基于卓越工程师计划的“材料学基础实验”课程改革探索
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作者:张义伟 方俊飞
摘 要：本文主要针对我校材料类专业“材料学基础实验”教学中存在的问题，在教育部“卓越工程师教育培养计划”的背景下，进行了在原有教学基础上的改革探讨，目的是提高学生的学习兴趣、实践能力以及创新和综合应用能力，为后续专业课的学习打下良好的前期基础，实现以培养材料类卓越工程师为导向的理论课程与实践过程的统一，全面推动课程改革。
关键词：材料类专业 卓越工程师计划 实验教学 教学改革
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：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
为了培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量工程技术人才，为我国走新型工业化发展道路、建设创新型国家和人才强国战略服务，教育部在2009年提出了“卓越工程师教育培养计划”（简称“卓越计划”），“卓越工程师培养计划”明确指出，高等教育培养具有创新能力的工程技术人才的主要措施是强化教学过程中的实践环节[1-2]。
材料科学与工程专业培养的是能在材料的制备、加工工艺、材料结构与性能等领域从事科学研究、技术开发、工艺设计等方面的高素质应用型技术人才。因此材料科学基础作为一门重要的专业基础课程，主要阐述了材料学领域的基础理论，从材料的组织结构出发，研究材料的成分、微观组织结构、工艺以及材料性能之间的关系，既具有较强的理论性，又紧密贴近实际生产，是材料专业学生学习的必备基础理论知识。然而，学生学习起来感觉非常枯燥抽象难以理解，为解决这个问题，许多高校都设置了材料科学基础实验课程，达到“专业课与实验课程协同建设”的目的[3]。材料学基础实验课程作為我国工科院校的材料类专业课程体系中一门核心专业必修主干课，有着承上启下的重要作用，同时实验教学作为理论联系实际的重要部分，对于巩固学生专业基础知识的学习、掌握实验的基本技能、培养学生的科研水平等方面具有非常重要的作用[4-7]，此外，实验教学可以培养学生的专业意识和思维方式，还可以提高他们的动手实践和创新能力。我校材料科学基础实验课程主要面向热处理、焊接、材料物理等专业方向，因此本实验教学的内容设置主要围绕金属材料进行。
2 材料科学基础实验教学中存在的问题
围绕材料科学基础这门专业课程，开设了相应的验证性以及综合设计性实验，通过课程的教学与实验，目的是帮助学生理解和巩固所学有关材料科学的基本原理和知识，使学生掌握学科的基本实验技能，并学会观察和分析实验数据，为后面的专业课学习以及更深远的科研打下坚实的基础。但是，从以往学生的学习效果来看，绝大部分学生缺乏主观能动性，只是单纯的想修完相应学分，才去完成实验内容，结果就是时间久了，所学的知识很快忘记，等到后面做毕业设计用到的时候就全还给老师了。因此，从实验课开设的目的和成效来看，材料科学基础实验课的改革迫在眉睫。
3 材料学基础实验教学质量提升的应对策略
材料学基础实验课程作为材料科学与工程等相关专业课程体系的一个重要组成部分，对以创新为目标，提升材料科学的教学质量，对完成“卓越计划”的人才培养要求有较强的理论与实践意义。 3.1 利用先进测试表征技术，拓展学生知识面
材料科学实验教学内容主要包括金相显微镜的构造及使用、金相样品的制备、奥氏体晶粒度的测定等基本技能的学习，铁碳合金相图及其平衡组织观察分析、碳钢热处理后的组织观察与分析、金属凝固组织观察与分析、金属冷塑性变形与再结晶行为规律的验证等等。课程设置的主要目的是让学生掌握金属材料试样的制备及组织分析方法，培养学生的动手能力，同时在实验课中培养学生分析和解决实际问题的能力。
显微镜的使用及微观组织观察，特别是钢铁材料的组织观察在整个实验教学计划中所占比例甚高。學生在显微镜下观察典型组织形貌是实验课教学的重要手段，只有通过观察金属材料的显微结构，才能真正地理解和掌握理论知识，从而达到提高他们认识问题和分析问题综合能力的目的。但是实际的材料科学基础课程教学中，有些概念所讲述的是在高倍电镜下所观察的组织特点，因此对于在金相显微镜下所观察的组织特点无法给学生明确的答复，使得学生对概念产生了怀疑，抑或对自己在金相显微镜下观察的结果产生疑虑。比如在“铁碳合金平衡组织观察与分析”的实验教学中，对于亚共析钢、共析钢中珠光体的组织阐述，珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，呈现片层状。但是在金相显微镜下的观察结果，学生所看到的仅仅是漆黑一片的结构，这是因为珠光体的片层状结构片层间距比较细小，而金相显微镜的分辨率不足以区分出相应的片层状。那么让学生信服珠光体呈片层状的结论，唯有通过分辨率较高的扫描电镜对其进行组织观察，才能给出珠光体呈片层状的结论。同样的问题还存在于“碳钢热处理后组织观察与分析”中，对于教材中给出了在光学显微镜下上贝氏体呈羽毛状和下贝氏体呈现黑色针状的区别，但是同时又阐述了更微观的结构区别在于碳化物的析出在铁素体板条的位置差别。因此这种结构更微观的表述，对于学生就显得比较抽象难懂，既看不见铁素体板条，又看不见碳化物的析出，何况他们的具体位置差异。因此在这些内容的基础上，增加更高分辨率的透射电子显微镜，从而观察出上贝氏体和下贝氏体形貌的具体变化。同样的问题还存在于马氏体和回火马氏体的差异，针对回火马氏体的认识，它是由极细小的碳化物和铁素体组成，且保留着原来淬火马氏体的形态，在光学显微镜下难以分辨出其中的碳化物相，因此必须通过扫描电子显微镜或者透射电子显微镜，才能清楚的辨别出马氏体和回火马氏体的区别。
诸如此类的问题，在材料科学基础实验教学中依然很多。因此，在材料科学基础实验教学环节中，不仅仅让学生的理解停留在简单的光学显微镜观察上，同时应该引进先进的分析测试手段，比如扫描电子显微镜、透射电子显微镜以及能谱仪等等，进入到基础的实验教学中，从而满足在材料科学基础这门羞涩难懂的专业基础课中。
3.2 采用多媒体实验教学系统，提高教与学效率
在我校目前的材料科学基础金相实验教学中，受限于实验设备、实验场地和实验课学时等各种因素，目前虽然在实验室安排上基本满足每人一台金相显微镜，做到独立操作观察的现状。但是一台金相显微镜每次只能摆放一种样品进行观察分析，根据学生的反馈，每次实验课最多只能观察很少的几种材料的组织形貌。而对于每个教学实验安排的一套金相试样，总共十几个试样之多，因此在现行的教学条件下，无法满足学生在每个实验学时后的时间内观察整套的金相试样，从而无法完整的获取整个实验内容所传授的信息。同样的问题还存在于材料科学基础课程初学者，虽然满足了每人一台显微镜自己自身的观察需要，但是无法通过和别人共同探讨或者在老师的指导下对组织的深刻认识与理解，因此就存在此类问题，虽然观察到应有的组织形貌，但是无法通过别人的知道或者同学的讨论，达到更为深刻的认识。同时一人一台显微镜只限于操作者本人观察，由于没有演示设备，教师在课堂上也只能讲解实验内容及设备操作方法，缺乏直观性，也难于指导。而本课程理论抽象难懂，知识内容颇多，学生缺乏实践经验和感性认识，学习就存在一定难度。结果就是一堂课结束，学生在实验过程中只是按照教师的意图，按部就班地进行，缺乏主动性，因而兴趣降低。
随着材料科学基础课程内容不断拓展和更新，课程教学信息量迅速增加，并且有些教学内容单靠课本上简单的语言描述和教师的口笔相传，难以让学生接受和掌握所传授的知识。因此，必须使用材料科学基础及其实验课程的多媒体课件进行教学。在保持我校优良传统教学方式的基础上，我们在实验教学中又引入了现代金相分析技术和手段，建立了金相显微镜多媒体实验教学系统。多媒体实验教学系统包括：数字显微镜、金属材料学实验教学图谱集课件、金相图像分析系统的处理软件、数字化扫描投影仪。教学系统充分利用当今最先进的数字成像技术、网络传输及多媒体技术，能够支持教师应用各种教学手段进行课堂教学活动，将各种媒体形式的教学资源以最佳的效果呈现给学生，让学生在一个更加方便、生动的环境中进行自主学习。多媒体教学系统特别适应于显微组织观察的教学实践中，通过数字接口将显微镜呈现的组织投影到教室计算机屏幕上，从而使学生能够有效地进行师生互动，既能够节省所观察试样的配备，也能够减少学生在未知知识结构中的摸索。它的使用系统的解决了目前存在于实验教学中的一些问题，实现了在实验教学上师生的有效沟通，从而使教学效果得到很大的提高。因此金相实验室多媒体系统的使用，使学校实验教学手段得到提高，它是未来金属材料实验教学的重要发展方向[8]。
针对材料基础实验课程中相关概念繁多，信息量大，在实验学时相对较少的情况下，要完成实验教学目标和内容，而且获得好的教学效果，因此采用金相多媒体实验教学系统，则显得至关重要。
3.3 综合性实验设计，培养学生综合能力
在材料科学基础实验教学中，要培养学生综合应用的能力，就要强化学生掌握的基础知识，提高学生分析和解决实际生产问题的能力训练[9]。通过学生在金属材料学实验教学中的实际应用能力中，发现主要存在以下问题，首先学生死记硬背、照抄书本的现象严重，无法将学习的实验教学内容和专业基础课程有效的衔接;其次学生无法按照所学的材料科学基础的基本理论与实验内容之间科学性、知识性有效的协调统一;三是缺少理论联系实际的工程实例，无法全面应用所学知识解决问题，达不到实验内容知识的巩固和学生能力的提高。 科学选题是培养学生解决工程实际问题能力的重要环节，因此在我校的金属材料实验教学课程中，增加了大量的综合性实验项目，立足于现有实验条件开设综合实验，着重介绍综合实验方案设计，优化实验内容，创新实验培养[10]。比如“奥氏体晶粒长大规律的研究”、“热处理工艺分别对低、中、高碳钢显微组织和性能的影响”、“合金元素對奥氏体晶粒长大或显微组织及性能的影响”、“合金元素对钢材淬透性及显微组织的影响”、“淬火温度对45钢板条马氏体量及性能的影响”等等综合性设计实验。另外，我们还一些老师的科研课题的研究，来培养学生的综合能力。同时我校还有专门为大学生建立了“大学生科研训练计划项目SRTP”、“大学生挑战杯”等等，学生通过申请此类项目在指导老师的带领下进入实验室完成自己所的科研项目，为养成良好的科研思维打下坚实的基础。
实践表明，开设综合实验，提高了学生学习的积极性和主动性，培养了学生的综合素质以及创新能力。
4 结语
“卓越计划”是针对工程技术发展和人才现状背景提出的重大而深远的人才培养项目，新时代“一带一路”倡议、《中国制造2025》等均需要大量优秀的工科领域人才，因此，材料科学基础实验课程的改革必须以此作为前提和契机，必须要深入学生中进行调查研究，充分了解学生在学习实验过程中存在的不足，同时要学校应该加强实验教学的建设和投入，改善实验条件，建立完善科学的教学体系。在材料科学基础实验教学改革的过程中，既要重视学时的基本实验技能，又要充分利用综合性设计实验来培养学生的综合创新能力，同时把握住材料科学基础实验教学与材料科学与工程专业课程的紧密性结合，以相辅相成、服务于专业基础课的原则，提高学生的工程实践能力、创新能力和综合能力，为学生大四进行毕业论文、以后从事科研工作以及解决实际应用问题打下良好的基础，从而实现培养卓越工程师的目标，为我国培养出越来越多满足实际应用要求的卓越工程师。
参考文献
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