以金相技能大賽為契機，提高本科實驗教學水平

黃雪飛　葉金文　王文武　馮慶芬　嚴群

［摘 要］金相樣品的制備及金相組織觀察是材料科學與工程專業本科生必備的基本實驗技能。組織全校大學生金相技能大賽、帶隊參加國家級及省級大學生金相技能大賽，能夠促進實驗教學同行的交流與學習。課題組以金相技能大賽為引領，對材料科學基礎實驗課程進行教學改革，因材施教，探索出了材料科學基礎實驗課程教學的新方法，顯著提高了學生的動手能力、探索能力，激發了學生學習材料科學的熱情，培養了學生精益求精、追求卓越的工匠精神和在科學研究中勇于克服困難與挫折的意志。同時，也促進了任課教師對材料類實驗教學的反思與改進，優化了實驗課程設置，促進了課堂知識與工程實踐的結合，實現了“以賽促教、以賽促學”的良好效果。

［關鍵詞］金相技能；實驗教學；金相技能大賽；材料科學基礎；教學改革

［中圖分類號］ G642.423 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）20-0033-03

材料科學是研究材料的成分、工藝、組織、性能之間相互聯系的科學[1]。其中，材料的顯微組織是材料科學研究的核心，對材料制備工藝的控制和性能的調控都需要以材料的顯微組織為依據。對材料不同尺度顯微組織的表征一般需要使用金相（光學）顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡或其他顯微分析儀器，其中金相組織觀察是研究材料顯微結構特征的最基本的表征手段，對材料更深入細致的顯微組織的觀察往往都以金相組織為參考。因此，金相樣品的制備及金相組織觀察是金屬材料工程專業乃至材料科學與工程專業學生必備的基本實驗技能，金相樣品的制備和金相顯微鏡的使用是全國大多數材料類專業本科生必修的基本實驗項目之一。為了提高材料類專業本科生的金相樣品制備及金相組織鑒別能力、培養大學生的工匠精神，在2012年，清華大學、北京科技大學等全國知名院校聯合發起了全國大學生金相技能大賽。2015年8月，教育部高等學校材料類專業教學指導委員會正式發文，決定作為全國大學生金相技能大賽的主辦單位對大賽的組織工作進行具體指導。全國大學生金相技能大賽得到了教育部的認可，并于近年來成功躋身全國普通高校學科競賽排行榜內的競賽項目[2]。

四川大學（以下簡稱我校）從第三屆全國大學生金相技能大賽開始組隊參賽，此后每一屆大賽均未缺席，并以組織、帶隊參加金相技能大賽為契機，持續對我校材料科學與工程專業的實驗教學進行改革，探索出了一條有特色的材料科學與工程專業實驗教學之路。本文擬介紹我校以金相技能大賽為引領開展的實驗教學改革思路和舉措，以及由此產生的對實驗教學的作用及對大學生綜合素質培養的影響。

一、金相實驗教學的現狀

在我校的課程設置中，金相樣品的制備及金相組織觀察實驗一般安排在原金屬材料工程專業材料科學基礎課帶實驗中，每一屆參與實驗的專業人數在70人左右。從2018年開始，為順應國家新工科的發展要求，我校對本科專業進行改革，將原有的金屬材料工程、材料物理、材料化學、無機非金屬材料工程專業合并為材料科學與工程專業；在專業改革和合并后，金相樣品的制備及金相組織觀察實驗安排在專門的實驗課程——材料科學與工程專業實驗-1中。由于每屆參與實驗的學生人數較多，而實驗學時安排較少，學生在實驗過程中對金相制樣技能和金相組織的認識難以達到較高的水準。同時，現有的課程教學中僅講授了金相技術相關的內容，沒有將金相組織與材料科學基礎的課堂知識有機聯系起來，存在一定的脫節現象。而且，課堂中沒有引入工程案例，導致學生對金相樣品制備技術在工業生產和科學研究中的重要性認識還不夠充分。此外，實驗課程教師并不是金相技能大賽指導教師，這導致學生對金相技能比賽的理解面不足、重要性認識不充分，這也間接導致我校金相技能比賽的參與度不高，參加全國比賽的成績不夠理想。同時，我校機械工程學院材料成型及控制工程專業、空天科學與工程學院相關專業課程也涉及金相組織觀察及鑒別的相關知識和理論，但缺少系統的課程支撐，這也限制了這些專業學生對金相相關知識和技能的了解和掌握。

二、金相實驗教學的改革舉措

基于我校金相實驗教學的現狀和存在的問題，近年來，我校以全國大學生金相技能大賽為契機，持續對材料科學專業基礎實驗課程進行改革，特別注重從課堂教學內容、課程—賽訓結合、教師團隊組建等方面進行改革，主要改革舉措如下。

（一）改進實驗課教學形式，增強課堂知識教學的基礎性和拓展性

金屬材料學涉及的課程知識面廣，包括材料科學基礎、金屬材料學、金屬材料相變及熱處理、材料力學性能以及相關聯的技能實驗等。根據金相技能大賽的要求和多次比賽的經驗，教師們認識到金相技能比賽不僅可以考查學生的實驗技能，也要求學生有深入扎實的理論知識，因此須加強基礎知識和實驗技能教學，使學生明白實驗技能訓練是獲得材料相關知識的重要途徑。在教學中應使學生清晰認識到實驗的目的和要解決的問題是什么，即為什么要做和怎么做。在材料科學與工程專業實驗中，將金相樣品的制備、金相組織的觀察、Fe?C二元合金的平衡組織觀察、金屬的變形與再結晶組織觀察、合金凝固與鑄錠組織觀察等與金相組織觀察及辨識密切相關的實驗項目有機結合，使學生更充分認識到金相樣品的制備及金相組織觀察的重要意義。

（二）引入材料金相實驗相關的國家標準和應用的教學

金相技能實驗不僅需要動手操作能力，還要求有一定的規范性和標準性。因此，學生不僅要深入理解材料專業的基礎知識和基本理論，還應明晰工程實際中應遵守的國家標準和規范。實驗技能及規范要求在傳統教學中是缺位的，我校以組織參加金相技能大賽為契機，在課堂上講解如《金相學術語》（GB/T 30067—2013）《金屬顯微組織檢驗方法》（GB/T 13298—2015）《鋼的游離滲碳體、珠光體和魏氏組織的評定方法》（GB/T 13299—2022）等相關的國家標準，并結合這些國家標準在行業的應用案例講解來達到實驗技能規范性教學目標，使工程類的學生能夠更深入理解金相技能相關規范及其在工業中的應用。

（三）基礎性實驗教學與個性化教學相結合

在基礎性、大眾化教學的基礎上，組建專門的金相技能比賽訓練隊伍，通過對參賽的初選人員進行專門的個性化訓練和指導，使有興趣有能力參賽的學生的材料類專業知識水平、實驗技能水平、標準化意識水平得到進一步提高。對于金相技能特別優秀的學生，可以引導其參與先進金屬結構材料相關研究領域教師的科研項目、將金相技能充分應用于科學研究中，激發他們的研究興趣和創新意識。通過因材施教、個性化培養，能夠顯著提升參賽學生對金屬材料專業的研究興趣，很多參加金相技能大賽的學生在大四期間被免試推薦攻讀研究生，繼續選擇金屬材料相關的專業方向進行深造。

（四）加深學生對金相技能的認識，夯實學生的基本功

我校通過組織和參與金相技能大賽，借助金相研究協會在學生中進行賽前宣講，并在金相課堂及實驗教學中講解大賽的流程和制樣標準，使學生清楚地認識到所學知識的有用性和實驗遵循的標準性，提高他們對金相技能及相關材料理論的認識和參與實驗的主動性。通過校賽和省賽，提高了學生對金相技能的認知度和參與度，也使學生在實驗中更加認真，在訓練中更加刻苦和規范，對技能的掌握更加扎實穩定，培養了勤學苦練、追求卓越、精益求精的工匠精神，練就了扎實的基本功。

（五）組建固定的指導教師團隊，加強專業交流與溝通

我校機械工程學院、空天科學與工程學院相關專業課程中也涉及金相組織的觀察及鑒別的相關知識。通過組建金相技能大賽集訓隊伍和指導教師團隊、聯合舉辦校內選拔賽、共同帶隊參加省賽和國賽等方式，不同專業的教師之間的交流和切磋得以加強，金相樣品的制備和組織觀察的經驗更加豐富，形成了穩定的金相參賽隊伍的指導機制。

三、實驗教學改革的效果與思考

通過以上改革舉措，教師以培養學生的工匠精神、科研探索與創新能力、工程實踐能力為目標和著眼點，穩步提高參賽學生的水平，積極提升實驗課程的教學質量，取得了良好的參賽和教學成績。

（一）激發了學生參與實驗課程的興趣與探索精神

通過組織和參與金相技能大賽，提升了學生對材料顯微組織觀察與研究的興趣，也提升了材料科學與工程專業實驗的課堂參與度與活躍度。特別是學生通過動手實驗，親自揭示材料的顯微組織特征如鐵素體、珠光體、晶粒、位錯、樹枝晶、夾雜物等后，真切感受到了理論課堂中的范式和概念，加深了對專業基礎的認識，對金屬材料的研究產生了濃厚的興趣。特別是實驗選用的樣品并非完全是理想樣品，甚至包括一些隨機的工程用零部件樣品，制樣過程中也會存在各種缺陷，這些缺陷對現象的影響能夠促使學生去不斷思考，追根溯源，不斷分析實驗過程對制樣效果的影響，推測材料的制備工藝等，鍛煉學生獨立思考的能力，并為以后的研究生生涯打下堅實的基礎。同時，這也在一定程度上培養了學生在材料專業工程應用中的失效分析技能。

（二）培養了學生的工程實踐意識和工匠精神

相對于以往實驗課程中僅強調對學生金相組織的基礎知識和制樣技能方面的培養，實驗改革引入了金相樣品制備及金相組織鑒別相關國家標準的講解，建立了金相組織的相關知識與生產實踐的有機聯系，使學生意識到所學知識的有用性。同時，在實驗過程中培養了學生精益求精、追求卓越、不怕困難與吃苦的精神。眾所周知，制備金相樣品涉及預磨、拋光、腐蝕和金相顯微鏡的觀察等多個環節，如果上一環節準備不充分，必然會對下一環節產生負面影響。因此，金相樣品的制備流程是環環相扣的。這使得學生在倒角的準備、不同號碼砂紙的切換、拋光膏的涂抹、腐蝕的時間及腐蝕液濃度等方面都特別小心，積累了熟練控制樣品組織的經驗，最終制備的金相樣品質量、成功率都有了顯著的提高，這極大鍛煉了學生的抗挫折能力和堅韌不拔的意志。同時，金相技能比賽強調實驗操作過程的規范性和實驗后設備的歸位及場地的清理，培養了學生的責任意識。

（三）形成了穩定的指導教師團隊，提高了實驗課堂教學質量

我校組建了金相技能大賽指導教師團隊和學生集訓隊，隊伍中新老結合，既促進了金相相關知識和指導經驗的傳承，也加強了不同學院、不同背景教師之間在金相領域的相互交流和切磋，豐富了教師的教學經驗，使得實驗課程教學相對以往在課程的參與度、活躍度等方面都有了顯著提升。同時，以金相顯微組織知識為依托，提高了其他相關實驗項目甚至是整個實驗課程的教學質量，使學生的獲得感、參與度更高，為打造材料科學與工程專業實驗課程“金課”打下了良好的基礎。

四、結語

全國大學生金相技能大賽對促進材料類專業本科生基礎知識和基本技能水平的提升具有重要的意義。參與金相技能大賽不僅是對基礎實驗學科的傳承，也是培養學生探索和創新精神的重要途徑。我校以全國大學生金相技能大賽為契機，在實驗課程設置、課程內容、教師隊伍交流及大賽準備等方面開展了多項改革舉措，在有限的實驗教學學時下充分發揮了金相知識和技能教學的育人作用，使學生在規則意識、責任意識、專業基礎知識、工匠精神、意志品格等方面都得到了很好的鍛煉和提高。未來，隨著教育部新工科教育的實施和推廣[3-5]，金相實驗課程教學的實施也應進一步考慮與新科技革命的融合，思考金相組織知識在材料科學與工程專業和其他專業學科的交叉作用。材料科學與工程專業實驗課程的內容和形式改革應隨著國際、國內科技變革及工業發展形勢的變化而變化。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 教育部高等學校教學指導委員會.普通高等學校本科專業類教學質量國家標準：上[M].北京：高等教育出版社，2018.

[2] 中國高等教育學會發布“學科競賽排行榜”和“教師教學競賽分析報告”[J].中國高教研究，2020（3）：111.

[3] 鐘登華.新工科建設的內涵與行動[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[4] 金東寒.深化拓展新工科建設 培養新時代卓越工程師[J].中國高等教育，2022（12）：12-14.

[5] 吳巖.勇立潮頭，賦能未來：以新工科建設領跑高等教育變革[J].高等工程教育研究，2020（2）：1-5.

［責任編輯：周侯辰］