基于卓越工程師計劃的“材料學基礎實驗”課程改革探索

張義偉 方俊飛

摘? ?要：本文主要針對我校材料類專業“材料學基礎實驗”教學中存在的問題，在教育部“卓越工程師教育培養計劃”的背景下，進行了在原有教學基礎上的改革探討，目的是提高學生的學習興趣、實踐能力以及創新和綜合應用能力，為后續專業課的學習打下良好的前期基礎，實現以培養材料類卓越工程師為導向的理論課程與實踐過程的統一，全面推動課程改革。

關鍵詞：材料類專業? 卓越工程師計劃? 實驗教學? 教學改革

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）01（b）-0176-03

Abstract： This paper is mainly aimed at the problems in the teaching of the material science basic experiment course of the material science engineering major in our school. Under the background of the“Excellent Engineer Education and Training Program”of the Ministry of Education， the reform on the basis of the original teaching was carried out with the aim of improving Students' interest in learning， practical ability， and ability to innovate and comprehensively apply. The good foundation for the follow-up of professional courses was laid， the unification of theoretical courses and practical processes oriented by the development of materials-based engineers was realized， and then the curriculum reform was promoted comprehensively.

Key Words： Material Science and Engineering; Excellent engineer education and training program; Experimental teaching; Teaching reform

1? 引言

為了培養造就一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量工程技術人才，為我國走新型工業化發展道路、建設創新型國家和人才強國戰略服務，教育部在2009年提出了“卓越工程師教育培養計劃”（簡稱“卓越計劃”），“卓越工程師培養計劃”明確指出，高等教育培養具有創新能力的工程技術人才的主要措施是強化教學過程中的實踐環節[1-2]。

材料科學與工程專業培養的是能在材料的制備、加工工藝、材料結構與性能等領域從事科學研究、技術開發、工藝設計等方面的高素質應用型技術人才。因此材料科學基礎作為一門重要的專業基礎課程，主要闡述了材料學領域的基礎理論，從材料的組織結構出發，研究材料的成分、微觀組織結構、工藝以及材料性能之間的關系，既具有較強的理論性，又緊密貼近實際生產，是材料專業學生學習的必備基礎理論知識。然而，學生學習起來感覺非常枯燥抽象難以理解，為解決這個問題，許多高校都設置了材料科學基礎實驗課程，達到“專業課與實驗課程協同建設”的目的[3]。材料學基礎實驗課程作為我國工科院校的材料類專業課程體系中一門核心專業必修主干課，有著承上啟下的重要作用，同時實驗教學作為理論聯系實際的重要部分，對于鞏固學生專業基礎知識的學習、掌握實驗的基本技能、培養學生的科研水平等方面具有非常重要的作用[4-7]，此外，實驗教學可以培養學生的專業意識和思維方式，還可以提高他們的動手實踐和創新能力。我校材料科學基礎實驗課程主要面向熱處理、焊接、材料物理等專業方向，因此本實驗教學的內容設置主要圍繞金屬材料進行。

2? 材料科學基礎實驗教學中存在的問題

圍繞材料科學基礎這門專業課程，開設了相應的驗證性以及綜合設計性實驗，通過課程的教學與實驗，目的是幫助學生理解和鞏固所學有關材料科學的基本原理和知識，使學生掌握學科的基本實驗技能，并學會觀察和分析實驗數據，為后面的專業課學習以及更深遠的科研打下堅實的基礎。但是，從以往學生的學習效果來看，絕大部分學生缺乏主觀能動性，只是單純的想修完相應學分，才去完成實驗內容，結果就是時間久了，所學的知識很快忘記，等到后面做畢業設計用到的時候就全還給老師了。因此，從實驗課開設的目的和成效來看，材料科學基礎實驗課的改革迫在眉睫。

3? 材料學基礎實驗教學質量提升的應對策略

材料學基礎實驗課程作為材料科學與工程等相關專業課程體系的一個重要組成部分，對以創新為目標，提升材料科學的教學質量，對完成“卓越計劃”的人才培養要求有較強的理論與實踐意義。

3.1 利用先進測試表征技術，拓展學生知識面

材料科學實驗教學內容主要包括金相顯微鏡的構造及使用、金相樣品的制備、奧氏體晶粒度的測定等基本技能的學習，鐵碳合金相圖及其平衡組織觀察分析、碳鋼熱處理后的組織觀察與分析、金屬凝固組織觀察與分析、金屬冷塑性變形與再結晶行為規律的驗證等等。課程設置的主要目的是讓學生掌握金屬材料試樣的制備及組織分析方法，培養學生的動手能力，同時在實驗課中培養學生分析和解決實際問題的能力。

顯微鏡的使用及微觀組織觀察，特別是鋼鐵材料的組織觀察在整個實驗教學計劃中所占比例甚高。學生在顯微鏡下觀察典型組織形貌是實驗課教學的重要手段，只有通過觀察金屬材料的顯微結構，才能真正地理解和掌握理論知識，從而達到提高他們認識問題和分析問題綜合能力的目的。但是實際的材料科學基礎課程教學中，有些概念所講述的是在高倍電鏡下所觀察的組織特點，因此對于在金相顯微鏡下所觀察的組織特點無法給學生明確的答復，使得學生對概念產生了懷疑，抑或對自己在金相顯微鏡下觀察的結果產生疑慮。比如在“鐵碳合金平衡組織觀察與分析”的實驗教學中，對于亞共析鋼、共析鋼中珠光體的組織闡述，珠光體是鐵素體和滲碳體的機械混合物，呈現片層狀。但是在金相顯微鏡下的觀察結果，學生所看到的僅僅是漆黑一片的結構，這是因為珠光體的片層狀結構片層間距比較細小，而金相顯微鏡的分辨率不足以區分出相應的片層狀。那么讓學生信服珠光體呈片層狀的結論，唯有通過分辨率較高的掃描電鏡對其進行組織觀察，才能給出珠光體呈片層狀的結論。同樣的問題還存在于“碳鋼熱處理后組織觀察與分析”中，對于教材中給出了在光學顯微鏡下上貝氏體呈羽毛狀和下貝氏體呈現黑色針狀的區別，但是同時又闡述了更微觀的結構區別在于碳化物的析出在鐵素體板條的位置差別。因此這種結構更微觀的表述，對于學生就顯得比較抽象難懂，既看不見鐵素體板條，又看不見碳化物的析出，何況他們的具體位置差異。因此在這些內容的基礎上，增加更高分辨率的透射電子顯微鏡，從而觀察出上貝氏體和下貝氏體形貌的具體變化。同樣的問題還存在于馬氏體和回火馬氏體的差異，針對回火馬氏體的認識，它是由極細小的碳化物和鐵素體組成，且保留著原來淬火馬氏體的形態，在光學顯微鏡下難以分辨出其中的碳化物相，因此必須通過掃描電子顯微鏡或者透射電子顯微鏡，才能清楚的辨別出馬氏體和回火馬氏體的區別。

諸如此類的問題，在材料科學基礎實驗教學中依然很多。因此，在材料科學基礎實驗教學環節中，不僅僅讓學生的理解停留在簡單的光學顯微鏡觀察上，同時應該引進先進的分析測試手段，比如掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡以及能譜儀等等，進入到基礎的實驗教學中，從而滿足在材料科學基礎這門羞澀難懂的專業基礎課中。

3.2 采用多媒體實驗教學系統，提高教與學效率

在我校目前的材料科學基礎金相實驗教學中，受限于實驗設備、實驗場地和實驗課學時等各種因素，目前雖然在實驗室安排上基本滿足每人一臺金相顯微鏡，做到獨立操作觀察的現狀。但是一臺金相顯微鏡每次只能擺放一種樣品進行觀察分析，根據學生的反饋，每次實驗課最多只能觀察很少的幾種材料的組織形貌。而對于每個教學實驗安排的一套金相試樣，總共十幾個試樣之多，因此在現行的教學條件下，無法滿足學生在每個實驗學時后的時間內觀察整套的金相試樣，從而無法完整的獲取整個實驗內容所傳授的信息。同樣的問題還存在于材料科學基礎課程初學者，雖然滿足了每人一臺顯微鏡自己自身的觀察需要，但是無法通過和別人共同探討或者在老師的指導下對組織的深刻認識與理解，因此就存在此類問題，雖然觀察到應有的組織形貌，但是無法通過別人的知道或者同學的討論，達到更為深刻的認識。同時一人一臺顯微鏡只限于操作者本人觀察，由于沒有演示設備，教師在課堂上也只能講解實驗內容及設備操作方法，缺乏直觀性，也難于指導。而本課程理論抽象難懂，知識內容頗多，學生缺乏實踐經驗和感性認識，學習就存在一定難度。結果就是一堂課結束，學生在實驗過程中只是按照教師的意圖，按部就班地進行，缺乏主動性，因而興趣降低。

隨著材料科學基礎課程內容不斷拓展和更新，課程教學信息量迅速增加，并且有些教學內容單靠課本上簡單的語言描述和教師的口筆相傳，難以讓學生接受和掌握所傳授的知識。因此，必須使用材料科學基礎及其實驗課程的多媒體課件進行教學。在保持我校優良傳統教學方式的基礎上，我們在實驗教學中又引入了現代金相分析技術和手段，建立了金相顯微鏡多媒體實驗教學系統。多媒體實驗教學系統包括：數字顯微鏡、金屬材料學實驗教學圖譜集課件、金相圖像分析系統的處理軟件、數字化掃描投影儀。教學系統充分利用當今最先進的數字成像技術、網絡傳輸及多媒體技術，能夠支持教師應用各種教學手段進行課堂教學活動，將各種媒體形式的教學資源以最佳的效果呈現給學生，讓學生在一個更加方便、生動的環境中進行自主學習。多媒體教學系統特別適應于顯微組織觀察的教學實踐中，通過數字接口將顯微鏡呈現的組織投影到教室計算機屏幕上，從而使學生能夠有效地進行師生互動，既能夠節省所觀察試樣的配備，也能夠減少學生在未知知識結構中的摸索。它的使用系統的解決了目前存在于實驗教學中的一些問題，實現了在實驗教學上師生的有效溝通，從而使教學效果得到很大的提高。因此金相實驗室多媒體系統的使用，使學校實驗教學手段得到提高，它是未來金屬材料實驗教學的重要發展方向[8]。

針對材料基礎實驗課程中相關概念繁多，信息量大，在實驗學時相對較少的情況下，要完成實驗教學目標和內容，而且獲得好的教學效果，因此采用金相多媒體實驗教學系統，則顯得至關重要。

3.3 綜合性實驗設計，培養學生綜合能力

在材料科學基礎實驗教學中，要培養學生綜合應用的能力，就要強化學生掌握的基礎知識，提高學生分析和解決實際生產問題的能力訓練[9]。通過學生在金屬材料學實驗教學中的實際應用能力中，發現主要存在以下問題，首先學生死記硬背、照抄書本的現象嚴重，無法將學習的實驗教學內容和專業基礎課程有效的銜接;其次學生無法按照所學的材料科學基礎的基本理論與實驗內容之間科學性、知識性有效的協調統一;三是缺少理論聯系實際的工程實例，無法全面應用所學知識解決問題，達不到實驗內容知識的鞏固和學生能力的提高。

科學選題是培養學生解決工程實際問題能力的重要環節，因此在我校的金屬材料實驗教學課程中，增加了大量的綜合性實驗項目，立足于現有實驗條件開設綜合實驗，著重介紹綜合實驗方案設計，優化實驗內容，創新實驗培養[10]。比如“奧氏體晶粒長大規律的研究”、“熱處理工藝分別對低、中、高碳鋼顯微組織和性能的影響”、“合金元素對奧氏體晶粒長大或顯微組織及性能的影響”、“合金元素對鋼材淬透性及顯微組織的影響”、“淬火溫度對45鋼板條馬氏體量及性能的影響”等等綜合性設計實驗。另外，我們還一些老師的科研課題的研究，來培養學生的綜合能力。同時我校還有專門為大學生建立了“大學生科研訓練計劃項目SRTP”、“大學生挑戰杯”等等，學生通過申請此類項目在指導老師的帶領下進入實驗室完成自己所的科研項目，為養成良好的科研思維打下堅實的基礎。

實踐表明，開設綜合實驗，提高了學生學習的積極性和主動性，培養了學生的綜合素質以及創新能力。

4? 結語

“卓越計劃”是針對工程技術發展和人才現狀背景提出的重大而深遠的人才培養項目，新時代“一帶一路”倡議、《中國制造2025》等均需要大量優秀的工科領域人才，因此，材料科學基礎實驗課程的改革必須以此作為前提和契機，必須要深入學生中進行調查研究，充分了解學生在學習實驗過程中存在的不足，同時要學校應該加強實驗教學的建設和投入，改善實驗條件，建立完善科學的教學體系。在材料科學基礎實驗教學改革的過程中，既要重視學時的基本實驗技能，又要充分利用綜合性設計實驗來培養學生的綜合創新能力，同時把握住材料科學基礎實驗教學與材料科學與工程專業課程的緊密性結合，以相輔相成、服務于專業基礎課的原則，提高學生的工程實踐能力、創新能力和綜合能力，為學生大四進行畢業論文、以后從事科研工作以及解決實際應用問題打下良好的基礎，從而實現培養卓越工程師的目標，為我國培養出越來越多滿足實際應用要求的卓越工程師。

參考文獻

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