持续改进金属材料实验教学质量的实践

彭成红, 朱小科, 傅伟文

(华南理工大学 材料科学与工程学院， 广州 510640)

0 引 言

教学工作是高校永远的中心、永恒的主题[1]，但是高校的教学仍处于“偏心”状态[2]，而实验教学甚至更加处于教学中的“偏心”状态。

实践教学是大学教学的重要组成部分，是培养大学生创新精神和实践能力的主要阵地[3]。重视教学，提高高等学校的实验教学质量，在实验教学中解决对学生创新能力培养的问题，是一项长期的工程。探讨持续改进金属材料本科实验教学质量的途径，无疑对培养本科生在金属材料科学与工程方面的创新素质具有重要意义。

1 金属材料实验教学现状

金属材料实验课程包括了机械工程材料、金属材料及热处理、材料科学基础、材料微观分析方法等理论课的实践教学环节，从总体状况来看，实验项目丰富，教学模式多样，取得了一定的成绩，但还有很大的发展空间。目前实验室已经建立的自主式综合实验教学课程，如机械工程材料综合实验，从大量学生的实验过程和实验报告来看，学生对实验技能的掌握已经相当好，但对金属材料相关理论的综合应用还存在薄弱环节；对创新班的实验教学缺乏经验。创新班，即本硕(博)连读班是高等学校的新鲜事物，在本科阶段实行宽口径培养，课程设置宽泛而不深入。对于选择金属材料方向的材料创新班学生，他们在金属材料方面开设的理论课程的比例较少，前期的金属材料科学与工程理论知识准备不足，加上创新班学习期较短，对全程自主式的实验课，学生一直反映难度大、时间紧。

此外，一些实验方法和实验设备陈旧，对新工艺新技术的传授不足；本科实验教学对现代教育技术的利用还需加强，实验室目前的教学手段仍然以传统的言传身教为主，对视频教学，远程教学，虚拟教学的应用上尚显不足。

2 持续改进教学质量的措施

持续改进实验教学质量，是人才培养的基本要求。金属材料实验室近年在创新实验教学方法和模式、建立注重过程监控的实验教学考核方法等方面做了长期的探索，如图1所示。

图1 金属材料实验教学改革与研究的步骤与内容

2.1 金属材料实验教学体系构建

实验教学创新人才培养的核心内容是实验教学课程体系的改革。实验教学需要根据高校发展总目标与人才培养要求，结合专业实际和学生的个性化需求，打破传统的实验课依附理论课格局，构建强化分层次、立体化的本科实验教学课程体系。经过多年的探索，2016年开始进行了全校本科教学的大纲修订，金属材料实验教学形成了由演示性、验证性，到综合性、数据性、研究性、创新性的分层次的实验教学体系，见图2。

图2 金属材料分层次实验教学体系示意图

金属材料实验课程面向的专业范围宽，结合目前我校2013年本科教学大纲修订计划，修订了机械工程材料综合实验、金属材料综合实验、材料科学基础实验等课程的教学大纲，新编制了材料力学性能实验的教学大纲。大纲对实验技术的内容进行了更新，对没有实验的课程进行了增补，增加了实验学时，并对每个实验项目对应的实验耗材列出详细清单。材料学院也对材料类创新班的教学计划和管理方式进行了改革，调整了部分不合理的课程设置，创新班的学生实行双向流动管理机制等。

实验教学应以传授先进的实验技术为宗旨，机械工程材料综合实验教材的更新将对相关内容进行调整。实验技术的先进性需要与当今的科技发展接轨。比如，金属材料实验中金属材料的热处理是比较重要的部分，根据“美国热处理技术发展路线图”[4]，纵观国内外热处理技术的发展，其总体战略的出发点大致可分为：① 可持续发展战略；② 产品质量的持续提高；③ 节约能源；④ 提高生产效率，降低生产成本；⑤ 降低劳动强度，减少劳动力的用量。先进热处理技术的体现形式首先是对环境没有污染，主要特点之一就是节能[5]。实验室目前采用了广泛用于生产的清洁工艺：真空热处理；等离子热处理；可控气氛热处理；感应加热热处理等。

金相技术也是金属材料实验课程的重要内容，我校的制样技术，从1958年金相室成立以来，均采用湿磨技术，即在水流的作用下磨制金相样品。经调查，这种技术在南方地区应用广泛，但需要长时间的水流，对节约资源，保护环境不利。抛光工艺方面，各个实验室采用的抛光料以氧化铝和氧化铬居多，但是氧化铝效率低，氧化铬污染大。经过综合考虑，目前实验教学已经采用了手动干磨，预磨机细磨及金刚石抛光的制样技术。

2.2 改革实验教学考核方式，注重过程质量监控

实验教学改革的对象是学生，他们是教学改革的受益者，也是鞭策者，所以教改要实现以学生为主体的师生互动性，在教学内容、教学方法、教学考核、教学管理等方面进行改革，营造个性化的实验教学服务体系。针对不同的实验课程类型，制定不同的实验教学考核方式，基础性实验教学采取统一管理、统一批阅、统一评分的模式；综合性、设计性实验采用多模式考核方式，目前综合实验课程已经形成由实验预习—实验过程及数据记录—实验技能竞赛—PPT实验汇报演讲—实验报告(论文)等环节构成的考核方式。

在“以赛促教”精神的指引下，从2012年开始实验室开展了实验课的课内竞赛，实验室积极参加教育部高等学校材料类专业教学指导委员会主办的“全国大学生金相技能大赛”；2015年金相技能竞赛通过了实验教学团队的讨论，列入了金属材料综合实验的教学和考核环节；2017年在获得徕卡显微系统有限公司的支持下，“金属材料综合实验”和“机械工程材料综合实验”两门课程同时开展金相竞赛，参加学生超过170人。实验技能竞赛大大激发了学生的学习兴趣与热情，对改变学生重理论轻实践的思想有积极意义，也逐步落实了黄伯云院士[6]为大赛提出的“以赛促教，以赛促改，以赛促学”的竞赛目的。

2.3 探索实验课程新模式

实验室承担了2014年华南理工与香港高等学校交流计划的金属材料综合实践教学任务，香港高校的本科生也是大方向招生，宽口径培养，与我校的创新班培养模式有相似之处，他们的教学思路对我们有可借鉴的地方。城市大学钟志源教授首先提出了自主实验，团队共同完成一个实验项目的思路，由实验室拟定实验方案。

综合实践以金属材料最基本的理论——铁碳相图和碳钢的热处理转变曲线为依据，设计了45、T8、T12钢成分—结构—性能综合研究的实验方案。香港城市大学物理及材料科学系的学生与我校创新班学生在课程设置方面有相似之处，而且不可否认，他们的素质也是相当良好的。特别是参加该计划的香港城市大学的学生，均学业优秀，其中不乏来自内地省市的高考第一名或前十名。从PPT演讲和实验报告内容来看，学生有的选择了连续转变的实验结果，有的选择了等温转变的实验结果进行分析，不同程度实现了数据的团队共享，在综合运用热处理原理来设计实验方案，分析实验结果方面有明显进步。我校参加交流计划的学生来自金属材料的多个班级，交流计划项目的学生在“45钢热处理综合实验报告”中写到，“通过这次实验，我体会到实践与理论的相互作用。课本上的理论知识指导我们来设计实验”，“而实验的结果又反过来验证了理论知识，加深了对知识的理解”。事实证明该实验教学的模式，对创新班的实验教学是一次有益的尝试。

2.4 构建网络化实验教学平台

国内外对实验教学的现代化相当重视[7-8]，运用现代教育技术促进各级各类教育的改革和发展，已经成为当今世界各国教育改革的主要趋势和国际教育界的基本共识。而国际教育界之所以会有这样的共识，是因为现代教育技术的本质是利用新技术(特别是信息技术手段)去优化教育教学过程，从而达到提高教育教学效果、效益与效率的目标[9]。肖毅等[10]认为，现代教育技术的引入，促进了实验教学手段的改革，启发了学校实验教学与管理新思路，让学生在进入实验室实际操作前，能更好地理解、掌握实验教学内容的知识要点和操作要领，进入实际操作时能顺利地达到实验教学的目的。在实验教学中，引入现代教育技术，是人才培养和实验教学改革发展的必然趋势。不过具体针对材料科学与工程的实验教育技术研究还少有报道。

在学校的支持下，2012年实验室搭建了综合实验的教学网站[11]。该网络教学平台积累了实验室从1999年机械工程材料综合实验开设以来的教学经验，教学素材，并新拍摄了一大批教学视频，使学生在预习、复习及实验总结方面都更加方便，见图3。一些实验项目的虚拟动画制作仍在进行中。2014～2015年搭建了材料学院实验中心的交互式开放性多媒体实验教学系统，该系统示意图见图4，初步实现了以学生为中心的立体互动实验教学方式的搭建。利用这一系统，“实验室安全规范”用手机APP平台考试已有2年。2016年实验中心在虚拟实验教学方面开始尝试，对成本高、时间长、有危害的实验项目开始虚拟实验的探索，网页截图见图5[12]。实验室虚拟实验面向材料科学基础、金属材料力学性能、金属材料综合实验及机械工程材料综合实验开设了4个实验项目，2017年初投入使用，目前已经超过200名学生进行了虚拟实验。

图3 金属材料实验室网络实验教学平台网页截图

图4 材料学院实验中心交互式开放性多媒体实验

图5 材料学院实验中心虚拟实验室网页截图

2.5 实验教学质量评价分析体系试行

教学质量的评价是件很复杂的事，实验教学质量的评价则更难。它涉及指导教师的教学与指导、实验技术人员的准备和管理、仪器设备条件以及实验项目的内容。由于它难，使很多学校不重视质量评价和监控，这导致实验教学循规导矩，毫无新意[13]。实验室结合实验教学的特点，从“教”与“学”两方面着手，尝试对实验教学质量进行评价。

从实施办法来讲，金属材料实验教学质量的评价有3个方面:① 学生评教。实验课程的指导和辅导教师都纳入学校的本科教学管理体系，由学生对老师进行评分。内容包含了对指导教师的教学态度、教学水平和课程收获的评教。同样的课程，不同教师的学生评价可以反映出教师的态度和水平的差异。② 教学组成员自评及互评。每年小组定期总结交流，以自我检查，相互促进。③ 专家督导对实验教学课堂纪律、教学方法以及效果等的评价。经过实践，这些方法对实验教学质量的提高具有一定的促进作用。

教学质量的评价体系各高等院校，各有方法，常见的以学生评教为主，即以学生为中心的方法。结合工程认证的思想，实验教学的评价体系还应该引入“目标导向”思路，如何以工程认证的指导思想改进实验教学质量，这将是今后实验教学持续改进的方向之一。

3 实践效果

在“加快教育现代化，建设教育强国”精神的指引下[14]，金属材料实验教学的建设一直在前行的路上。经过实验教学的持续改进，取得明显的建设成效。

(1) 面向多个专业开展实验教学，教学方法的改进使众多学生受益。金属材料实验教学面向材料科学与工程专业金属材料方向，机械和材料创新班、机械工程、机电工程、材料控制与成形等专业开展实验教学，每年接纳全校6个专业方向学生进行实验，并为其他专业本科生、研究生提供实验室开放服务，年受益学生600余人。

(2) 学生实践能力、创新能力提高显著。实验教学要真实地培养学生的实践能力与创新能力[15]，在实验室中开展教学活动，才能培养尖端科技人才[16]。实行从过程到结果全程质量控制，切实考察了学生的动手能力、分析问题解决问题的能力，使学生的综合素质得到全面提高。结合即将完成的材料科学与工程专业工程教育认证，所采用的教学方法和模式，符合工程教育对实践教学的要求；通过对全体学生的成绩评价，所开设的实验课全部都达成了课程的教学目标。

学生充分表达了对课程的收获和喜爱，学生在综合实验课程结束后反馈到：“大家都经历了一段认认真真自己摸索、自己实践、自己解决问题的过程……”“享受这一种学习方式”。在实验课程教学的基础上，组织学生参加竞赛，在多次全国大学生金相技能大赛中取得好成绩。

(3) 实验教学队伍的教学水平得到明显提高。随着教学改革的深入，对实验教学队伍提出了更高的要求,对实验技术人员的要求也更高[17]。经过多年的锻炼，具有现代创新教育意识和教学技能的教师正在成长，特别是青年实验技术人员在网络教学平台和虚拟仿真实验项目的开发与维护方面的能力得到提高。厚积薄发，教学组正式出版了广东省精品项目资助教材——《机械工程材料综合实验》[18]。教材总结了10多年的教学经验，并融合了实验教学改革的方法和成果。实验教学人员多次获得学校本科教学优秀奖，教学组获得2016年上半年的本科课堂教学质量优秀, 课程评教结果排名前10%奖励。

4 结 语

近几年来，金属材料实验教学以培养学生 “实验技能、科学素质、创新思维、个性发展”的综合能力为目标，在实验教学体系与内容，实验教学方法与模式，实验教学考核方式方面进行了研究和改革，并取得一定的成效。搭建了分层次、个性化金属材料实验教学体系，修订了实验教学大纲，探索了新型个性化机械类、材料类创新班的实验教学模式，建立了切实可行的实践教学评价体系。加强实验室的硬件建设和先进教育技术的应用，初步建成了以学生自主学习为中心的网络教学和虚拟仿真实验教学平台。持续改进金属材料实验教学质量的实践与探索，取得良好的教学效果，在高等教育的实践教学环节进行了有益的尝试。