针对应用型本科人才培养“材料科学基础”课程实验教学改革的探索与思考

来源:用户上传      作者:方一航 吴建波 王宇 霍颜秋 张平 王天乐

　　摘要：针对“材料科学基础”课程实验教学中存在的问题，对原有实验教学内容、教学方式、设备进行了革新。除保留并改进少量经典的验证性小实验外，增设了综合性实验，尝试了“三动式”、“三结合”和“二平台”三位一体的教学模式，进行了设备的资源优化。实践证明，通过教学改革，大大提高学生的动手能力以及分析和解决问题的能力，为其后续学习打下坚实的基础。
　　关键词：材料科学基础;实验教学改革;应用型人才
　　中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）43-0132-03
　　 随着地方应用型本科院校的转型发展，如何强化培养学生与地方社会经济相对应的创新能力、应用能力和实际操作能力，是目前地方应用型高校人才培养亟须解决的问题[1，2]。实验教学作为高校教学工作的重要组成部分，对培养学生理论联系实际的能力、科学思维方法、实践动手能力以及严谨的工作作风等，均具有十分重要的意义[3，4]。重视实验教学，加强学生动手能力的训练和创新意识的培养，已成为地方性本科院校人才培养的共识。
　　“材料科学基础”是台州学院材料类专业大一下半学期开设的一门重要专业基础课。该课程从各种材料的共性基础出发，阐明了材料的成分、结构、工艺、性能之间的关系，对材料的生产、使用和发展具有重要指导意义[5]。该课程具有术语概念多、推导多、设计知识面广且抽象等特点，学生在学习中易出现概念混淆、难以理解和学习兴趣提高困难等问题。为解决这一难题，大部分高校开设了与材料科学基础课程教学配套的实验课程。该课程的主要目的是培养学生的基本实验、实践能力，能应用所学基本知识分析实验现象，解决实验中出现的问题，不仅能验证理论教学的内容，还能提高学生的实验基础技能。为进一步凸显地方性本科院校“应用”的特征，台州学院医药化工与材料工程学院材料工程系启动材料类人才培养方案，将材料科学基础课程实验的学时数从原先的15学时提高至32学时，课程分两个学期进行。学时的提高对实验教学提出更高的要求，如新增的实验学时如何设置实验内容，是否更换原先的实验内容，实验教学和设备是否进一步革新。因此，如何解决这些问题，成为材料科学基础课程实验能否进一步改善的一大挑战[6，7]。
　　一、原有实验内容及实验教学现状
　　原材料工程系人才培养计划中设置的材料科学基础课程实验只有2个，除了金相显微试样的制备与观察、Fe-C合金相图及平衡组织观察等与金属材料相关的基础实验外，材料科学基础课程中相关的其他理论实验几乎没有。随着现代材料技术的突飞猛进，无机非金属材料、纳米材料、功能材料等新材料进入井喷式发展[8，9]，以上实验已无法满足其最基本的课程实验要求，应着重加大材料类别及相关的理论基础实验。
　　（一）实验内容单一且相似度高
　　原实验项目大多为验证性实验，仅针对金属材料进行必要的金相制备、组织分析，常常出现理论知识点相近的基础实验项目，但材料科学基础课程中出现的相关章节理论知识难点均未涉及，比如晶体结构、晶体缺陷、相平衡及相图、扩散定理等。以上知识点是材料科学基础的核心，缺乏知识点的融会贯通，不利于对材料核心知识点的掌握。
　　（二）实验教学模式缺乏创新
　　实验教学模式大多采用陈旧的教科书式教学：首先，对理论知识点进行详细讲解，从实验目的、原理、操作、注意事项等进行阐述;然后，在实验教师的指导下，学习实验步骤及注意事项;最后，按照实验指导书及上课内容按部就班地进行基础实验。通过一堂课的实验学习，学生只知道其然，而不知道其所以然，不能充分掌握所学的理论知识点。
　　（三）实验设备陈旧且台套数不足
　　由于对材料科学基础实验室的重视度不足，原先实验室配置的金相显微镜、磨抛机等设备基本都是2003—2006年购买的老旧设备，经常出现照明灯失明、目镜及物镜磨损严重导致观察视野模糊、目镜转换系统失灵等问题。因此，学生上课时间延长，非教学问题众多，严重影响教学质量。
　　二、实验教学改革的探索与思考
　　针对上述实验问题，结合我校其他学院实验教学中心的经验以及调研其他兄弟院校，材料工程实验室对原有材料科学基础实验进行了改革，以期满足地方性应用型本科人才培养要求，充分发挥实验教学在专业教学中的作用。
　　（一）实验项目的革新
　　在原材料科学基础实验项目的基础上，增加典型金属晶体结构堆垛模型分析、单晶硅片位错蚀坑的观察、金属表面渗镀层的显微组织观察、氯化铵饱和溶液的结晶、Pb-Sn二元相图的测定、金属塑性变形及再结晶、金属材料的熔炼与铸锭、材料密度和吸水率及气孔率的测定等实验项目。这不仅保留了能加深学生对经典基础理论知识理解的验证性实验，还增加了侧重培养学生综合实践能力的综合性实验。如单晶硅片位错蚀坑的观察实验，学生通过动手操作切割、清洗、腐蚀、观察单抛硅片等实验步骤，理解了晶体线缺陷的理论知识点，学会了如何通过实验了解更多材料理论知识点的方法。课堂结束后，学生都意犹未尽，基本消除刚开始接触晶体缺陷理论知识的迷茫。
　　（二）实验课堂教学攻略
　　传统的预习、理论讲解、实验操作等教学环节，学生做完实验后常常不知道做此实验的目的、意义。为进行课堂教学改革，我们尝试了“三动式”、“三结合”和“二平台”三位一体的教学模式，极大提高教学质量，深受学生欢迎[10，11]。“三动式”是指“互动、联动和滚动”，其实质就是注重调动学生主动参与的积极性，突出表现教学观的与时俱进。“互动”是指学生与教师相互交流，相互碰撞，相互启发，达成共识;“联动”是指促进课堂教学与社会实践的有机结合和良性结合;“滚动”是指挖掘和盘活学生中蕴藏的自我教育资源，增强教育影响力。“三结合”是指系统学习和专题讲授相结合、课堂理論教学与现代化教学手段相结合、课堂学习与课外学习相结合。“二平台”是指通过网络教学资源信息发布，形成一个开放式的辅助教学平台，延伸课堂教学内容，搭建师生互动平台。通过以上教学方式的改革，实验课堂充满生机，学生满载而归。 　　（三）旧设备的再利用和新设备的更新
　　为提高设备的利用率以及助力实验项目顺利开展，实验室进行了设备资源的优化。如金相显微镜过于陈旧，基本购置于2003年，但是丢弃属于国家资产的流失，因此我们开发了氯化铵饱和溶液的结晶实验。本实验目的主要是观察材料的结晶过程及其晶体组织特征，由于原先金属材料的结晶过程实验温度过高，不利于结晶实验的观察，因此采用硫酸锌饱和溶液的常温结晶观察。为能有效提高观察质量，在原先金相显微镜的基础上，增加了简易电子显微摄像系统。除此之外，实验室根据最新的网络化教学需求，新增了金相多媒体实验室，配备了金相多媒体系统和模拟软件系统[12，13]。此实验室既解决了因实验场地不足导致的实验效率问题，也将教师的传统教学与网络教学有机结合起来，提高了教学效果。另外，通过开设部分教学动画、录像等演示实验替代部分验证性实验，将有限经费尽可能投入综合性、设计性实验教学，有效提高资金使用效率和实际教学效果。
　　三、教学实验改革的预期效果
　　我院材料科学基础课程实验开设在第二学期，是材料类本科生接触的第一门专业基础课程实验。它原先是主要围绕金属材料的实验项目，课程理论知识点较多，学生往往出现踏出实验室即遗忘的现象。经过实验教学改革，学生的创新能力、动手能力得到极大提升，实验教学改革成效初显。
　　（一）调动学生学习专业知识的积极性
　　材料科学基础实验课程中的实验项目大多根据核心理论知识难点开设，匹配度高。学生通过实验的讲解、互动、操作，把握住关键知识。课程实验完成后，学生还会积极主动去图书馆或网上查阅资料，自行安排时间再度完成实验操作，实现从要做实验到自己想做实验的态度转变。
　　（二）实验内容合理，验证性和综合性实验相辅相成
　　在保留原先经典验证性实验的基础上，增加具有一定创新性和动手能力强的综合性实验的比例。开设综合性实验后，整个实验都是在实验室教师的指导下由学生独立完成，对培养学生主动学习、灵活运用所学理论知识、激发学生的学习热情、提高学生解决分析问题的能力，都具有一定的效果。
　　（三）参加专业技能竞赛成绩喜人
　　学生通过材料科学基础实验的培养与锻炼，为后续材料专业实验学习打下良好的基础，进一步增强专业技能和自信心，敢于和清华大学、北京科技大学等“985”院校的学生比拼。例如，从第三届开始，学生分别赴北方民族大学、昆明理工大学、清华大学、南昌大学，参加了四届“蔡司杯”全国大学生金相技能大赛，累计获得团体一等奖2项，个人一等奖奖项3项，个人二等奖6项目，个人三等奖3项，优秀指导教师奖10项，获奖人数和获奖等级名列浙江省高校第一。这些赛事扩大了台州学院在全国高校中的影响力，也充分展现了我校注重强化学生应用能力培养的成果。
　　四、结论
　　“材料科学基础实验”是“材料科学基础”课程建设的有机组成部分，两者相辅相成，实验教学更是直接影响到学生专业实践动手能力和创新能力的培养。经过各实验的学习和锻炼，学生掌握了基本实验技能。教学改革的一个任务就是让学生从“要我学”转化为“我要学”，着重培养学生独立思考、分析问题和解决问题的能力。因此，实验教学改革是一项势在必行的艰巨任务。如何开展材料科学基础实验的教学改革，仍然值得进一步深思和探讨。
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