逆向思维在工程材料实验教学中的应用

黄小华

（江西科技学院 南昌 330098）

1 引言

工程材料实验是机械类和材料科学类专业的一门实践性很强的专业基础实验课，是工程材料及热处理，机械工程材料、金属学及热处理以及机械制造基础等课程实现应用型人才培养目标的关键环节。目前，该实验教学大都是老师讲授、演示，学生按照要求重复实验步骤，机械操作、无自主性，缺乏学习积极性，实验既没起到加深理论知识的理解的作用，不利于学生实践能力的培养，和应用型人才培养目标偏差较大。为了解决以上实验教学中存在的问题，本文提出采用逆向思维的方法来设计实验，以提高学生实验的积极性、自主性和实践动手能力。

2 逆向思维设计实验的理念

目前，关于提高学生的学习积极性和实践能力的教学改革研究有很多，[1-3]且大多数研究致力于开放性综合性实验教学，研究表明开放性实验教学对提高学生的实验积极性和实践能力起到较好的作用，但其不一定适合适用于所有高校。如，我校是一所以应用型人才培养为目标的本科院校，学生基础水平层次参差不齐，水平层次差的学生不乏少数。这种涵盖知识点多而广的开放性实验教学，对层次水平较低的学生和低年级学生来说可操作性较差，验证性基础实验和一些基本型的综合实验可能更适合我校大多数学生。因此，如何设计验证性基础实验和基本型综合实验，以激发学生实验积极性、自主性和提高学生实践动手能力，就变的非常关键。

一般来说，实现应用型人才培养和提高学生实践能力的前提是学生必须动手做，兴趣和信心是学生乐意动手做的驱动力，它们可以激发学生的求知欲，推动他们去探究和学习，进而发展他们分析问题解决问题的能力。而逆向思维是一种具有启发性、创造性、灵活性的求异思维，同时也是提出问题、分析问题和解决问题的一种重要方法。[4]逆向思维法是指从相反方向思考问题的方法，是运用颠倒过来的思维方式进行实验设计的方法，打破正向思维所形成的思维定势，克服思维的“框框”，从而取得一定的实验设计成果。[5]这种方法在中学实验教学中已经被广泛研究和应用，它不仅可以提高学生的学习兴趣和提高学生实践动手能力，而且还使教学效果事半功倍。在物理学史上，法拉第提出“把磁转变成电”的思想，进一步设计了各种实验发现电磁感应现象，就是一例。可见，逆向思维对于培养应用性和创造性人材有着重要的作用。因此，在工程材料实验教学中试图打破传统实验方式以逆向思维进行实验创新设计，以增加学生实验积极性，提高学生实践动手能力和创新意识，同时也为其他同类院校提供一定借鉴意义。

3 逆向思维在工程材料实验教学中的应用

3.1 逆向思维设计实验

3.1.1 在碳钢的试样硬度测试实验中，实验的常规设计方法是对每种已知的试验材料根据所给定的硬度试验法，去分别测定其硬度值，然后对实验结果进行分析和讨论，比较不同含碳量的钢的硬度值与WC的关系。而采用逆向思维的设计方法是给定学生三种或多种未知型号试验材料，按所给定的硬度试验法，去分别测定其硬度值，然后通过测试的结果去分析并推断试样材料型号。

3.1.2 在碳钢的金相试样的制备及平衡组织观察实验中，实验的常规设计方法是先制备一已知材料的金相试样，然后进行金相试样平衡组织观察，并将观察到的金相图用示意图表示，最后通过金相图去比较和分析含碳量不同的钢的组织是什么以及含碳量对组织的影响。而采用逆向思维的设计方法是先制备一未知的金相试样，然后进行金相试样平衡组织观察，并将观察到的金相图用示意图表示，同时还要求学生由观察到的金相试样平衡组织图去判定试样是所指定的哪种材料。

3.1.3 在碳钢的热处理实验中，实验的常规设计方法是根据制定的工艺要求分别对某种或多种碳钢进行热处理，并测定试样热处理前后的硬度值，然后通过金相试样制备及组织观察，分析其所获得的组织，具体操作如图1所示：

图1 常规设计的碳钢的热处理实验表

而采用逆向思维的设计方法是根据已知组织，要求学生去制定相应的热处理工艺条件，并对试样进行热处理，同时测定其热处理前后的硬度值，具体操作如图2所示：

图2 逆向思维设计的碳钢的热处理实验表

在碳钢的试样硬度测试实验和金相试样制备及平衡组织观察实验中，同样是基础验证性实验，常规设计实验方式是对已知材料进行实验得出相应的数据结果，验证理论教学的内容。而基于逆向思维的实验设计，是对未知材料进行实验得出相应数据结果，结合理论教学的知识去推断材料。常规实验方式往往学生做完了，也不知道自己做了什么，只是简单操作了一遍，而后者则是首先设置了悬念，让学生带着好奇心去做，并且对理论知识进行了应用，加深了理论的学习和深刻映像，效果显然好于前者。

在碳钢的热处理实验中，常规的实验设计方式是给定材料，分别给定冷却方式，由相应的冷却方式获得相应的实验数据结果（即组织和硬度），然后去分析冷却速度对组织与性能的影响。其结果是学生只是明白了冷却速度对组织与性能的影响，对什么条件下获得什么组织并没有掌握。而逆向思维的实验设计是给定材料，并且给定所需要获得组织，引导学生去确定合适的温度，选择合适的冷却介质，以获得给定的组织，并测试相应的性能。这让学生非常清楚如何获得所需要的组织，从而获得所需要的性能，对提高学生制定热处理工作非常有帮助。对学生而言，这种逆向思维设计实验的方法较给定的实验内容，让学生自行设计实验方案和技术路线的实验方法的难度要低，对本校学生实验操作具有可行性。

3.2 逆向思维实验教学效果分析

将常规设计方法和逆向思维设计的方法应用于实验教学实践，并对参加常规方法设计实验的班级与逆向思维方法设计的实验的班级进行问卷调查。调查数据结果表明，前者掌握“含碳量对钢硬度的影响”这一知识点的程度学生数所占比例为20%，而后者为52.5%，逆向思维设计实验的教学效果是常规设计方法的2.6倍，这大大加深了学生对理论知识的理解。前者认为实验动手能力和综合知识应用能力收益较多学生数比例占60%，而后者占72.5%，可见逆向思维的实验教学方法对学生动手能力是有较大的提高，学生对理论知识的理解和应用也得到了很大的提高。从实验教学过程中看，参加逆向思维方法设计实验的学生的学习积极性普遍较高。

4 结语

实践证明，在工程材料实验教学中采用逆向思维设计实验是一种有效的实验设计方法，在提高了学生的积极性和自主性的同时提高了教学质量。值得指出的是，逆向思维实验设计的应用是对本校学生少数班级进行实践，研究结果有可能失之片面。