“論擬驗(yàn)踐”四面體教學(xué)模式的探索與實(shí)踐

楊金水 尹昌平 邢素麗

摘要：本文結(jié)合材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)的實(shí)踐，探討了以理論教學(xué)、虛擬仿真教學(xué)、綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)等四要素為基本單元的“論擬驗(yàn)踐”四面體教學(xué)模式，對(duì)材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式進(jìn)行了思考和探索。

關(guān)鍵詞：材料科學(xué)與工程；教學(xué)模式；論擬驗(yàn)踐

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）47-0127-03

“論擬驗(yàn)踐”四面體教學(xué)模式：“論”即理論教學(xué)；“擬”即虛擬仿真教學(xué)，利用虛擬實(shí)驗(yàn)室在有限的課堂授課時(shí)間和實(shí)驗(yàn)條件下建立基礎(chǔ)理論與實(shí)踐的關(guān)系，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解；“驗(yàn)”即綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)，例如通過(guò)綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)完成材料教學(xué)六個(gè)基本單元“觀察材料行為-材料行為模型化-結(jié)構(gòu)單元分析-結(jié)構(gòu)分析-結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-構(gòu)件制造”的閉環(huán)教學(xué)實(shí)踐；“踐”即實(shí)踐教學(xué)，例如利用科研項(xiàng)目、研究競(jìng)賽、企業(yè)合作等機(jī)會(huì)和案例，在綜合實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)行科研訓(xùn)練和實(shí)踐教學(xué)?！罢摂M驗(yàn)踐”的四面體關(guān)系如圖1所示。

“論擬驗(yàn)踐”四個(gè)方面的教學(xué)，既是一個(gè)“四面體”的關(guān)系，又是層層遞進(jìn)的關(guān)系。理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)之間，有實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為過(guò)渡，實(shí)驗(yàn)教學(xué)有虛擬和綜合相互補(bǔ)充，構(gòu)成一個(gè)整體，從而有助于提高學(xué)生的綜合能力。筆者長(zhǎng)期從事復(fù)合材料專(zhuān)業(yè)教學(xué)工作，對(duì)“論擬驗(yàn)踐”四面體教學(xué)模式的探索和實(shí)踐，有些微體會(huì)。

一、理論教學(xué)

理論教學(xué)通常以課堂講授為主，重點(diǎn)和核心是知識(shí)體系和教學(xué)內(nèi)容。構(gòu)建知識(shí)框架，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，體現(xiàn)材料科學(xué)的核心和科學(xué)邏輯，教學(xué)知識(shí)模塊應(yīng)綜合考慮以下幾點(diǎn)：

1.材料科學(xué)與工程四要素的內(nèi)在聯(lián)系。材料科學(xué)與工程的四要素[1]分別是組成、制備、結(jié)構(gòu)、性能。組成包括原子、分子、配比、組份等；制備工藝有固相法、液相法和氣相法，也可分為化學(xué)法和物理法；結(jié)構(gòu)分為微觀結(jié)構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)，而宏觀結(jié)構(gòu)取決于微觀結(jié)構(gòu)，微觀結(jié)構(gòu)包括原子的排列方式，理想的完整結(jié)構(gòu)、不完整結(jié)構(gòu)、原子和分子的運(yùn)動(dòng)、材料的變形和回復(fù)、再結(jié)晶等；性能包括本征性能和使用性能。四要素中制備工藝取決于組成成分，組成和制備決定組織結(jié)構(gòu)，而性能取決于組成、制備和結(jié)構(gòu)，基本關(guān)系可用四面體結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述如圖2所示。

構(gòu)建理論教學(xué)知識(shí)框架，精選和優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，遵循的基本原則即是材料科學(xué)與工程四要素的內(nèi)在聯(lián)系。以材料科學(xué)基礎(chǔ)課程為例，以材料成分—組織結(jié)構(gòu)—制備工藝—性能之間的關(guān)系作為主線，提煉出材料的共性規(guī)律（如相變規(guī)律），并輔以包括晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷、金屬凝固、二元和三元合金相圖、金屬材料中的塑性變性與斷裂、回復(fù)與再結(jié)晶、擴(kuò)散、金屬固態(tài)相變等的相關(guān)內(nèi)容[2]，適當(dāng)?shù)卦黾优c課程內(nèi)容相關(guān)的材料實(shí)例來(lái)進(jìn)一步闡明材料的成分、組織結(jié)構(gòu)、制備工藝和性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，增強(qiáng)學(xué)生的理解能力[3]。

2.“熱—力—界面—老化”科學(xué)問(wèn)題。材料科學(xué)與工程的基本科學(xué)問(wèn)題，總結(jié)起來(lái)無(wú)外乎“熱、力、界面、老化”等四個(gè)方面的科學(xué)問(wèn)題。構(gòu)建理論教學(xué)知識(shí)框架，精選和優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，以四要素為主線，重點(diǎn)闡明“熱-力-界面-老化”科學(xué)問(wèn)題、科學(xué)規(guī)律和科學(xué)本質(zhì)。培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用熱學(xué)知識(shí)、力學(xué)知識(shí)、界面物理化學(xué)知識(shí)和老化理論知識(shí)分析材料科學(xué)與工程的科學(xué)規(guī)律，揭示材料學(xué)規(guī)律，培養(yǎng)材料新技術(shù)創(chuàng)新意識(shí)和能力。

3.前沿理論和技術(shù)。材料學(xué)科理論教學(xué)的知識(shí)體系和教學(xué)內(nèi)容，除了系統(tǒng)性、科學(xué)性和邏輯性之外，必須始終緊跟學(xué)科前沿，結(jié)合本學(xué)科特色，精選與本學(xué)科知識(shí)體系密切相關(guān)的學(xué)術(shù)成果，實(shí)時(shí)更新并補(bǔ)充到教學(xué)內(nèi)容中。例如，本學(xué)科彭超義副教授近期在《Nature Materials》上發(fā)表的關(guān)于超疏水復(fù)合材料的相關(guān)理論和技術(shù)，補(bǔ)充到表面物理化學(xué)基礎(chǔ)課程內(nèi)容里，既可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，又可以拓展學(xué)生視野，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力和創(chuàng)新自信。

二、虛擬仿真教學(xué)

虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念是1989年由美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)William Wolf提出的，是除理論與實(shí)驗(yàn)之外的第3種設(shè)計(jì)手段和形式，是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所生成的虛擬仿真環(huán)境實(shí)驗(yàn)室，該環(huán)境雖然是虛擬環(huán)境，但具備逼真的視、聽(tīng)和觸覺(jué)，就像熱門(mén)游戲界面，用戶(hù)能夠與虛擬實(shí)驗(yàn)室中的虛擬空間、儀器設(shè)備、材料工裝等交互，從而在虛擬仿真環(huán)境中完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、操作、驗(yàn)證、運(yùn)行、測(cè)試、表征和評(píng)估等實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的。虛擬仿真教學(xué)的突出特點(diǎn)是：（1）無(wú)時(shí)空限制，機(jī)動(dòng)靈活；（2）教學(xué)成本低，節(jié)能高效；（3）非真實(shí)接觸，安全可靠；（4）體驗(yàn)式教學(xué)，直觀自主；（5）“教—學(xué)—做”一體，教學(xué)效果好。缺點(diǎn)是某些環(huán)節(jié)缺乏真實(shí)感，操作過(guò)于機(jī)械，有待于虛擬仿真技術(shù)的進(jìn)一步提高[4，5]。

我國(guó)于2013年正式啟動(dòng)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)，許多高校根據(jù)自身科研和教學(xué)的需求，開(kāi)發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和建立虛擬實(shí)驗(yàn)室，例如清華大學(xué)、上海交通大學(xué)和國(guó)防科技大學(xué)等通過(guò)建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)效果。對(duì)于高危（放射性、易污染等）、高成本（長(zhǎng)周期以及高消耗型）、極端條件（高溫、高壓）實(shí)驗(yàn)，虛擬仿真教學(xué)可以達(dá)到接近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)的效果，并可無(wú)限制、無(wú)污染、無(wú)浪費(fèi)、安全高效地重復(fù)操作，節(jié)約教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)綠色實(shí)驗(yàn)教學(xué)[6]。

材料科學(xué)是一門(mén)實(shí)驗(yàn)性很強(qiáng)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)材料學(xué)科高素質(zhì)人才的重要實(shí)踐性環(huán)節(jié)。有些實(shí)驗(yàn)設(shè)備，由于成本和場(chǎng)地的限制，多數(shù)高校不具備，例如航空航天復(fù)合材料構(gòu)件成型的熱壓罐設(shè)備及其工藝條件。采用虛擬實(shí)驗(yàn)室卻可實(shí)現(xiàn)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅如此，還可以同時(shí)進(jìn)行成型過(guò)程中的熱力耦合仿真模擬分析，了解熱壓罐成型過(guò)程中的熱力學(xué)行為變化規(guī)律。

虛擬仿真教學(xué)作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的補(bǔ)充，已成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)了理論教學(xué)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)之間的可視化過(guò)渡，將來(lái)勢(shì)必在工業(yè)仿真、軍事模擬、城市規(guī)劃、三維游戲、教育教學(xué)等領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。

三、綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教學(xué)活動(dòng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[7]，如果說(shuō)理論教學(xué)是抽象思維、邏輯思維和科學(xué)思維的培養(yǎng)，那么實(shí)驗(yàn)教學(xué)則是感性認(rèn)知、實(shí)踐驗(yàn)證和檢驗(yàn)理論的重要途徑，這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力和解決實(shí)際問(wèn)題能力具有重要意義。材料科學(xué)與工程的綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以分為三個(gè)層次：基礎(chǔ)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)、專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和專(zhuān)業(yè)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)[8，9]。

基礎(chǔ)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖亲寣W(xué)生掌握基本工具、常見(jiàn)儀器儀表的使用及基本操作技能的訓(xùn)練，使學(xué)生對(duì)工程實(shí)際建立一種初步的感性認(rèn)識(shí)，對(duì)本專(zhuān)業(yè)的領(lǐng)域、范圍、社會(huì)分工等有初步的了解，學(xué)會(huì)自主學(xué)習(xí)和運(yùn)用實(shí)驗(yàn)方法，為今后學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。典型的實(shí)驗(yàn)如大學(xué)化學(xué)、有機(jī)無(wú)機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)及物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的基本操作和金工實(shí)習(xí)中的工藝實(shí)驗(yàn)。

專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖鞘箤W(xué)生通過(guò)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)操作和各種能力訓(xùn)練，掌握材料制備、加工、表征及性能測(cè)試的基本實(shí)驗(yàn)方法和現(xiàn)代分析技術(shù)原理。典型的實(shí)驗(yàn)如化學(xué)合成（如精細(xì)化工）、材料制備與加工（如復(fù)合材料成型、金屬材料機(jī)械加工）、材料性能測(cè)試與表征（如力學(xué)性能測(cè)試）、材料結(jié)構(gòu)表征與分析（如SEM分析）等實(shí)驗(yàn)。

專(zhuān)業(yè)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖桥囵B(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)和研究能力，做到學(xué)以致用。內(nèi)容以設(shè)計(jì)性和研究性實(shí)驗(yàn)為主，指導(dǎo)學(xué)生選擇合適的原材料、優(yōu)化制備工藝和確定檢測(cè)分析方法，自選題目、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、選擇實(shí)驗(yàn)儀器、完成實(shí)驗(yàn)操作，獨(dú)立完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)原始數(shù)據(jù)分析處理、歸納總結(jié)的能力。典型的實(shí)驗(yàn)如復(fù)合材料成型綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生分工協(xié)作，分別完成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、原材料選擇與分析、模具設(shè)計(jì)與制備、成型工藝選擇與工藝方案設(shè)計(jì)、復(fù)合材料的制備、復(fù)合材料性能測(cè)試與分析等實(shí)驗(yàn)步驟，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)閉環(huán)的綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論與實(shí)踐、知識(shí)與能力相結(jié)合的重要教學(xué)活動(dòng)，目的是培養(yǎng)出知行合一的人才。

四、實(shí)踐教學(xué)

實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題、提高就業(yè)和職業(yè)資格的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。國(guó)內(nèi)外高校歷來(lái)重視實(shí)踐教學(xué)，產(chǎn)學(xué)研合作、科研訓(xùn)練、科研競(jìng)賽、創(chuàng)新比賽、企業(yè)實(shí)習(xí)、SRTP（Student Research Training Program）項(xiàng)目和創(chuàng)業(yè)平臺(tái)等實(shí)踐教學(xué)方式蓬勃發(fā)展。這些實(shí)踐教學(xué)方式可歸納為三大類(lèi)：工程應(yīng)用實(shí)踐、科研創(chuàng)新實(shí)踐和創(chuàng)業(yè)實(shí)踐[8，9]。

工程應(yīng)用實(shí)踐是指依托各類(lèi)產(chǎn)學(xué)研平臺(tái)、工程中心、實(shí)習(xí)基地等，培養(yǎng)解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，提升工程技能和素養(yǎng)。例如通過(guò)工藝改造優(yōu)化項(xiàng)目、科技發(fā)明與制作、自主研發(fā)項(xiàng)目、橫向課題開(kāi)發(fā)、企業(yè)實(shí)習(xí)等形式進(jìn)行工程應(yīng)用實(shí)踐教學(xué)，與企業(yè)產(chǎn)學(xué)研合作，依托產(chǎn)學(xué)研平臺(tái)，聯(lián)合培養(yǎng)高素質(zhì)技術(shù)應(yīng)用型人才。

科研創(chuàng)新實(shí)踐是綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展模式，針對(duì)某一領(lǐng)域某實(shí)際問(wèn)題，自選題目并通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研了解國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，明確選題依據(jù)和意義，提煉創(chuàng)新點(diǎn)，設(shè)計(jì)研究技術(shù)路線和技術(shù)方案，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)或利用現(xiàn)有平臺(tái)的儀器設(shè)備，優(yōu)選原材料，自主開(kāi)展研究和技術(shù)攻關(guān)，總結(jié)和撰寫(xiě)技術(shù)報(bào)告或?qū)W術(shù)論文，發(fā)表交流，直至完成一項(xiàng)科研創(chuàng)新實(shí)踐。典型的方式如科研訓(xùn)練、科研競(jìng)賽（如挑戰(zhàn)杯）、畢業(yè)設(shè)計(jì)等，通過(guò)一個(gè)完整的科研實(shí)踐過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，掌握信息調(diào)研、科技查新、技術(shù)攻關(guān)、研究總結(jié)、學(xué)術(shù)交流等創(chuàng)新技能，進(jìn)而提高學(xué)生創(chuàng)新能力[10]。

創(chuàng)業(yè)實(shí)踐教學(xué)，顧名思義，高校通過(guò)推出創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)業(yè)實(shí)踐，是近年來(lái)比較熱門(mén)的實(shí)踐教學(xué)方式。

五、結(jié)語(yǔ)

“論擬驗(yàn)踐”四面體教學(xué)模式，將理論教學(xué)、虛擬仿真教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)融合為一個(gè)整體，這對(duì)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，提高學(xué)生的動(dòng)手操作能力和利用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)、科學(xué)意識(shí)和探索精神，提高學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力具有重要意義。為學(xué)生今后走向社會(huì)、服務(wù)社會(huì)，充分發(fā)揮自身價(jià)值奠定良好基礎(chǔ)。

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