基于卓越工程師計(jì)劃的“材料學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”課程改革探索

張義偉 方俊飛

摘? ?要：本文主要針對(duì)我校材料類專業(yè)“材料學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”教學(xué)中存在的問(wèn)題，在教育部“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的背景下，進(jìn)行了在原有教學(xué)基礎(chǔ)上的改革探討，目的是提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、實(shí)踐能力以及創(chuàng)新和綜合應(yīng)用能力，為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)打下良好的前期基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)以培養(yǎng)材料類卓越工程師為導(dǎo)向的理論課程與實(shí)踐過(guò)程的統(tǒng)一，全面推動(dòng)課程改革。

關(guān)鍵詞：材料類專業(yè)? 卓越工程師計(jì)劃? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)? 教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：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(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的高質(zhì)量工程技術(shù)人才，為我國(guó)走新型工業(yè)化發(fā)展道路、建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家和人才強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略服務(wù)，教育部在2009年提出了“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”（簡(jiǎn)稱“卓越計(jì)劃”），“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”明確指出，高等教育培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的工程技術(shù)人才的主要措施是強(qiáng)化教學(xué)過(guò)程中的實(shí)踐環(huán)節(jié)[1-2]。

材料科學(xué)與工程專業(yè)培養(yǎng)的是能在材料的制備、加工工藝、材料結(jié)構(gòu)與性能等領(lǐng)域從事科學(xué)研究、技術(shù)開(kāi)發(fā)、工藝設(shè)計(jì)等方面的高素質(zhì)應(yīng)用型技術(shù)人才。因此材料科學(xué)基礎(chǔ)作為一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，主要闡述了材料學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論，從材料的組織結(jié)構(gòu)出發(fā)，研究材料的成分、微觀組織結(jié)構(gòu)、工藝以及材料性能之間的關(guān)系，既具有較強(qiáng)的理論性，又緊密貼近實(shí)際生產(chǎn)，是材料專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)的必備基礎(chǔ)理論知識(shí)。然而，學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)感覺(jué)非?？菰锍橄箅y以理解，為解決這個(gè)問(wèn)題，許多高校都設(shè)置了材料科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，達(dá)到“專業(yè)課與實(shí)驗(yàn)課程協(xié)同建設(shè)”的目的[3]。材料學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程作為我國(guó)工科院校的材料類專業(yè)課程體系中一門核心專業(yè)必修主干課，有著承上啟下的重要作用，同時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為理論聯(lián)系實(shí)際的重要部分，對(duì)于鞏固學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)、掌握實(shí)驗(yàn)的基本技能、培養(yǎng)學(xué)生的科研水平等方面具有非常重要的作用[4-7]，此外，實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)意識(shí)和思維方式，還可以提高他們的動(dòng)手實(shí)踐和創(chuàng)新能力。我校材料科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程主要面向熱處理、焊接、材料物理等專業(yè)方向，因此本實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容設(shè)置主要圍繞金屬材料進(jìn)行。

2? 材料科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題

圍繞材料科學(xué)基礎(chǔ)這門專業(yè)課程，開(kāi)設(shè)了相應(yīng)的驗(yàn)證性以及綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，通過(guò)課程的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)，目的是幫助學(xué)生理解和鞏固所學(xué)有關(guān)材料科學(xué)的基本原理和知識(shí)，使學(xué)生掌握學(xué)科的基本實(shí)驗(yàn)技能，并學(xué)會(huì)觀察和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為后面的專業(yè)課學(xué)習(xí)以及更深遠(yuǎn)的科研打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但是，從以往學(xué)生的學(xué)習(xí)效果來(lái)看，絕大部分學(xué)生缺乏主觀能動(dòng)性，只是單純的想修完相應(yīng)學(xué)分，才去完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，結(jié)果就是時(shí)間久了，所學(xué)的知識(shí)很快忘記，等到后面做畢業(yè)設(shè)計(jì)用到的時(shí)候就全還給老師了。因此，從實(shí)驗(yàn)課開(kāi)設(shè)的目的和成效來(lái)看，材料科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課的改革迫在眉睫。

3? 材料學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量提升的應(yīng)對(duì)策略

材料學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程作為材料科學(xué)與工程等相關(guān)專業(yè)課程體系的一個(gè)重要組成部分，對(duì)以創(chuàng)新為目標(biāo)，提升材料科學(xué)的教學(xué)質(zhì)量，對(duì)完成“卓越計(jì)劃”的人才培養(yǎng)要求有較強(qiáng)的理論與實(shí)踐意義。

3.1 利用先進(jìn)測(cè)試表征技術(shù)，拓展學(xué)生知識(shí)面

材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容主要包括金相顯微鏡的構(gòu)造及使用、金相樣品的制備、奧氏體晶粒度的測(cè)定等基本技能的學(xué)習(xí)，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(jié)晶行為規(guī)律的驗(yàn)證等等。課程設(shè)置的主要目的是讓學(xué)生掌握金屬材料試樣的制備及組織分析方法，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)課中培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際問(wèn)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(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃中所占比例甚高。學(xué)生在顯微鏡下觀察典型組織形貌是實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的重要手段，只有通過(guò)觀察金屬材料的顯微結(jié)構(gòu)，才能真正地理解和掌握理論知識(shí)，從而達(dá)到提高他們認(rèn)識(shí)問(wèn)題和分析問(wèn)題綜合能力的目的。但是實(shí)際的材料科學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)中，有些概念所講述的是在高倍電鏡下所觀察的組織特點(diǎn)，因此對(duì)于在金相顯微鏡下所觀察的組織特點(diǎn)無(wú)法給學(xué)生明確的答復(fù)，使得學(xué)生對(duì)概念產(chǎn)生了懷疑，抑或?qū)ψ约涸诮鹣囡@微鏡下觀察的結(jié)果產(chǎn)生疑慮。比如在“鐵碳合金平衡組織觀察與分析”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，對(duì)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(jī)械混合物，呈現(xiàn)片層狀。但是在金相顯微鏡下的觀察結(jié)果，學(xué)生所看到的僅僅是漆黑一片的結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)橹楣怏w的片層狀結(jié)構(gòu)片層間距比較細(xì)小，而金相顯微鏡的分辨率不足以區(qū)分出相應(yīng)的片層狀。那么讓學(xué)生信服珠光體呈片層狀的結(jié)論，唯有通過(guò)分辨率較高的掃描電鏡對(duì)其進(jìn)行組織觀察，才能給出珠光體呈片層狀的結(jié)論。同樣的問(wèn)題還存在于“碳鋼熱處理后組織觀察與分析”中，對(duì)于教材中給出了在光學(xué)顯微鏡下上貝氏體呈羽毛狀和下貝氏體呈現(xiàn)黑色針狀的區(qū)別，但是同時(shí)又闡述了更微觀的結(jié)構(gòu)區(qū)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(jié)構(gòu)更微觀的表述，對(duì)于學(xué)生就顯得比較抽象難懂，既看不見(jiàn)鐵素體板條，又看不見(jiàn)碳化物的析出，何況他們的具體位置差異。因此在這些內(nèi)容的基礎(chǔ)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(wèn)題還存在于馬氏體和回火馬氏體的差異，針對(duì)回火馬氏體的認(rèn)識(shí)，它是由極細(xì)小的碳化物和鐵素體組成，且保留著原來(lái)淬火馬氏體的形態(tài)，在光學(xué)顯微鏡下難以分辨出其中的碳化物相，因此必須通過(guò)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(qū)別。

諸如此類的問(wèn)題，在材料科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中依然很多。因此，在材料科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，不僅僅讓學(xué)生的理解停留在簡(jiǎn)單的光學(xué)顯微鏡觀察上，同時(shí)應(yīng)該引進(jìn)先進(jìn)的分析測(cè)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(jìn)入到基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，從而滿足在材料科學(xué)基礎(chǔ)這門羞澀難懂的專業(yè)基礎(chǔ)課中。

3.2 采用多媒體實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，提高教與學(xué)效率

在我校目前的材料科學(xué)基礎(chǔ)金相實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，受限于實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和實(shí)驗(yàn)課學(xué)時(shí)等各種因素，目前雖然在實(shí)驗(yàn)室安排上基本滿足每人一臺(tái)金相顯微鏡，做到獨(dú)立操作觀察的現(xiàn)狀。但是一臺(tái)金相顯微鏡每次只能擺放一種樣品進(jìn)行觀察分析，根據(jù)學(xué)生的反饋，每次實(shí)驗(yàn)課最多只能觀察很少的幾種材料的組織形貌。而對(duì)于每個(gè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)安排的一套金相試樣，總共十幾個(gè)試樣之多，因此在現(xiàn)行的教學(xué)條件下，無(wú)法滿足學(xué)生在每個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)后的時(shí)間內(nèi)觀察整套的金相試樣，從而無(wú)法完整的獲取整個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容所傳授的信息。同樣的問(wèn)題還存在于材料科學(xué)基礎(chǔ)課程初學(xué)者，雖然滿足了每人一臺(tái)顯微鏡自己自身的觀察需要，但是無(wú)法通過(guò)和別人共同探討或者在老師的指導(dǎo)下對(duì)組織的深刻認(rèn)識(shí)與理解，因此就存在此類問(wèn)題，雖然觀察到應(yīng)有的組織形貌，但是無(wú)法通過(guò)別人的知道或者同學(xué)的討論，達(dá)到更為深刻的認(rèn)識(shí)。同時(shí)一人一臺(tái)顯微鏡只限于操作者本人觀察，由于沒(méi)有演示設(shè)備，教師在課堂上也只能講解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及設(shè)備操作方法，缺乏直觀性，也難于指導(dǎo)。而本課程理論抽象難懂，知識(shí)內(nèi)容頗多，學(xué)生缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和感性認(rèn)識(shí)，學(xué)習(xí)就存在一定難度。結(jié)果就是一堂課結(jié)束，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中只是按照教師的意圖，按部就班地進(jìn)行，缺乏主動(dòng)性，因而興趣降低。

隨著材料科學(xué)基礎(chǔ)課程內(nèi)容不斷拓展和更新，課程教學(xué)信息量迅速增加，并且有些教學(xué)內(nèi)容單靠課本上簡(jiǎn)單的語(yǔ)言描述和教師的口筆相傳，難以讓學(xué)生接受和掌握所傳授的知識(shí)。因此，必須使用材料科學(xué)基礎(chǔ)及其實(shí)驗(yàn)課程的多媒體課件進(jìn)行教學(xué)。在保持我校優(yōu)良傳統(tǒng)教學(xué)方式的基礎(chǔ)上，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)教學(xué)中又引入了現(xiàn)代金相分析技術(shù)和手段，建立了金相顯微鏡多媒體實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。多媒體實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)包括：數(shù)字顯微鏡、金屬材料學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)圖譜集課件、金相圖像分析系統(tǒng)的處理軟件、數(shù)字化掃描投影儀。教學(xué)系統(tǒng)充分利用當(dāng)今最先進(jìn)的數(shù)字成像技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸及多媒體技術(shù)，能夠支持教師應(yīng)用各種教學(xué)手段進(jìn)行課堂教學(xué)活動(dòng)，將各種媒體形式的教學(xué)資源以最佳的效果呈現(xiàn)給學(xué)生，讓學(xué)生在一個(gè)更加方便、生動(dòng)的環(huán)境中進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。多媒體教學(xué)系統(tǒng)特別適應(yīng)于顯微組織觀察的教學(xué)實(shí)踐中，通過(guò)數(shù)字接口將顯微鏡呈現(xiàn)的組織投影到教室計(jì)算機(jī)屏幕上，從而使學(xué)生能夠有效地進(jìn)行師生互動(dòng)，既能夠節(jié)省所觀察試樣的配備，也能夠減少學(xué)生在未知知識(shí)結(jié)構(gòu)中的摸索。它的使用系統(tǒng)的解決了目前存在于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的一些問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了在實(shí)驗(yàn)教學(xué)上師生的有效溝通，從而使教學(xué)效果得到很大的提高。因此金相實(shí)驗(yàn)室多媒體系統(tǒng)的使用，使學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段得到提高，它是未來(lái)金屬材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要發(fā)展方向[8]。

針對(duì)材料基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程中相關(guān)概念繁多，信息量大，在實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)相對(duì)較少的情況下，要完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容，而且獲得好的教學(xué)效果，因此采用金相多媒體實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，則顯得至關(guān)重要。

3.3 綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生綜合能力

在材料科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，要培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用的能力，就要強(qiáng)化學(xué)生掌握的基礎(chǔ)知識(shí)，提高學(xué)生分析和解決實(shí)際生產(chǎn)問(wèn)題的能力訓(xùn)練[9]。通過(guò)學(xué)生在金屬材料學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)際應(yīng)用能力中，發(fā)現(xiàn)主要存在以下問(wèn)題，首先學(xué)生死記硬背、照抄書本的現(xiàn)象嚴(yán)重，無(wú)法將學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和專業(yè)基礎(chǔ)課程有效的銜接;其次學(xué)生無(wú)法按照所學(xué)的材料科學(xué)基礎(chǔ)的基本理論與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之間科學(xué)性、知識(shí)性有效的協(xié)調(diào)統(tǒng)一;三是缺少理論聯(lián)系實(shí)際的工程實(shí)例，無(wú)法全面應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題，達(dá)不到實(shí)驗(yàn)內(nèi)容知識(shí)的鞏固和學(xué)生能力的提高。

科學(xué)選題是培養(yǎng)學(xué)生解決工程實(shí)際問(wèn)題能力的重要環(huán)節(jié)，因此在我校的金屬材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程中，增加了大量的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，立足于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件開(kāi)設(shè)綜合實(shí)驗(yàn)，著重介紹綜合實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)[10]。比如“奧氏體晶粒長(zhǎng)大規(guī)律的研究”、“熱處理工藝分別對(duì)低、中、高碳鋼顯微組織和性能的影響”、“合金元素對(duì)奧氏體晶粒長(zhǎng)大或顯微組織及性能的影響”、“合金元素對(duì)鋼材淬透性及顯微組織的影響”、“淬火溫度對(duì)45鋼板條馬氏體量及性能的影響”等等綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。另外，我們還一些老師的科研課題的研究，來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。同時(shí)我校還有專門為大學(xué)生建立了“大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目SRTP”、“大學(xué)生挑戰(zhàn)杯”等等，學(xué)生通過(guò)申請(qǐng)此類項(xiàng)目在指導(dǎo)老師的帶領(lǐng)下進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室完成自己所的科研項(xiàng)目，為養(yǎng)成良好的科研思維打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

實(shí)踐表明，開(kāi)設(shè)綜合實(shí)驗(yàn)，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，培養(yǎng)了學(xué)生的綜合素質(zhì)以及創(chuàng)新能力。

4? 結(jié)語(yǔ)

“卓越計(jì)劃”是針對(duì)工程技術(shù)發(fā)展和人才現(xiàn)狀背景提出的重大而深遠(yuǎn)的人才培養(yǎng)項(xiàng)目，新時(shí)代“一帶一路”倡議、《中國(guó)制造2025》等均需要大量?jī)?yōu)秀的工科領(lǐng)域人才，因此，材料科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程的改革必須以此作為前提和契機(jī)，必須要深入學(xué)生中進(jìn)行調(diào)查研究，充分了解學(xué)生在學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在的不足，同時(shí)要學(xué)校應(yīng)該加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建設(shè)和投入，改善實(shí)驗(yàn)條件，建立完善科學(xué)的教學(xué)體系。在材料科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的過(guò)程中，既要重視學(xué)時(shí)的基本實(shí)驗(yàn)技能，又要充分利用綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力，同時(shí)把握住材料科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與材料科學(xué)與工程專業(yè)課程的緊密性結(jié)合，以相輔相成、服務(wù)于專業(yè)基礎(chǔ)課的原則，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和綜合能力，為學(xué)生大四進(jìn)行畢業(yè)論文、以后從事科研工作以及解決實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題打下良好的基礎(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)卓越工程師的目標(biāo)，為我國(guó)培養(yǎng)出越來(lái)越多滿足實(shí)際應(yīng)用要求的卓越工程師。

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