以创新实践能力为核心的材料专业实验教学体系构建

田如锦，丁志敏，刘 芳

（大连交通大学 材料科学与工程学院，辽宁 大连 116028)

实验教学和理论教学都是高等教育教学体系的重要组成部分，两者既相辅相成又密不可分。实验教学能够促进学生加深理论知识理解，为培养学生创新思维以及提高分析与解决问题能力提供了理论与实践结合的平台，是协同提高学生综合素质和实践能力的必要环节。

“重视理论、轻视实践”和“强调知识灌输、忽视能力培养”是高等学校人才培养过程中长期存在的现象，严重制约了学生树立创新精神和提高工程实践能力。为此，《国家创新驱动发展战略纲要》指出到2020 年我国要基本建成中国特色国家创新体系，这意味着创新创业人才培养已经成为当前的首要任务和重要职能。

不同于其他工科专业，材料专业主要立足于研究材料的化学成分与组织结构、制备工艺和性能及其相互关系，特别是真实材料及其在工业工程领域的合理应用。不同于其他工科专业，实验教学对于培养学生分析和解决问题能力的重要作用是不可忽视和替代的。

随着科学技术的不断发展，各相关学科和各专业课程间的相互渗透与交叉日益增加，涉及多学科综合的实验内容和技术方法往往难以纳入相对应的理论课实验中去。正是材料专业的特殊性导致这种现象在实验教学实施过程中表现得尤为突出。

一、实验教学现状与不足

随着近年来高校不断扩招和学生数量骤增，设备资源紧张和实验经费不足的矛盾在实验教学上体现得更加明显，许多实验无法按教学计划正常或顺利开展。与此同时，学生所学理论知识和实际工程应用严重脱节或无法合理衔接，难以满足现代化工程技术人才的培养要求，实验教学没有充分发挥其理论与工程实践相衔接的桥梁作用。

在传统教学过程中，受实验条件和安全因素限制，往往以验证性或演示性为主要实验形式，内容也多局限于材料的显微组织观察和硬度测量、相图测定等。教师讲述实验目的、内容、操作步骤、仪器设备使用方法和安全注意事项。由于方法相对简单和可预知结果，学生只要按照实验步骤机械性操作即可顺利完成实验。在这种情况下，学生通常处于被动接受教师讲授知识的状态，完全不需要独立思考，无法激发学生的求知欲和调动其参与实验的积极性与主动性，更谈不上实现通过实验与实际工程应用建立联系的目的。

其次，实验教学与理论授课没有实现良性衔接，即受各方面因素影响实验安排提前或滞后，学生没能及时进一步充分理解与掌握某些知识难点和重点，便不能真正体现其在教学过程中的特定优势作用。

此外，教学大纲中一般都明确规定了实验课程的总学时数以及每个实验的学时数，即每个学生必须完成教学大纲规定的实验内容，学生难以自主利用相关仪器设备进一步深入探究实验内容，从而造成其探索精神、创造能力和团队意识缺失[1]。

二、特色实验教学体系建设

针对材料专业的特点和现存问题，实验教学体系建设主要从教学安排的层次性、教学模式的开放性、教学内容的研究性和教学方法的虚实结合性方面入手，如图1 所示，全方位培养学生获取与运用知识、发现和解决问题、归纳和总结能力以及发散和创新思维发展。

（一）实验教学安排的层次性

考虑到材料专业实验教学体系相对复杂，依据循序渐进的原则，实验教学安排上分为基础性、专业性和综合性实验，三者间既彼此独立，又密不可分，缺一不可。通过进一步协调和整和知识结构和课程体系，注重和强调阶段性和层次性培养学生素质与能力[2]。

首先，基础性实验与专业基础课（材料科学基础）相配合，以基本实验技能训练为出发点，主要是要求学生掌握基本实验方法、知识和操作技能等，能够规范、标准地操作各种仪器设备，引导其树立正确的科研态度，为后续的专业性和综合性实验奠定坚实基础。教学过程中明确规定实验选题、内容、方案和操作方法，学生能在一定程度上根据所学理论知识预知实验结果。如实验内容包括掌握基础金属体系和相图、熟悉金相显微镜的结构和使用方法、定量金相与金相试样制备等。

其次，专业性实验主要围绕材料制备、微观结构分析或某些性能等方面内容，要求学生以针对性解决制备工艺、组织结构表征、性能测试等专业性问题为目的，将掌握相关仪器设备的使用方法转变为解决和分析问题的手段。“专业性”是指实验内容与专业课程知识点关联，主要涉及“材料制备技术”“热处理原理与工艺”“材料现代分析方法”“热处理设备”“材料力学性能”“材料物理性能”“金属腐蚀与防护”等。如金属材料的力学性能指标（抗拉强度和屈服强度等）测量、热处理设备操作和热处理工艺制定、电化学腐蚀性能评价、利用x 射线衍射技术和透射电镜进行物相鉴定与晶体结构分析等。经过一系列专业性实验训练，在此阶段学生熟练掌握各种实验方案设计、数据处理和结果分析等基本手段。

由于材料专业的各门专业课程间也存在着密切联系，仅凭基础性和专业性实验并不能实现系统知识的全面理解和融会贯通。为了解决这一问题，在此基础上设置的综合性实验则以使各门专业课内容进一步相互融合为核心，在相对孤立的专业课程间架设桥梁，加强阶段性学习有机联系，强化深入理解知识点，从而达到学生能够自行设计方案、综合运用专业知识解决问题和提高工程实践能力的目的。因此，综合性实验更加着重强调培养学生综合专业素质，这恰恰是选择、运用和调控各种复杂工程实践能力的前提和基础。

综合性实验属于多学科交叉、深层次的实验课程，具有由单一验证型向设计、研究探索型转变的作用。综合性实验选题以贯穿所学全部专业课程的主要知识点为宗旨，全面将材料设计、工艺改进和研发利用进行合理规划，即相当于一个小型研究课题（项目）。除了涉及材料制备、加工工艺、性能测试和组织结构表征外，这类实验更侧重于化学成分—组织结构—加工工艺—性能间的相互关系，实验过程中几乎涵盖材料学科研究常用的仪器设备和包括所学的全部专业理论课知识。如不同材料（包括工模具钢、弹簧钢等）的综合热处理实验，旨在提高学生的各项操作技能和对理论知识的深入理解。鉴于所涉及知识点多、内容范围广、仪器设备复杂、实验工作量大等特点，综合性实验一般以团队形式进行，所有成员共同参与实验方案设计，分工承担不同任务，共同分析总结和改进，独立完成实验报告，培养学生综合实验技能和工程实践能力。同时，综合性实验还要紧密跟踪学科研究热点领域，适时更新和优化设计实验内容，为学生提供更多接触学科前沿研究成果的机会，有效缩短实验教学和工程实际应用的距离。

显然，通过上述由低年级到高年级的阶段性和由浅入深的实验训练，学生切实掌握材料学科基本实验技能和研究方法，进一步加深专业背景和拓宽专业视野，真正实现学以致用和学有所用。

（二）实验教学模式的开放性

材料专业毕业生主要从事科学研究、技术开发、设备和生产管理等工作，实验教学对培养高级工程技术人才的作用是显而易见的。因此，必须将设计研发与实验教学有机结合，密切关注最新研究成果与技术革新，适时更新与调整相关实验内容，实现模拟实际工况和提前练兵的目的。

多年的教学实践表明传统的实验教学模式并不适应当前培养学生创新实践能力需要。开放性实验教学就是体现在教学模式的变化，即从“以教师为主，学生为辅”转变为以“学生为主、教师为辅”。开放性实验教学原则上要最大限度的对学生开放，不受实验场地、学时和项目的约束，包括从实验内容适应、教学方法、课堂活动、设备资源到实验管理等方面的全面开放，为学生提供充分的创新与实践空间[3-5]。然而，教学模式的开放性并不意味着随意和放任，还必须建立一些与实验教学有关的规章制度对其加以约束，既自由灵活、自主快捷,又安全规范有序、有效控制和保证实验教学质量。为了保证实验教学活动正常有序运行，前期培训环节（包括仪器设备、安全事项和低值易耗品使用等）应尽可能细化。实验项目开放要围绕材料设计、制备、加工工艺、微观结构分析及性能测试和及其应用。另一方面，要最大程度地利用现有的实验条件，其中包括但绝不限于某种实验方法或仪器设备的操作和使用。学生彻底摆脱实验指导书束缚，自行查阅相关文献资料，独立拟定解决问题的实验计划(包括材料选择、方案制定等)和完成实验，围绕核心问题探讨和研究其产生原因、结果合理性和发展变化趋势等。如学生可以在周末或假期在实验室针对自己的专业兴趣进行科研活动。作为实验的主体，学生依靠已掌握知识、技术方法或经验，在实践中充分体验获取知识的快乐，最大限度地发挥主观能动性和深层次学习讨论，从而使枯燥的理论知识原理传授更易于理解和掌握，开阔和拓宽了专业视野。主动性是开放性实验教学模式成败的关键因素，教师在此过程中有意识地引导学生探索专业知识和答疑解惑，促使学生有热情和兴趣并积极参与实验活动。这种开放式实验教学模式强调学习的实践性和真实体验，注重锻炼学生学习的自觉性和协作能力，加强知识积累和专业技能训练。

（三）实验教学内容的研究性

基于材料专业的自身特点和强调实践性，教学过程中更不能忽视教学内容的研究性及其研究过程。作为一项系统工程，实验教学内容的研究性主要体现在教学过程的设计性上，即从研究思想、手段、策略等方面进行全新设计[6,7]。实验教学的中心思想旨在紧密结合本专业特点精心设计一些有一定难度的实验项目或科研课题，着重引导学生通过自主选题、查阅文献资料、实验方案设计、动手操作、数据分析和形成合理结论，从而进一步熟悉、掌握和重新认知并灵活运用所学理论知识。在不断出错和改错的研究过程中，切实体会取得新研究成果所带来的艰辛与成就感，也正是考验意志力和抗压能力的心理素质锻炼过程。把研究性问题融于教学活动中，学生彻底摒弃顺从和依赖心理，主动参与与积极探索创新，不断学习科研方法和提高科研素养和综合工程实践能力。如学生可选择表面改性技术提高不锈钢的耐磨性，并对其机理和影响因素进行分析。由此可见，创新能力必须不断通过实践历练，而不能仅凭简单的理论知识累积。在研究过程中善于发现新现象、新反应和新规律等，仔细分析、解释和科学归纳、总结，敢于质疑和否定前人的理论，勇于提出新的观点和理念。即便证明自己的结论存在一定的偏颇或错误，也敢于大胆承认和寻找新思路、重新设计和反复实验，最终提出有说服力的论点，从而验证实验方案的正确性。教学内容的研究性所能给予学生的正是在一次次挫折或失败中树立不惧困难和越挫越勇的精神、彼此取长补短和团结协作的团队意识、敢于冒险尝试和鼓励标新立异的创新能力、认真严谨和实事求是的科研态度。

（四）实验教学方法的虚实结合性

真实实验教学不具备或难以完成大型仪器的不可视结构或原理展示和实际工况环境模拟，虚拟仿真实验则能对这些教学功能进行有效补充和拓展[8]。通过构建仿真虚拟实验环境和实验对象，学生能获得与真实实验近乎相同的切身体验，深入理解常见实验仪器设备的基本构造、原理和使用方法。正是基于虚拟仿真实验具有不受时间空间、实验条件约束限制以及可控制性强等优点，学生能实时调节实验工艺参数、记录详细信息和分析实验结果。如通过“晶体结构虚拟仿真实验”，学生可以充分利用人机交互技术研究原子堆垛方式，从而掌握和理解晶体学中空间点阵、晶胞、晶面和晶面指数等难点问题。或利用仿真软件模拟各种材料制备与成型方法，学生就能够清楚地观察到在这些实验过程中材料所发生的一系列组织和性能变化。因此，在实验教学活动中引入虚拟仿真实验不仅为教师的课堂教学和学生的课外学习提供辅助作用，有利于进一步丰富实验教学内容和提高实验教学质量，为学生今后快速适应和从事相关材料生产与技术研发工作奠定基础。

三、结语

通过整合和多方位协调优化教学资源不断完善实验教学体系建设，在教学过程中充分利用实验仪器设备，激发和调动学生的学习兴趣和参与实验的主观能动性，从而进一步深化理解课堂理论知识和提高综合工程实践能力，适应当前社会培养应用型创新技术人才的需求。逐步实现由学会实验、会做实验和自行设计完成实验的平稳过渡，有利于培养学生的创新意识和创新精神，是新形势下实验教学良性发展的必然趋势。