以科學(xué)研究，促進(jìn)開放型材料創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的建立

張旭茗+蓋登宇+常云鵬+丁明惠+侯樂干+牛中毅

摘要：結(jié)合院系材料學(xué)專業(yè)科研方向及成果和材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的資源情況，隨時(shí)將最新的科研成果引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，建立開放型的材料創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，并對材料創(chuàng)新課程的成果反饋進(jìn)行了分析，真正實(shí)現(xiàn)了利用科研來促進(jìn)材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

關(guān)鍵詞：科研成果；創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)；教學(xué)體系；教學(xué)成果

中圖分類號：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）19-0274-02

一、引言

材料科學(xué)與工程專業(yè)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科。材料專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)多以驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)生嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，難以激發(fā)學(xué)生的興趣及創(chuàng)新性思維。科研過程具有探索創(chuàng)新性，而科研成果又具有前沿性，所以高校人才培養(yǎng)中，應(yīng)該利用科研來促進(jìn)教學(xué)，尤其是實(shí)踐教學(xué)。將科研中最新的理論及技術(shù)，轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合實(shí)踐教學(xué)的知識及技能，在教學(xué)中可以有針對性地培養(yǎng)學(xué)生的科研意識及能力，從而將科研促進(jìn)實(shí)踐教學(xué)，成為提高學(xué)生創(chuàng)新能力與實(shí)踐能力的有效途徑。作者針對哈爾濱工程大學(xué)材料學(xué)科服務(wù)于船舶及海洋研究的特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)中心設(shè)備及人員條件特征，建立了以科研促進(jìn)開放型材料創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的教學(xué)體系。

二、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)

（一）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的調(diào)查研究

哈爾濱工程大學(xué)材料學(xué)研究以船舶與海洋應(yīng)用方向研究為主，其他研究為輔，主要研究領(lǐng)域包括超輕材料與表面技術(shù)、海洋先進(jìn)材料、高性能金屬材料、表界面科學(xué)與技術(shù)、海洋工程金屬材料、微納新材料及生物醫(yī)用材料與工程等，涉及船舶及海洋用材料的開發(fā)、性能及應(yīng)用等方方面面。目前材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心擁有材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料測試、材料計(jì)算、材料物理、材料制備及表面工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，所有實(shí)驗(yàn)室面向全校開放，充分滿足教學(xué)及科研的需求。

通過學(xué)習(xí)國內(nèi)外大學(xué)在學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐以及綜合能力培養(yǎng)方面的成果經(jīng)驗(yàn)，并研究其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)手段，結(jié)合我校材料學(xué)科研究內(nèi)容及發(fā)展方向和實(shí)驗(yàn)中心自身情況，將科研中具有前沿性、創(chuàng)新性、實(shí)用性及可行性的內(nèi)容，引入到材料創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中來。由學(xué)生根據(jù)興趣自主選題，自主完成實(shí)驗(yàn)方案及過程設(shè)計(jì)，并自主完成實(shí)驗(yàn)過程及實(shí)驗(yàn)總結(jié)報(bào)告，指導(dǎo)教師只起到輔助、協(xié)調(diào)和技術(shù)監(jiān)督的作用。實(shí)驗(yàn)成果可以以報(bào)告及實(shí)物等多種形式給出，為大學(xué)生取得科技成果及發(fā)表科技論文提供實(shí)踐依據(jù)，從而將科研引入到教學(xué)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)課程的開放性及創(chuàng)新性。

（二）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目基本情況

實(shí)驗(yàn)中心與各研究所合作把教師最新科研成果引入實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中作為實(shí)驗(yàn)素材。結(jié)合實(shí)驗(yàn)人員的專業(yè)水平，提煉、選擇相適應(yīng)的理論和成果，規(guī)劃設(shè)定出實(shí)驗(yàn)的方向和內(nèi)容。學(xué)生以自由組合的5—7人項(xiàng)目組來完成項(xiàng)目。項(xiàng)目組將采用合適的材料科學(xué)與工程模型，通過比較研究材料設(shè)計(jì)、加工及性能之間的關(guān)系提高學(xué)生對材料科學(xué)的理解，培養(yǎng)學(xué)生工程創(chuàng)新及科研業(yè)務(wù)水平。每個(gè)項(xiàng)目組由實(shí)驗(yàn)中心指派指導(dǎo)教師一人，實(shí)踐指導(dǎo)將通過口頭交流、研討會以及多媒體交流等方式完成。

考慮到學(xué)生已經(jīng)具備材料科學(xué)基礎(chǔ)知識及基本的加工、計(jì)算、分析測試知識，并進(jìn)行過基本的材料實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)定應(yīng)具備模擬計(jì)算、加工以及分析測試等多個(gè)材料科學(xué)研究手段。但根據(jù)實(shí)際情況，只要設(shè)計(jì)有理有據(jù)、實(shí)驗(yàn)真實(shí)可信、過程完整，允許實(shí)驗(yàn)結(jié)果不夠理想。結(jié)合學(xué)校材料學(xué)科研究方向，制定了幾種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其中實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)根據(jù)最新的科研成果、具體實(shí)驗(yàn)室資源及科研方向，進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整。下面列出了其中五種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：（1）“淬火鋼回火轉(zhuǎn)變的電阻及組織研究”，采用目前研究的發(fā)動機(jī)用淬火鋼，對其回火過程中的組織轉(zhuǎn)變及電阻變化過程進(jìn)行建模并利用熱力學(xué)軟件進(jìn)行模擬，同時(shí)對試樣進(jìn)行淬火及回火處理，并對回火后的組織、物相及電阻進(jìn)行分析，結(jié)合模擬結(jié)果，研究淬火鋼回火轉(zhuǎn)變的電阻及組織轉(zhuǎn)變；（2）“結(jié)構(gòu)材料失效的預(yù)測及分析”，以目前研究的船用結(jié)構(gòu)鋼為研究對象，首先對鋼材失效分析的基本路徑進(jìn)行規(guī)劃，然后通過實(shí)驗(yàn)對宏觀斷口、微觀斷口及夾雜進(jìn)行分析，同時(shí)通過建模，利用有限元軟件對鋼材的失效過程進(jìn)行模擬，最后結(jié)合測試及模擬結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)材料的失效進(jìn)行預(yù)測及分析；（3）“材料鹽霧腐蝕及防護(hù)研究”，針對船用鋁合金容易受海水腐蝕使材料失效的特點(diǎn)，以船用鋁合金為研究對象，建立材料鹽霧腐蝕過程模型，通過正交試驗(yàn)對材料進(jìn)行鹽霧腐蝕試驗(yàn)，然后對腐蝕后的材料進(jìn)行表面形貌、失重及腐蝕類型等分析，結(jié)合鹽霧腐蝕模型，研究材料的鹽霧腐蝕過程，同時(shí)給出防護(hù)措施；（4）“鎳基合金涂層的制備及性能分析”，針對鎳基合金涂層具有耐磨及耐沖蝕等特征，利用激光表面熔覆方法在不銹鋼表面制備鎳基合金涂層，并對涂層進(jìn)行熱處理，研究涂層的顯微組織、表面化學(xué)成分及相組成，并分析涂層的摩擦磨損性能及沖蝕性能；（5）“鎂合金固溶及時(shí)效組織與性能研究”，以生物醫(yī)用鎂合金為研究背景，設(shè)計(jì)具有生物相容性的鎂合金，并熔煉所設(shè)計(jì)的鎂合金，同時(shí)對合金進(jìn)行軋制及熱處理，研究合金的顯微組織、物相、力學(xué)性能、生物相容性及生物降解性能。

以上項(xiàng)目設(shè)計(jì)均考慮到時(shí)間和資源限制，項(xiàng)目盡量避免采用超出實(shí)驗(yàn)室能力的材料、加工以及測試方法，所有實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟趯?shí)驗(yàn)中心完成。項(xiàng)目涉及文獻(xiàn)調(diào)研、計(jì)劃、實(shí)施、報(bào)告等比較全面的研究內(nèi)容。同時(shí)，要求學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，必須提供包括詳盡的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃的可行性報(bào)告，由指導(dǎo)教師批準(zhǔn)后方可開始實(shí)驗(yàn)。項(xiàng)目組在實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)行不少于兩次階段性報(bào)告會，其中一次為英文報(bào)告會，報(bào)告會主要針對實(shí)驗(yàn)進(jìn)展、最初實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性與調(diào)整思路。要求有多媒體匯報(bào)并且小組成員應(yīng)輪流擔(dān)任匯報(bào)人，最終須有結(jié)題報(bào)告及匯報(bào)。通過完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的形式，使學(xué)生對材料學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)知識有了更深入的理解，同時(shí)提高科研水平及創(chuàng)新能力。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)與大學(xué)生科技創(chuàng)新體系互動，實(shí)驗(yàn)室完全對學(xué)生開放，允許學(xué)生把創(chuàng)新中的成果作進(jìn)一步的深入實(shí)驗(yàn)，或把實(shí)驗(yàn)研究項(xiàng)目列入到大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目中。

三、科研成果引入到材料創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的成效及思考

材料學(xué)專業(yè)，將教師在科研中的成果引入到大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。材料創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選題基本來源于教師的科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目，結(jié)合了學(xué)校研究方向上的優(yōu)勢，創(chuàng)新性和專業(yè)性更強(qiáng)，全面培養(yǎng)學(xué)生的材料學(xué)研究基本技能及手段。學(xué)生通過材料創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練，研究能力和獨(dú)立思考能力明顯提高。材料創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目取得了許多科研成果，有些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目參加了校級、省級的科研創(chuàng)新大賽，并取得優(yōu)異的成績，有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（例如“鎳基合金涂層的制備及性能分析”）甚至發(fā)表了學(xué)術(shù)論文，培養(yǎng)了學(xué)生的科研能力和科研信念，這些為學(xué)生今后從事科研工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

材料創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)將傳統(tǒng)單一、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，并且對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、手段和條件進(jìn)行了更新，也取得了一定成果，但目前材料創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)還存在一定的不足，具體表現(xiàn)在：一方面，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心雖然對學(xué)生全面開放，但實(shí)驗(yàn)設(shè)備和人員資源畢竟有限，使學(xué)生一些更好的想法受到限制；另一方面，對于本科生來說，由于受到專業(yè)基本知識的限制，不能夠更深入地了解一些正在研究的課題，使實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選擇受到限制。針對以上問題，實(shí)驗(yàn)中心準(zhǔn)備加強(qiáng)與學(xué)院各研究所及理論課教師之間的聯(lián)系，通過開放研究所實(shí)驗(yàn)設(shè)備，以及研究人員進(jìn)行專題講座或介入指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的方式來進(jìn)行教學(xué)，建立實(shí)驗(yàn)中心與研究所合作的方式，如果可能，可以通過建立跨學(xué)科的方式，加強(qiáng)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的理解，同時(shí)使材料創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)達(dá)到真正的全面開放，更好地為學(xué)生服務(wù)。

四、結(jié)束語

以科研為背景，將教師的科研項(xiàng)目引入到材料創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，結(jié)合學(xué)校資源，制定合理的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并指導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，通過實(shí)驗(yàn)過程，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識的能力及勇于探索的開拓精神，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的同時(shí)，也為建設(shè)高質(zhì)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)等方面起到積極的推動作用。在實(shí)踐教學(xué)過程中，還需要進(jìn)一步探索和總結(jié)，通過多種形式把最新的科研成果引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，使材料創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)獲得更好的成效，進(jìn)而提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量及培養(yǎng)更優(yōu)秀的創(chuàng)新型人才。

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Use the Scientific Research to Improve Establishment of the Materials Innovation Practice Teaching System

ZHANG Xu-ming，GE Deng-yu，CHANG Yun-peng，DING Ming-hui，HOU Le-gan，NIU Zhong-yi

（College of Material Science and Chemistry Engineering，Harbin Engineering University，Harbin，

Heilongjiang 150001，China）

Abstract：The latest scientific research achievements of material science are introduced into experimental teaching，combined with the research direction of material science in our school and teaching resources of material experimental teaching center. The open material innovation experimental teaching system is established，and the teaching achievements are analyzed. The idea to take the advantage of research results to promote experimental teaching is achieved.

Key words：scientific research achievement；innovation experiment；teaching system；teaching Achievement