新工科背景下材料性能檢測實驗教學的改革與實踐

李飛 李珍 沈毅 王洋 李耘字

摘? 要：文章對當前工科院校中開設的“材料性能檢測實驗”課程中教學內容、教學方法和模式上存在的不足進行分析。為不斷適應“新工科”背景下人才培養的需求，文章結合“材料性能檢測實驗”教學的特點，優化實驗教學內容，拓寬實驗的廣度和深度，采用新的教學模式和方法，培養學生創新能力，在“材料性能檢測實驗”教學內容、方法、模式和評價上進行了有益改革和實踐，以期適應新工科背景下對材料學人才培養的要求。

關鍵詞：材料性能檢測實驗；教學改革；教學內容；創新能力

中圖分類號：G420? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2022）29-0161-04

為應對高等學校人才培養所面臨的問題和挑戰，教育部提出了“新工科”建設的指導性意見，為新時期高等學校人才培養指明了方向［1］。改變和提升當前傳統工科專業人才培養質量現狀的一個重要途徑是在學生牢固掌握專業理論知識的基礎上，面向工程教育、產業發展、行業需求以及學生興趣，設計和改革現有實驗教學方法體系，充分鍛煉和提升學生的動手操作能力和實踐創新能力，使實驗教學更加有利于學生對理論知識的理解和掌握，提高學生的實踐能力，培養學生的創新意識［2-5］。近年來，中國計量大學、重慶理工大學和廈門大學等高校分別從材料性能實驗教學的內容、實驗內容設計以及實驗考核辦法等方面對材料性能檢測實驗教學進行了有益的改革和探索。但是，當前的材料性能檢測實驗的教學內容、教學模式和教學方法仍然不太適應新工科背景下材料學科的發展［6-8］。而新型功能材料，尤其是芯片、5G、智能材料等的發展也對材料性能檢測實驗教學提出了更高的要求［9-12］。目前，材料性能檢測實驗教學的不足主要體現：一是教學方法未得到應有的改進：受儀器設備臺套數的影響，實驗教學安排主要以材料性能的驗證性實驗項目為主，設計性、綜合性實驗內容較少，學生在學習過程中是被動的接受者；二是教學內容未構成工程應用能力訓練體系：重于理論化和演示性實驗，在工程應用拓展上略顯不足，限制了學生的動手能力和創新思維，不利于培養工程和創新人才。

鑒于以上不足，在新工科方向的指引下，中國地質大學（武漢）材料與化學學院在2015年將材料類專業基礎實驗課從原有課堂中獨立出來，單獨開設專門的實驗教學課程。尤其是2021年以來，材料與化學學院為適應新工科建設目標，把握新工科背景下材料學科的發展趨勢，在2020年修購計劃支持下，針對材料性能檢測實驗教學的特點，實施新的教學改革，采用新的教學模式和方法，培養學生創新能力，將材料性能檢測實驗從原來24學時增加至現在的40學時，進一步拓展了實驗的廣度和深度，在實驗教學內容、方法、模式和評價上進行了有益的改革和實踐，以適應新工科背景下對材料學人才培養的要求。

一、確立材料性能檢測實驗課程教學目標

教學目標代表一種能力結構，這種能力主要通過課程教學來實現。材料性能檢測實驗課程是在材料物理、材料制備技術和材料性能等材料學基礎專業課的基礎上開設的，該課程要對實現材料學專業培養目標有確定的貢獻，要求學生完成該課程的學習后就能具備預期的材料性能檢測能力。根據材料類專業培養目標，制訂新的教學大綱，合理安排教學內容，達到材料性能檢測實驗課程教學目標。新教學大綱要以材料專業理論知識為基礎，以培養工程能力和提高工程專業素質為教學目標，對工程能力進行細化與分解，明確各實驗教學知識點對相關能力培養的要求和學生應達到的能力水平，根據各教學知識點的特點，采用不同的教學方法，確立能力目標，制訂實施途徑，拓展教學內容。

二、構建模塊化課程內容體系

在新工科建設背景下，改革材料性能檢測實驗教學內容更加專注于培養學生的專業綜合素質、工程思維能力和實踐創新能力。切實依據創新培養模式的教學目標中對學生工程能力的要求，確定每課時需要完成的實驗教學課程內容模塊，根據學生對課程內容的掌握程度重新劃定和調整下一個模塊。具體而言，先明確每節課學生需要掌握的具體知識點，以及需要達到怎樣的能力，而后根據每節課的課程目標設計課程內容。根據多年材料性能檢測實驗教學的實踐經驗，在新的教學內容體系中，將采用模塊化的實驗內容劃分方法，對實驗內容分門別類，將課程科學地劃分為材料的力學性能、熱學性能、光學性能、電學性能和磁學性能等五大模塊，對每個模塊的內容進行合理設計。根據材料與化學學院實驗教學資源配置現狀，對材料的力學性能、熱學性能實驗教學內容進一步深化，對電學性能、光學性能和磁學性能實驗教學內容進行拓展，形成一套既全面又詳細的材料性能檢測實驗教學內容體系（見表1），并在教學內容中增加設計性、綜合性和創新性實驗內容。

經過仔細篩選設計后的模塊化實驗項目內容更全面，任務更明確，教學重難點更突出，覆蓋了材料學的力學、熱學、光學、電學、磁學等領域的實驗項目。基于材料與化學學院的實驗室設備條件，這些實驗內容模塊化教學既豐富了材料實驗授課的內涵，又拓展了材料科學前沿知識，在不斷創新和優化實驗教學的過程中，儀器的使用原理、操作過程到實驗現象及本質的掌握等各環節均進行了深層設計，從驗證性實驗、設計性及綜合性實驗到創新性實驗，極大地提高了學生的動手能力、分析能力及創造能力。

三、改革教學方法和教學模式

新工科背景更加注重學生的自主學習能力以及教師的引導作用，教學過程強調有效輸入和高效輸出，這就意味著在不同的教學階段，教師需要針對不同的實驗教學目標與教學內容，實施多元化的教學模式和多樣化的教學方法，構建以“教師引導+學生主導”的分層分類創新教學模式，以學習興趣為導向，激發學生的實驗參與度，培養學生的工程創新能力。材料性能檢測實驗教學模塊化分層教學，結合材料的“力、熱、光、電和磁”的特性，更加強調材料學科的實用性、交叉性和綜合性，使學生逐步從“傳統接受性學習”過渡到“合作式研究性學習”直至“自主式的深度學習”新模式，如圖 1所示。教學模式變革后，學生實驗過程中需要通過文獻調研、專業知識補充、技能練習、與教師和其他學生互動等途徑確保實驗進展，有助于推動學生工程意識的形成，有利于實現對學生知識跨界整合能力的培養。

“互聯網+教育”背景下信息技術形式的多樣化也為線上教學提供諸多便利。如教師利用本校的云端在線教學平臺將材料實驗教學教案、多媒體課件進行課堂的共享，提前讓學生了解相關實驗內容。課后教師通過發布在線作業、模擬習題等方式便于學生復習和鞏固課上學習內容。組織實驗教學團隊教師制作開發一些典型的材料性能檢測實驗教學案例及高質量實驗教學視頻，一方面既能幫助學生在學習的過程中迅速掌握學習重點，提升學習效率；另一方面也可通過在線平臺實現師生與生生互動，明確實驗課程學習方向，滿足學生答疑需求。

四、確定實驗教學考核與評價方案

材料性能檢測實驗教學的評價應聚焦在學習成果上，立足于實驗課程內容體系的改革與創新、學生知識能力結構的合理構建。建立多元化的課程評價目標，評價標準遵循理論考試與操作考核相結合，以操作考核為主，在評價時關注對學生創新能力與工程素質的考查。重點應考查學生的自我學習能力、實驗操作實踐能力及創新能力，有必要在實驗過程中增加課程的中間過程考核，增加綜合性實驗考核，培養學生收集、處理資料的能力，增進學生的直接知識，使學生掌握實驗技能，培養學生之間的合作能力和團隊精神。根據不同學習能力和學習需求學生的掌握和應用基礎知識的能力，建立詳細的材料性能檢測實驗教學系統考核與評價方案，如圖2所示。通過全過程監控、全過程考核，確保課程的教學質量，有助于推動學生按時保質完成實驗任務，重點考察學生的學習態度和學習質量、工程化能力、分析和解決問題的能力及創新能力，實現對學生實驗效果的合理考核評價。

五、教學效果

通過近幾年材料性能檢測實驗教學的改革與實踐，學院建立了以“學生為主導”的新型教學模式，啟發學生思考，改變被動、機械、死記硬背的學習現狀，提高了學生自主學習的興趣。通過模塊化的材料性能檢測實驗教學體系，強化實驗教學監控機制，讓所有學生都能參與、能操作、能思考、能提高，全面提高學生的分析能力、理解能力、動手能力及創新能力。采用“線上+線下”混合式教學將線上資源與線下教學相結合，加深學生對實驗項目的理解和掌握，提高教學效果。利用工程化理念在材料性能檢測實驗教學的不同授課階段設定遞進式的實驗教學目標與效果，及時全面地檢驗學生階段性學習效果。

六、結論

在“材料性能檢測實驗”教學改革過程中，學院深刻意識到，新工科背景優化對人才培養質量提出了更高的要求。為培養學生的工程能力和創新思維，提升實踐能力，必須優化“材料性能檢測實驗”教學內容，將教學方法、教學模式以及考核評價的改革貫穿于整個教學過程。經過教學改革后的“材料性能檢測實驗”，已經對三屆學生開設，有效解決了實驗硬件設施不足的問題，促使學生從“被動上課”到“主動參與”的轉變，一舉扭轉了“演示性實驗”的教學模式，形成了生動、活潑和有創造力的“主動設計和實踐”的新教學模式，取得了良好的教學效果。

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（薦稿人：謝峻林，武漢理工大學教授）

（責任編輯：向志莉）