《材料科學基礎》實驗教學模式的創新與實踐探索

摘 要:針對我校材料科學基礎實驗存在的問題，從課程設置和教學模式特點進行分析，并結合社會對創新性、綜合型材料科學人才的需求，提出改革和創新。通過實踐和探索，新型教學模式可以提高學生的學習興趣和積極性，并有利于開闊思維和創新性人才的培養。

關鍵詞:材料科學基礎實驗教學創新

中圖分類號:G424.31文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)06(c)-0140-02

創新是促進社會發展和提高人自身能力的重要條件，培養創新型人才是當今時代賦予高等教育的神圣使命。隨著社會的不斷進步和發展，材料、信息和能源已成為當代文明的重要支柱，《材料科學基礎》是材料和冶金等專業的一門重要主干課程，也是銜接基礎課和專業課之間的橋梁和紐帶。《材料科學基礎》以研究材料的共性規律為目的，涵蓋基礎理論和實驗實踐兩個環節，對材料的應用及其后續器件的研發具有重要的理論與指導意義。《材料科學基礎》實驗是為學生加深基礎知識的理解與運用、提高實際動手能力以及開發新材料體系奠定基礎而開設的實踐環節，是提高知識應用能力、挖掘潛力意識、活躍創新思維的重要途徑。大學生處在精力旺盛時期，思維活躍、創新性強，如果他們的創新能力得不到充分發揮，將嚴重影響并制約創新思維的發展，不利于創新性人才的培養。

本文根據當前社會發展所需的材料科學人才，并結合現階段材料科學基礎實驗教學過程中存在的問題，提出在新形勢下對材料科學基礎實驗課程的教學模式進行改革探索。

1 現階段課程設置及教學模式

1.1 課程設置特點

《材料科學基礎》涉及到的知識點多、理論性強、內容抽象。實驗課程的開設通常是圍繞具體的某一個或某一方面的內容展開，一般來說，材料科學基礎開設6～7個實驗，主要圍繞金相顯微組織、擴散、位錯、凝固以及塑性變形等方面展開，以驗證現有的實驗現象和結果為主，綜合實驗一般為1～2個。實驗課的目的是幫助學生理解并鞏固相關基礎知識、掌握基本實驗技能、學會觀察實驗現象并初步分析實驗數據。從近幾年實驗教學的效果來看，大多數學生都是為了取得相應的學分而去完成實驗，對實驗本身缺乏興趣，學生的創造性和積極性很難發揮出來。同時，學生的創新能力得不到體現，導致實驗課程的教學效果不佳。

1.2 教學模式分析

長期以來，《材料科學基礎》實驗基本上都是按照一種固定的模式進行教學，即老師給出實驗目的、基本原理、儀器設備，并列出詳細的實驗方法和步驟。學生基本上就是按部就班地完成實驗。這種教學模式，雖然其出發點是加深學生對知識的掌握和理解，但仍然存在兩個很明顯的缺陷:一是實驗內容相對較陳舊，不能滿足科技迅速發展的需求;二是不能發揮學生的創新能力和思維能力。這樣，學生在后續專業課程學習和實際工作過程中缺乏啟發性，對于新出現的問題和新材料體系的研發缺少新的思維和實驗方法，不利于創新性人才的培養。

2 社會對材料科學人才的要求

材料科學家、材料工程師對社會發展的貢獻毫無疑問是巨大的。社會的發展離不開材料科學的發展，現階段我國具有材料科學與工程學院(系)的高校不少于100所，由此可見國家對材料科學人才的培養是非常重視的。但是在培養人才的過程中要進一步體現時代發展的需求。下面僅舉兩個例子簡單分析一下新形勢下對創新性材料科學人才的要求。一是金屬行業，中國現有鋼鐵冶煉等方面的企業和研究院所若干，從事金屬行業的人才隊伍也很龐大，但是對金屬的深加工以及高性能金屬材料的研發大量缺乏人才，更是缺乏創新型人才。二是電子信息材料行業，當前這一行業的趨勢是大規模發展高性能電子信息材料的生產、研發及其應用，并為后續電子器件(產品)提供基礎(源)材料，而電子信息材料與器件涵蓋物理、材料學、半導體、機械等多個學科，需要有廣泛而扎實的基礎知識及其應用能力。如果材料科學基礎實驗的教學模式還停留在原有的水平，很顯然已經不能滿足現階段社會發展對創新性、綜合型材料科學人才的需要，我們在實驗課程的設置和教學模式上就要把學生的創新思維發揮出來、努力培養出滿足當今國家和社會需求的高素質人才。

3 教學模式創新的探索

從實驗課程開設的目的、方法、內容和效果等方面來看，并結合當今社會對材料科學人才的需求分析，材料科學基礎實驗的教學改革已經刻不容緩。根據傳統理工科實驗課程的特色以及時代發展的需求，材料科學基礎實驗課程主要從以下幾方面進行創新性探索，以培養出新時代所需的創新性、綜合型材料科學人才。

3.1 在實驗課程的設置上體現綜合性和創新性

由于材料科學基礎這門課程的內容廣、知識多，而實驗課程的時間又很有限，因此開設的實驗數量不會太多。這就要求每個實驗盡可能地將相關的知識點融會貫通，將所學的知識“串連”起來。更重要的是學生在操作和分析實驗的過程中能充分發揮出創新能力和多角度思考問題的模式。下面以“位錯的實驗觀察”為例作一簡單說明。

“位錯的實驗觀察”通常是作為一個驗證性實驗，一般為2學時，目的是讓學生了解觀察位錯的方法、原理和學會位錯密度的計算。但是這樣的實驗目的還不能發揮出學生的創造能力和思維能力。在創新模式教學和實踐過程中至少要體現以下5個方面的內容。

(1)浸蝕法(或稱為腐蝕法)觀察位錯的原理與方法。利用蝕坑顯示晶體表面的位錯露頭，除了讓學生掌握工藝方法以外，還要求掌握并思考蝕坑形成的原因及其影響因素，主要涉及到位錯附近原子排列的不規則性、腐蝕液的選擇、影響腐蝕速度的因素等等。

(2)位錯密度的計算。從單位面積中所含有的蝕坑個數計算出位錯密度。

(3)蝕坑的形狀與不均勻性分析。首先闡明為什么有些蝕坑為圓形，而有些為三角形或六邊形(可以提供不同類型的晶片作為實驗材料以顯示出不同形狀的位錯露頭)，這主要與晶體結構和材料本身的特性有關。然后分析在不同區域位錯密度不相同的原因。此外，在觀察位錯的過程中還可以觀察到孿晶(如果選擇合適的含有孿晶的晶片)。

(4)位錯密度對材料實際應用的影響。位錯密度對材料在使用過程中的性能，如強度、電導率、熱導率等的影響及其簡單機理分析。比如可以選擇同一型號具有不同位錯密度的鋼進行拉伸試驗，比較位錯密度對材料強度性能的影響。

(5)位錯密度對后續器件制備及其性能的影響。半導體薄膜電子器件通常是以晶體(單晶)作為襯底，以外延的方法形成具有復雜結構的器件，而襯底的位錯密度對外延薄膜的質量(如結構完整性和光電性能等)具有非常重要的影響。同時，位錯密度對薄膜生長前緩沖層(過渡層)的選擇及其優化也是非常重要的。

通過對“位錯的實驗觀察”這一簡單驗證性實驗增加新的實驗內容并鼓勵學生進行創新，并不需要改為綜合性實驗，但是已經體現了實驗的綜合性和創新性，這樣在實驗過程中就可以開闊學生的思維模式，提高創新能力。

3.2 創新實驗教學模式、提高教學效果

(1)增強開放型實驗的教學模式。現階段《材料科學基礎》實驗大都是學校(院)統一安排、分批次進行實驗，學生在老師的指導下完成相關實驗內容，提交實驗報告。這樣學生缺乏主動性，甚至會對實驗失去興趣。俗話說“興趣是最好的老師”，要提高學生的興趣，首先就是把學生放在主動地位，變封閉式實驗教學為開放型實驗教學模式，讓學生在實驗課時間或課余時間，自行組織小組，充分利用現有資源和條件，完成相關實驗內容。這樣可以大大地提高學生的積極性、開闊思維、提高創新能力。同時，開放型實驗教學也為學生自擬實驗內容提供了鍛煉的平臺和機遇，有利于因材施教地培養高素質人才。

(2)學科交叉的實驗教學模式。《材料科學基礎》實驗課程不僅僅是材料科學專業的必修課程，物理、化學、生物、機械等領域的研究同樣需要材料科學的相關知識。目前除了純理論研究以外，幾乎所有的實驗性研究都要以材料作為研究對象，所以材料科學人才的培養在實驗課程上就要把交叉學科(邊緣學科)考慮進來，前面列舉的“位錯的實驗觀察”中位錯對器件性能的影響就是一個典型例子。學科交叉的教學模式也是培養綜合型人才的前提和基礎，學生在實驗過程中就會逐漸明確哪些領域適合自己將來的發展，這樣在以后繼續深造或工作當中就會有一個更加清晰的定位。而對于國家和社會來說，在選擇人才的時候也真正體現出了人盡其材的目標。

(3)走出實驗室的教學模式。“學以致用”，學習的根本目的是為了應用。通過在實驗室里的教學，學生掌握到的知識總是有限的。教師可以帶領學生到車間、工廠、企業開展實驗課程的教學，還可以讓學生到其他高校或者與其他高校的學生相互交換等等一系列的新型實驗教學模式。從心理上分析，學生一旦去兄弟院校開展實驗課程，總是想把自己最優秀的一面表現出來，很明顯這種教學模式就增加了學生的學習興趣、提高了積極性、更加有效地實現了資源共享。同時也進一步開闊了同學們的視野、增長了見識、活躍了思維能力，因而也進一步提高了學生的創造力。

4 結語

通過對現階段實驗課程的設置和教學模式進行改革，學生增加了學習興趣。從表面上看，每個實驗的內容增多了，但是更加貼近了實際應用，學生感到自己所學的知識可以派上用場而不再是純理論上的知識，使他們頗有成就感，因此在實驗過程中也就有了更多的快樂！同時，學生積極主動地思考和探索問題，把已經學到的知識綜合、全面、靈活地加以運用與發揮，科研能力不斷地得到了培養和鍛煉，進一步提高了綜合素質和創新能力。

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