針對應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程實驗教學(xué)改革的探索與思考

方一航 吳建波 王宇 霍顏秋 張平 王天樂

摘要：針對“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程實驗教學(xué)中存在的問題，對原有實驗教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、設(shè)備進行了革新。除保留并改進少量經(jīng)典的驗證性小實驗外，增設(shè)了綜合性實驗，嘗試了“三動式”、“三結(jié)合”和“二平臺”三位一體的教學(xué)模式，進行了設(shè)備的資源優(yōu)化。實踐證明，通過教學(xué)改革，大大提高學(xué)生的動手能力以及分析和解決問題的能力，為其后續(xù)學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：材料科學(xué)基礎(chǔ);實驗教學(xué)改革;應(yīng)用型人才

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）43-0132-03

隨著地方應(yīng)用型本科院校的轉(zhuǎn)型發(fā)展，如何強化培養(yǎng)學(xué)生與地方社會經(jīng)濟相對應(yīng)的創(chuàng)新能力、應(yīng)用能力和實際操作能力，是目前地方應(yīng)用型高校人才培養(yǎng)亟須解決的問題[1，2]。實驗教學(xué)作為高校教學(xué)工作的重要組成部分，對培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力、科學(xué)思維方法、實踐動手能力以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)等，均具有十分重要的意義[3，4]。重視實驗教學(xué)，加強學(xué)生動手能力的訓(xùn)練和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)，已成為地方性本科院校人才培養(yǎng)的共識。

“材料科學(xué)基礎(chǔ)”是臺州學(xué)院材料類專業(yè)大一下半學(xué)期開設(shè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程從各種材料的共性基礎(chǔ)出發(fā)，闡明了材料的成分、結(jié)構(gòu)、工藝、性能之間的關(guān)系，對材料的生產(chǎn)、使用和發(fā)展具有重要指導(dǎo)意義[5]。該課程具有術(shù)語概念多、推導(dǎo)多、設(shè)計知識面廣且抽象等特點，學(xué)生在學(xué)習(xí)中易出現(xiàn)概念混淆、難以理解和學(xué)習(xí)興趣提高困難等問題。為解決這一難題，大部分高校開設(shè)了與材料科學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)配套的實驗課程。該課程的主要目的是培養(yǎng)學(xué)生的基本實驗、實踐能力，能應(yīng)用所學(xué)基本知識分析實驗現(xiàn)象，解決實驗中出現(xiàn)的問題，不僅能驗證理論教學(xué)的內(nèi)容，還能提高學(xué)生的實驗基礎(chǔ)技能。為進一步凸顯地方性本科院?！皯?yīng)用”的特征，臺州學(xué)院醫(yī)藥化工與材料工程學(xué)院材料工程系啟動材料類人才培養(yǎng)方案，將材料科學(xué)基礎(chǔ)課程實驗的學(xué)時數(shù)從原先的15學(xué)時提高至32學(xué)時，課程分兩個學(xué)期進行。學(xué)時的提高對實驗教學(xué)提出更高的要求，如新增的實驗學(xué)時如何設(shè)置實驗內(nèi)容，是否更換原先的實驗內(nèi)容，實驗教學(xué)和設(shè)備是否進一步革新。因此，如何解決這些問題，成為材料科學(xué)基礎(chǔ)課程實驗?zāi)芊襁M一步改善的一大挑戰(zhàn)[6，7]。

一、原有實驗內(nèi)容及實驗教學(xué)現(xiàn)狀

原材料工程系人才培養(yǎng)計劃中設(shè)置的材料科學(xué)基礎(chǔ)課程實驗只有2個，除了金相顯微試樣的制備與觀察、Fe-C合金相圖及平衡組織觀察等與金屬材料相關(guān)的基礎(chǔ)實驗外，材料科學(xué)基礎(chǔ)課程中相關(guān)的其他理論實驗幾乎沒有。隨著現(xiàn)代材料技術(shù)的突飛猛進，無機非金屬材料、納米材料、功能材料等新材料進入井噴式發(fā)展[8，9]，以上實驗已無法滿足其最基本的課程實驗要求，應(yīng)著重加大材料類別及相關(guān)的理論基礎(chǔ)實驗。

（一）實驗內(nèi)容單一且相似度高

原實驗項目大多為驗證性實驗，僅針對金屬材料進行必要的金相制備、組織分析，常常出現(xiàn)理論知識點相近的基礎(chǔ)實驗項目，但材料科學(xué)基礎(chǔ)課程中出現(xiàn)的相關(guān)章節(jié)理論知識難點均未涉及，比如晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷、相平衡及相圖、擴散定理等。以上知識點是材料科學(xué)基礎(chǔ)的核心，缺乏知識點的融會貫通，不利于對材料核心知識點的掌握。

（二）實驗教學(xué)模式缺乏創(chuàng)新

實驗教學(xué)模式大多采用陳舊的教科書式教學(xué)：首先，對理論知識點進行詳細(xì)講解，從實驗?zāi)康?、原理、操作、注意事項等進行闡述;然后，在實驗教師的指導(dǎo)下，學(xué)習(xí)實驗步驟及注意事項;最后，按照實驗指導(dǎo)書及上課內(nèi)容按部就班地進行基礎(chǔ)實驗。通過一堂課的實驗學(xué)習(xí)，學(xué)生只知道其然，而不知道其所以然，不能充分掌握所學(xué)的理論知識點。

（三）實驗設(shè)備陳舊且臺套數(shù)不足

由于對材料科學(xué)基礎(chǔ)實驗室的重視度不足，原先實驗室配置的金相顯微鏡、磨拋機等設(shè)備基本都是2003—2006年購買的老舊設(shè)備，經(jīng)常出現(xiàn)照明燈失明、目鏡及物鏡磨損嚴(yán)重導(dǎo)致觀察視野模糊、目鏡轉(zhuǎn)換系統(tǒng)失靈等問題。因此，學(xué)生上課時間延長，非教學(xué)問題眾多，嚴(yán)重影響教學(xué)質(zhì)量。

二、實驗教學(xué)改革的探索與思考

針對上述實驗問題，結(jié)合我校其他學(xué)院實驗教學(xué)中心的經(jīng)驗以及調(diào)研其他兄弟院校，材料工程實驗室對原有材料科學(xué)基礎(chǔ)實驗進行了改革，以期滿足地方性應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)要求，充分發(fā)揮實驗教學(xué)在專業(yè)教學(xué)中的作用。

（一）實驗項目的革新

在原材料科學(xué)基礎(chǔ)實驗項目的基礎(chǔ)上，增加典型金屬晶體結(jié)構(gòu)堆垛模型分析、單晶硅片位錯蝕坑的觀察、金屬表面滲鍍層的顯微組織觀察、氯化銨飽和溶液的結(jié)晶、Pb-Sn二元相圖的測定、金屬塑性變形及再結(jié)晶、金屬材料的熔煉與鑄錠、材料密度和吸水率及氣孔率的測定等實驗項目。這不僅保留了能加深學(xué)生對經(jīng)典基礎(chǔ)理論知識理解的驗證性實驗，還增加了側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生綜合實踐能力的綜合性實驗。如單晶硅片位錯蝕坑的觀察實驗，學(xué)生通過動手操作切割、清洗、腐蝕、觀察單拋硅片等實驗步驟，理解了晶體線缺陷的理論知識點，學(xué)會了如何通過實驗了解更多材料理論知識點的方法。課堂結(jié)束后，學(xué)生都意猶未盡，基本消除剛開始接觸晶體缺陷理論知識的迷茫。

（二）實驗課堂教學(xué)攻略

傳統(tǒng)的預(yù)習(xí)、理論講解、實驗操作等教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生做完實驗后常常不知道做此實驗的目的、意義。為進行課堂教學(xué)改革，我們嘗試了“三動式”、“三結(jié)合”和“二平臺”三位一體的教學(xué)模式，極大提高教學(xué)質(zhì)量，深受學(xué)生歡迎[10，11]。“三動式”是指“互動、聯(lián)動和滾動”，其實質(zhì)就是注重調(diào)動學(xué)生主動參與的積極性，突出表現(xiàn)教學(xué)觀的與時俱進?！盎印笔侵笇W(xué)生與教師相互交流，相互碰撞，相互啟發(fā)，達成共識;“聯(lián)動”是指促進課堂教學(xué)與社會實踐的有機結(jié)合和良性結(jié)合;“滾動”是指挖掘和盤活學(xué)生中蘊藏的自我教育資源，增強教育影響力?！叭Y(jié)合”是指系統(tǒng)學(xué)習(xí)和專題講授相結(jié)合、課堂理論教學(xué)與現(xiàn)代化教學(xué)手段相結(jié)合、課堂學(xué)習(xí)與課外學(xué)習(xí)相結(jié)合?！岸脚_”是指通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源信息發(fā)布，形成一個開放式的輔助教學(xué)平臺，延伸課堂教學(xué)內(nèi)容，搭建師生互動平臺。通過以上教學(xué)方式的改革，實驗課堂充滿生機，學(xué)生滿載而歸。

（三）舊設(shè)備的再利用和新設(shè)備的更新

為提高設(shè)備的利用率以及助力實驗項目順利開展，實驗室進行了設(shè)備資源的優(yōu)化。如金相顯微鏡過于陳舊，基本購置于2003年，但是丟棄屬于國家資產(chǎn)的流失，因此我們開發(fā)了氯化銨飽和溶液的結(jié)晶實驗。本實驗?zāi)康闹饕怯^察材料的結(jié)晶過程及其晶體組織特征，由于原先金屬材料的結(jié)晶過程實驗溫度過高，不利于結(jié)晶實驗的觀察，因此采用硫酸鋅飽和溶液的常溫結(jié)晶觀察。為能有效提高觀察質(zhì)量，在原先金相顯微鏡的基礎(chǔ)上，增加了簡易電子顯微攝像系統(tǒng)。除此之外，實驗室根據(jù)最新的網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)需求，新增了金相多媒體實驗室，配備了金相多媒體系統(tǒng)和模擬軟件系統(tǒng)[12，13]。此實驗室既解決了因?qū)嶒瀳龅夭蛔銓?dǎo)致的實驗效率問題，也將教師的傳統(tǒng)教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)有機結(jié)合起來，提高了教學(xué)效果。另外，通過開設(shè)部分教學(xué)動畫、錄像等演示實驗替代部分驗證性實驗，將有限經(jīng)費盡可能投入綜合性、設(shè)計性實驗教學(xué)，有效提高資金使用效率和實際教學(xué)效果。

三、教學(xué)實驗改革的預(yù)期效果

我院材料科學(xué)基礎(chǔ)課程實驗開設(shè)在第二學(xué)期，是材料類本科生接觸的第一門專業(yè)基礎(chǔ)課程實驗。它原先是主要圍繞金屬材料的實驗項目，課程理論知識點較多，學(xué)生往往出現(xiàn)踏出實驗室即遺忘的現(xiàn)象。經(jīng)過實驗教學(xué)改革，學(xué)生的創(chuàng)新能力、動手能力得到極大提升，實驗教學(xué)改革成效初顯。

（一）調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識的積極性

材料科學(xué)基礎(chǔ)實驗課程中的實驗項目大多根據(jù)核心理論知識難點開設(shè)，匹配度高。學(xué)生通過實驗的講解、互動、操作，把握住關(guān)鍵知識。課程實驗完成后，學(xué)生還會積極主動去圖書館或網(wǎng)上查閱資料，自行安排時間再度完成實驗操作，實現(xiàn)從要做實驗到自己想做實驗的態(tài)度轉(zhuǎn)變。

（二）實驗內(nèi)容合理，驗證性和綜合性實驗相輔相成

在保留原先經(jīng)典驗證性實驗的基礎(chǔ)上，增加具有一定創(chuàng)新性和動手能力強的綜合性實驗的比例。開設(shè)綜合性實驗后，整個實驗都是在實驗室教師的指導(dǎo)下由學(xué)生獨立完成，對培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)、靈活運用所學(xué)理論知識、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、提高學(xué)生解決分析問題的能力，都具有一定的效果。

（三）參加專業(yè)技能競賽成績喜人

學(xué)生通過材料科學(xué)基礎(chǔ)實驗的培養(yǎng)與鍛煉，為后續(xù)材料專業(yè)實驗學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)，進一步增強專業(yè)技能和自信心，敢于和清華大學(xué)、北京科技大學(xué)等“985”院校的學(xué)生比拼。例如，從第三屆開始，學(xué)生分別赴北方民族大學(xué)、昆明理工大學(xué)、清華大學(xué)、南昌大學(xué)，參加了四屆“蔡司杯”全國大學(xué)生金相技能大賽，累計獲得團體一等獎2項，個人一等獎獎項3項，個人二等獎6項目，個人三等獎3項，優(yōu)秀指導(dǎo)教師獎10項，獲獎人數(shù)和獲獎等級名列浙江省高校第一。這些賽事擴大了臺州學(xué)院在全國高校中的影響力，也充分展現(xiàn)了我校注重強化學(xué)生應(yīng)用能力培養(yǎng)的成果。

四、結(jié)論

“材料科學(xué)基礎(chǔ)實驗”是“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程建設(shè)的有機組成部分，兩者相輔相成，實驗教學(xué)更是直接影響到學(xué)生專業(yè)實踐動手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。經(jīng)過各實驗的學(xué)習(xí)和鍛煉，學(xué)生掌握了基本實驗技能。教學(xué)改革的一個任務(wù)就是讓學(xué)生從“要我學(xué)”轉(zhuǎn)化為“我要學(xué)”，著重培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、分析問題和解決問題的能力。因此，實驗教學(xué)改革是一項勢在必行的艱巨任務(wù)。如何開展材料科學(xué)基礎(chǔ)實驗的教學(xué)改革，仍然值得進一步深思和探討。

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