浅谈材料类专业本科生实验教学中科研素质的培养

胡骞+黄峰+刘静+甘章华+贾涓

摘要：實验教学对提高本专业学生的科研素质具有重要作用，但是学生在实验过程中暴露出不理解实验目的和方法，缺乏自主思考和探索的意识等问题。通过在实验教学中结合实际，突出实验的目的性及意义，激励学生自主思考和探索的意识等手段，能够营造自主、创新的实验氛围，有助于培养科研意识，掌握科研方法，激发科研精神，显著提高了本科生的科研素质。

关键词：材料学科；实验教学；科研素质

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）34-0264-02

材料学科是一门对动手实践能力有较高要求的学科，该专业的本科生具备良好的实践操作能力和一定的科研素质，对从事相关专业的工作以及科学研究具有重要的意义，实验教学对提高本专业学生的科研素质具有重要作用[1]。然而，长期以来，实验教学都不如课堂理论教学那样受到足够的重视。一则将实验教学看作是专业课的附属课程，主要作用是加深对理论知识的理解，大部分实验仅仅是演示或验证某个实验现象。二则，实验内容较为简单，实验指导书中的实验步骤十分详细，学生完全不需要开动自己的脑筋，被动地重复性操作即可，对学生动手能力的提升效果有限。第三，对于学生实验操作能力的考核不够严格，没有发挥学生的积极性和主动性，对培养学生的创新精神、逻辑思维能力没有起到促进作用[2]。

一、实验教学与本科生科研素质的培养

武汉科技大学金属材料工程系开设了金属材料工程综合试验，包括材料科学基础实验、材料结构分析综合实验、材料性能综合实验、材料表面与界面综合实验，以及材料加工综合实验五个方面的本科实验课程，对教学模式、实验内容、实验手段及考核方法上尝试了一些改革与创新，取得了良好的效果，同时也暴露出一些问题。笔者参与了其中“铁的腐蚀速率的测定”和“铁的钝化曲线的测定”两个实验的教学工作，同时也在指导本科生毕业论文的工作中开展了金属腐蚀方面的实验。笔者认为，实验教学不仅不是理论教学的辅助手段，反而在培养本科生科研素质方面有着课堂教学不可比拟的优势。具体来说，实验教学能培养本科生的科研意识，激发本科生积极从事科学研究的心向，潜心捕捉和发现科研课题的探求欲。其次，实验教学能帮助本科生掌握科研方法，训练本科生选择研究课题、搜集资料、实验研究、总结研究成果、撰写研究报告等具体方法和经验。第三，实验教学能激发本科生的科研精神，促使本科生勇于探索、刻苦钻研、团结合作、不断创新，显著提升本科生的科研素质。

二、本科生金属腐蚀实验中遇到的具体问题

从笔者参与的两项金属腐蚀教学实验来说，“铁的腐蚀速率的测定”和“铁的钝化曲线的测定”实验均为电化学基础实验，两者均是利用动电位扫描的方法进行测试，但实验目的各不相同。前者着重电化学方法快速测定腐蚀速率的原理，后者着重于铁在酸溶液中一种特殊性质的呈现。但是，不可否认的是，许多本科生在实验过程中也暴露出几个方面的问题。

1.不理解实验目的。许多本科生进行实验操作时并不清楚实验目的，即使实验前设有预习的环节，也仅仅是了解实验指导书上的内容，不会进行深入思考。以“铁的腐蚀速率的测定”实验为例，实验目的为“掌握电化学实验装置三电极体系的组装；学会使用恒电位仪，掌握用Tafel方法测定铁的腐蚀速率”。通过实验教学过程的提问发现，学生对恒电位仪的操作方法和用Tafel方法拟合铁的极化曲线基本是了解的。但是对比“铁的钝化曲线的测定”实验，两者均是利用动电位扫描的方法测试，学生就不清楚同样的实验手段为什么可以用来分析不同的问题。

2.不了解实验方法。电化学实验通常采用“三电极体系”来进行，但是学生并不清楚为什么采用“三电极”。参比电极和辅助电极为什么分别选择饱和甘汞电极和铂片电极，是否可以用其他电极替代。这些问题反映的是对腐蚀电化学基础知识掌握的不牢固。

3.缺乏自主思考和探索的意识。之所以表现出上述问题，本质上说明了学生在预习实验内容和进行实验过程中没有主动地思考，即缺乏自主思考和探索的意识。比如“铁的腐蚀速率的测定”实验中，实验指导书上给出的盐桥为常用的玻璃三通结构，而在实际实验中用到的是利用琼脂封装的改进型盐桥，这项明显的差别鲜有学生提出疑问。再如，实验测定铁的极化曲线采用的是动电位扫描的方法，极少有学生考虑过可否使用动电流扫描的方法进行测定。

如果学生在整过实验教学过程中都只是被动地观看老师的演示，听取教师的讲解，简单地重复实验现象，就很难达到实验教学的目的，更谈不上科研素质的培养了。

三、解决具体问题，提升科研素质

1.结合实际，突出实验的目的性及意义。事实上，金属腐蚀实验具有很强应用性[3]。利用极化曲线，能够快速测定金属的平均腐蚀速率。相对于传统的失重法，能够节约测试时间，提高效率。通过钝化曲线的测定，可明确金属的腐蚀电流、腐蚀电位、致钝电流、致钝电位、维钝电流和维钝电位等参数，对于钝性材料的耐蚀性能具有重要的指导意义。因此，在实验教学过程中，可以假定应用场景：某企业要求提供一系列金属材料在特定腐蚀介质中的腐蚀速率。此时，如果采用传统的失重法，不仅耗费材料和精力，更重要的是耽误了时间。如果采用测定极化曲线的方法，则能在较快时间内得出各种金属材料的平均腐蚀速率。再如，某企业主要生产不锈钢制品，不锈钢最主要的性能就是耐腐蚀。测定其钝化曲线，根据腐蚀电流、腐蚀电位、致钝电流、致钝电位、维钝电流和维钝电位等参数便能快速确定其耐腐蚀性能。在撰写实验报告环节，要求学生突出选择腐蚀速率测定方法的依据，训练本科生搜集资料、实验研究、撰写研究报告等具体方法和经验。通过假定两个教学实验的应用场景，帮助学生理解实验的目的性及意义，激发其主动学习的热情。

2.激励学生自主思考和探索的意识。金属腐蚀实验的测试与数据分析都不开计算机技术的支持。计算机技术在腐蚀电化学实验中的广泛应用使实验过程快速、简捷、方便，促进了腐蚀电化学实验的快速发展。金属腐蚀实验所用的AutoLab电化学工作站配套Nova软件能够自由编辑测试方法、参数和次序。如对于“铁的钝化曲线的测定”实验，学生可以根据实验需要自由编辑恒电位极化、自腐蚀电位和动电位扫描测试的参数和顺序，由电脑控制依次自动完成，直接得出钝化曲线，十分便捷。但前提是学生对实验过程充分了解，并有明确的预期结果。这就对学生的自主思考和探索的意识提出了较高的要求。在腐蚀实验数据处理方面同样依赖计算机完成。比如对铁的极化曲线进行拟合是通常使用三参数拟合方法，直接利用Cview软件现有的模型拟合即可。但是如果考虑到极限扩散的影响，使用四参数拟合，则没有现成的模型可用。这时就需要学生根据腐蚀动力学过程，在Origin软件中编辑方程，进行拟合。笔者就曾执导过有一定计算机编程基础的同学在Origin软件中进行了四参数拟合，同时使用Matlab软件编制出了一套材料性能数据分析程序，提高了数据分析的效率和精度[4]。在编辑方程和软件程序的过程中，学生对研究课题的认识和搜集、分析和总结资料的能力得到了提升，科研素质自然得到了明显提高。

四、结语

实验教学是高校教学的重要组成部分，不仅不是课堂理论教学的附属，反而发挥着其独特的作用。实验教学直观有效，便于启发学生的思维，同时还能培养学生的实践能力。武汉科技大学金属材料工程系通过一系列的实验改革，营造一个自主、科学、创新的实验氛围，有助于培养科研意识，掌握科研方法，激发科研精神，显著提高了本科生的科研素质。

参考文献：

[1]何丽明，蒋群，闫晓梅，林志新.实验教学对提高本科生科研素质的探索[J].实验室研究与探索.2016，35（8）：197-199，216.

[2]郑传波，李照磊，龚利华，喻利花.腐蚀防护实验教学改革在腐蚀防护专业人才培养中的作用[J].产业与科技论坛.2016，15（17）：174-175.

[3]刘玉欣，魏世丞，王玉江，梁义.腐蚀电化学实验教学的几点思考[J].电镀与精饰.2016，38（9）：28-30.

[4]胡骞.材料学科本科毕业论文（设计）多样化模式探讨[J].教育教学论坛.2014，（37）：237-238.