《材料科學基礎》實驗教學改革討探

白佳海，杜慶洋，張紅鷹，趙云霞

(山東理工大學 材料學院，山東 淄博 255000)

《材料科學基礎》是材料科學與工程專業的必修課，也是材料科學與工程專業的專業核心課程，材料科學研究的核心問題是材料的結構、性能及其相互關系，屬于一門應用基礎學科[1]。由于材料科學基礎既具有較強的理論性，還具有很好的應用性，因此在培養學生理論聯系實際方面具有非常重要的的作用。目前，《材料科學基礎》的實驗教學大多屬于驗證性或操作性實驗，而綜合實驗的數量較少，特別是綜合設計型實驗數量極少。此外，該課程的實驗教學往往和后續的專業課實驗在設置上有所沖突。因此，有必要對《材料科學基礎》的知識點進行梳理，研究與開展新型的、能突出《材料科學基礎》課程特色的實驗項目。

《材料科學基礎》(內容偏向于無機非金屬方向的課程)中很多理論知識的聯系非常密切，如在陶瓷材料、耐火材料的研究、制備與生產中，往往會同時應用到幾個知識點的理論知識，這就給《材料科學基礎》課程的實驗教學，特別是綜合設計型實驗的設置和開展提供非常重要的理論知識條件。因此，可以把不同的知識點聯系起來，合理設計實驗教學內容，培養學生分析問題、解決問題的能力以及理論聯系實際的能力，同理鍛煉提高學生的動手操作能力。基于以上考慮，我們在實驗教學過程中，嘗試把固溶體-固相反應-燒結等知識點聯系起來，同時還能運用其他學科的相關知識進行表征、論證，提高實驗教學的綜合性與設計性，全面提高學生的綜合素質，為培養目標的實現提供有利的支撐。

1 實驗項目理論知識基礎

燒結是陶瓷材料制備過程中非常重要的一個環節，涉及到傳質方式、基礎理論和影響因素等眾多的知識點，其中外加劑是影響燒結的非常重要的因素之一。所以，我們考慮以燒結作為綜合設計型實驗的核心內容，然后通過內涵的延伸，把固溶體和固相反應等相關的知識融合到實驗中，再結合材料的表征技術，提高學生對基礎理論的掌握和運用能力。

因此，作者把《材料科學基礎》課程中三個主要的知識點(固溶體、固相反應、燒結)結合起來，研究、設計出一個合理可行的、能全面包含三個知識點的綜合設計型實驗項目。通過該項目的實施，讓學生較深刻地理解與掌握與固溶體、燒結和固相反應相關的基礎理論知識(該實驗項目還涉及到《材料測試技術與方法》課程中的X-射線知識)；此外，該實驗還需要大量的實際操作，能顯著地提高學生的動手能力與團隊合作意識；通過實驗結果的分析與討論(如燒結過程中固溶體的形成、固相反應等，以及固溶體、燒結反應對燒結程度的影響等)，能有效地提高學生分析問題、解決問題的能力及科學素養等。

2 實驗工作內容

基于以上分析，學生在熟練掌握燒結、固溶體和固相反應的相關知識后，還應該查閱、研讀一定數量的參考文獻，了解當前相關領域的研究現狀和發展趨勢，并在實驗中力爭獨立完成以下工作：

(1)設計陶瓷材料的組份體系，并通過配方的設計及實驗工藝參數的優化，在燒結過程中確保能分別生成固溶體和固體化合物；

(2)在老師的指導下，學生制定合理的實驗流程，動手完成原料的混合、成型、燒結以及各種性能指標的測試；

(3)利用XRD技術分析燒結體中的固相組成，即是否有固溶體和化合物的生成；

(4)測定燒結陶瓷的吸水率、開氣孔率與燒成收縮率等性能參數，對比不同燒結體的致密化程度；

(5)對比研究固溶體的形成、固態化合物的生成對陶瓷燒結體的致密化程度的影響規律。

指導教師則需要預作實驗，并在以上實驗工作的基礎上，制定實驗大綱與實驗指導書，探索如何引導學生制定、設計合理的配方與實驗參數，以及在實驗教學中如何確保綜合設計型實驗的順利實施并取得優良的教學效果。

在實驗教學大綱和指導書中，指導教師可以提供一些參考的物相體系(例如氧化鋁與二氧化鈦體系，氧化鋁與氧化鎂體系，對二者進行對比實驗)，讓學生根據所掌握的知識及個人的想法，合理設計實驗的物相體系與實驗參數，保證實驗數據具有可操作性、合理性與可對比性。

3 實驗考核方法

為了保障實驗的順利進行，并有效保障學生分析問題、解決問題以及理論與實際相聯系等能力的提高，確定如下的考核方案：

(1)預習及復習(1.5分)：需要復習固溶體、固相反應等知識，并詳細闡述影響燒結的主要因素。

(2)陶瓷材料的燒結實驗(需預習)(4分)：

a. 詳細說明實驗的目的、實驗所用的儀器設備；

b. 小組討論具體實驗方案，合理設計配方以及實驗過程，完成實驗操作；

c. 實驗測定過程中的操作細節、數據記錄和處理、結果計算

(3)實驗數據處理(列表)：(1.5分)：測定實驗數據，主要包括收縮率，吸水率和線性收縮率等，根據要求進行實驗數據的處理。

(2)實驗結果的分析與討論(3分)：根據實驗結果和過程，對實驗數據進行分析和討論，重點討論生成固溶體和通過固相反應生成的化合物對燒結程度的影響規律，分析二者影響燒結程度的主要原因。

4 結束語

把《材料科學基礎》課程中的三個主要的知識點(固溶體、固相反應、燒結)結合起來，研究、設計出一個合理可行的、能全面包含三個知識點的綜合設計型實驗項目。通過該項目的實施，讓學生較深刻地理解與掌握固溶體、燒結和固相反應等基礎理論知識，并能有效提高學生動手能力、理論與實踐相結合的能力，提高學生的科學素養。