看實驗報告的那種單一評價模式。對于基礎(chǔ)類實驗成績評價，主要參考學(xué)生的實驗操作能力、實驗結(jié)果分析程度、實驗報告規(guī)范程度。對于綜合類和創(chuàng)新類實驗成績的評價，主要考察學(xué)生對所研究的主題理解程度，對文獻的調(diào)研能力、消化能力、問題提煉能力，在實驗中的創(chuàng)新程度。同時，參考實驗數(shù)據(jù)分析水平。對于表現(xiàn)突出，參與發(fā)表了學(xué)術(shù)論文的學(xué)生，成績從優(yōu)。另外，學(xué)生通過創(chuàng)新類實驗項目積累的相關(guān)科研工作經(jīng)驗，或者參與發(fā)表的相關(guān)學(xué)術(shù)成果，在學(xué)生找工作或參加研究生復(fù)試過程中發(fā)揮了重要的作用。

2實驗教學(xué)改革的進展情況

從2010年開始，教研組利用具有國際國內(nèi)先進水平的儀器設(shè)備，為本科生開設(shè)實驗項目，拓寬學(xué)生視野，提高學(xué)生創(chuàng)新研究能力。積極探索“十三五”期間材料科學(xué)與工程專業(yè)的實驗教學(xué)改革，完善多種方式互補的考評機制，激發(fā)了學(xué)生的專業(yè)興趣，提高了學(xué)生的專業(yè)水平，豐富了實驗教學(xué)經(jīng)驗。

教研組把相關(guān)科研成果逐步應(yīng)用到實驗教學(xué)改革中，取得了較好的效果。例如，“多功能一體化數(shù)字圖像小負荷維氏壓痕儀”是2011年由毛衛(wèi)國教授自主設(shè)計和研制的，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的高科技通用教學(xué)科研設(shè)備（專利號：201410260206.8，201110221197.8，ZL 201120280201.3和2012R11S048409）；該儀器順利通過了上海市計量測試技術(shù)研究院、華東國家計量測試中心的第三官方檢定，完成了湖南省科學(xué)技術(shù)成果登記，從細觀到宏觀尺度上實現(xiàn)了快速準(zhǔn)確測試脆性材料體系顯微硬度、斷裂韌性和殘余應(yīng)力3個關(guān)鍵指標(biāo)，為脆性涂層材料產(chǎn)品的相關(guān)工藝優(yōu)化、質(zhì)量檢測及可靠性評價提供了一種功能集成的實驗設(shè)備。2012年兩套設(shè)備開始服務(wù)于學(xué)校材料物理、材料科學(xué)與工程、新能源材料與器件3個本科專業(yè)，在“材料顯微硬度試驗”“脆性塊體陶瓷材料斷裂韌性測試”和“脆性涂層材料體系斷裂韌性和殘余應(yīng)力測試”3個專業(yè)實驗中發(fā)揮了重要作用。教研組編寫了配套的實驗講義，豐富了實驗類型，先后承擔(dān)了2項國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目的測試任務(wù)（1項被評為優(yōu)秀）。

對于創(chuàng)新類實驗項目，大部分學(xué)生能夠在一定時間內(nèi)協(xié)調(diào)完成實驗測試任務(wù)。部分優(yōu)秀的選題項目成功獲得了大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實驗計劃立項資助項目。例如，張瑜負責(zé)完成了“基于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的熱障涂層體系界面失效實驗表征方法研究”，并獲得2013年度大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實驗計劃項目省級優(yōu)秀結(jié)題項目。張瑜參與毛衛(wèi)國教授指導(dǎo)的創(chuàng)新類實驗項目，表現(xiàn)突出，共發(fā)表5篇學(xué)術(shù)性論文（3篇SCI和1篇EI）[913]。2013年謝慧婷承擔(dān)了“電纜電線絕緣層老化程度測試研究”、2011級李可可承擔(dān)了“1100 ℃環(huán)境下熱障涂層體系界面失效實時測試研究”、張沛然負責(zé)完成了“石墨烷的隧穿磁阻效應(yīng)與自旋閥設(shè)計”。其中李可可出色完成了所選擇的創(chuàng)新實驗，并參與發(fā)表了1篇SCI學(xué)術(shù)性文章[9]，作為湖南省僅有的2名代表之一，應(yīng)邀參加了2015年9月由教育部主辦的以“青春、夢想、創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)”為主題的第八屆全國大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)年會，并就項目成果作口頭報告。這充分說明從指導(dǎo)教師科研項目中提煉出難度適中的微型研究課題作為大學(xué)生的綜合創(chuàng)新類實驗，既培養(yǎng)了大學(xué)生的創(chuàng)新能力，又讓學(xué)生了解學(xué)科前沿動態(tài)，有利于學(xué)生就業(yè)或者直接攻讀研究生。

3結(jié)束語

在新形勢下，為滿足社會經(jīng)濟發(fā)展對材料學(xué)科專業(yè)人才的需求，全面提高畢業(yè)生的質(zhì)量，依托湘潭大學(xué)“材料科學(xué)與工程”一級學(xué)科博士點和博士后流動站、材料科學(xué)與工程國家級實驗教學(xué)示范中心、低維材料及應(yīng)用技術(shù)教育部重點實驗室和“薄膜材料及器件”湖南省重點實驗室等學(xué)科平臺，以科研項目研究成果及研制的實驗儀器設(shè)備，豐富實驗教學(xué)內(nèi)容，提升實驗教學(xué)水平和質(zhì)量，讓學(xué)生更加貼近社會實際需求，緊跟材料專業(yè)發(fā)展前沿，讓學(xué)生得到真實有效的鍛煉，有效地提高了教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)水平，正逐步探索出一條實驗教學(xué)改革新途徑。

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AbstractThe main problems of the current situation in experimental teaching of materials and science and engineering in China were analyzed in this paper.We have attempted to reform the experiment teaching content，project type，teaching method and evaluation mechanism of this major on the basis of original academic platforms at Xiangtan University.An opinion that scientific researches lead the development of experimental teaching was proposed，which was useful for improving the abilities of graduate students.A possible teaching method was summarized in this paper.

Key wordsmaterials science and engineering；experimental teaching；reformation；innovation