材料科学基础实验课程改革与实践*

陈 锟，王占勇，徐小威，王晓瑞

(上海应用技术大学材料科学与工程学院，上海 201418)

《材料科学基础》作为材料科学与工程专业必修的一门主干专业基础课程和学位课程，它的主要任务是使学生掌握材料的成分、原子结构、晶体结构、组织结构、制备工艺与材料性能和应用之间的相互关系，将材料的微观特性和宏观规律建立在理论基础上，为学习后续的各门专业课程奠定必要的基础[1]。主要涉及材料的微米级、亚微米级乃至原子尺度范围微观结构与力学行为,有较强的理论性，知识点繁多且相对抽象,不容易理解,学生学习起来有一定的难度[2-3]。为此，我校材料科学与工程专业独立设置学时为一周的“材料科学基础实验”课程，旨在巩固学生的基础理论知识、掌握实验研究的基本技能、提高创新和实践能力。然而，以往材料科学基础实验均以验证性实验为主，缺少综合性和创新性实验项目；且教学方法与手段相对落后，通过授课观察，这种形式的实验造成了学生的被动学习[4-6]。因此，围绕应用型人才培养目标,改革实验课程的教学内容与教学方法，更好地发挥实验教学对理论教学与实践能力培养的作用,探索出培养具有实践能力和创新意识人才的有效途径,已经势在必行。

1 课程目标

材料科学基础实验是建立在材料科学基础理论上，综合应用材料科学基础的专业基础知识的一门学科专业基础实验。通过本实验课程，使学生全面理解与掌握晶体结构、晶体中的缺陷、物质扩散、材料的相结构转变等专业基础知识，并掌握相应的材料制备、检测与分析技能，使学生在知识和能力方面得到全面发展，从而培养学生能够综合运用所学知识，掌握实验方法和实验技能，提高分析、解决问题的能力。

2 课程改革与实践

(1)实验教学内容优化

增设综合性实验项目强调实验教学与工程实践的结合。针对实验教学内容相互独立，缺乏内在联系的问题，以科学与工程相结合的指导思想规划实验环节，选定“材料热处理的相变”为主题，重新构建实验教学内容，在整合验证性实验内容的基础上，开设综合性实验。材料热处理是利用和控制材料的相结构转变，来改变材料的性质。而材料热处理的相变往往都是伴随着体积及尺寸改变的一级相变，同时也伴随着材料内部组织与微观结构的改变，以及相应的性能改变，因此，在实验教学内容的构建中，从显微组织观察、体积测量以及性能表征等方面设计实验项目，使学生较好掌握材料的组成、结构、性能、工艺之间的相互影响关系及制约规律，使实验教学从注重“知识体系”向注重“探究过程”方向发展，培养和引导学生的创新意识和能力。例如，开设了“固态相变的测量与表征”的系列综合性实验，要求学生查阅有关资料和手册后，设计热处理实验方案，教师按照学生的方案进行热处理后，学生分组对不同热处理条件下发生相结构转变的材料进行测量与表征，一部分同学对相变前、后材料的体积(或比容)进行测量与对比分析，另一部分同学对相变前、后材料的显微组织进行观察与分析，还有一部分同学对材料的热膨胀曲线进行测量与分析，由此讨论热处理工艺对材料相转变的影响。进行体积测量的实验，要求学生使用电子天平分别对热处理前、后试样的体积(或比容)进行测量，并独立处理实验数据，通过相变引起的体积变化反推出晶体结构改变的信息，最终判断、分析相变；进行显微组织观察的实验，要求学生使用金相显微镜分别对热处理前、后试样的显微组织进行观察，并独立绘制其微观组织形貌，根据相的形貌判断相的特征，从而分析热处理后显微组织的变化，判断是否发生相变；进行热膨胀曲线测量的实验，要求学生通过热膨胀曲线的变化反推出晶体结构改变的信息，由此判断、分析相变。围绕“材料热处理的相变”主题而开设的综合性实验项目，激发了学生的学习兴趣与求知意愿，引导学生深入理解专业知识，提高学生系统分析、综合设计能力，培养学生发现问题、分析问题和运用理论知识解决问题的综合能力，使其得到材料科学研究全过程的初步训练，成长为创造型人才。通过本课程的学习后，部分学生积极参加了科技创新活动项目，争取在实战科研中得到锻炼，这对培养学生创新和素质教育起到了极大的促进作用。

(2)实验教学方法革新

以提高实践应用能力为目标，引入实际案例教学，提高教学效果。根据具体的实验教学内容有针对性地引入一些现场的实际案例，增加知识点的工程应用性讲解。例如一些因精度降低而报废的精密轴承，要求学生全面应用所学的理论知识，自己独立思考后给出导致精密轴承报废的原因是什么，问题出在什么地方，并针对存在的问题提出解决方案，然后按自定的实验方案进行实验，结合理论知识和相关标准完成质量问题的鉴定。同时教师在教学过程中，将学生进行了分组，让每组学生完成后以专题型团队作业的形式进行展示，各组派出代表上台汇报，大家各抒己见，进行点评。通过变革实验教学方法，促进学生自主学习，这样既培养了学生的动手能力，又提高了其通过运用理论知识来分析工程实际应用问题的能力，同时引发了学生对该课程的兴趣。

发挥多媒体教学和网络教学的优势，增加一些动画演示实验。利用数字化多媒体技术将课程内容有关的各种类型的信息呈现在学生面前，尤其是很难用传统教学手段表述清楚的教学内容，如材料的晶体结构、晶体缺陷、位错运动、晶体凝固等，增加一些动画演示实验，播放一些视频等资料，例如组织学生自主开发以java语言编制的五十余种三维计算机互动式动态图形软件，在IE界面下，可控制其三维的转动，展示晶体中各原子的三维空间相互位置；又比如观看视频录像“Living Metal”，通过演示系统观察不同晶体、不同晶面上的位错蚀坑，进一步加深对位错的了解，从而对各类晶体缺陷有一个全面的、系统的理解。在此基础上，要求同学自行编辑和制作“晶体结构之美”的微视频，诠释晶体结构的对称之美，奇异之美，和谐统一之美及均衡之美；要求同学自己动手操作，制作硅单晶体的位错蚀坑试样，观察制作效果，绘制其形貌与分布的示意图。新媒体技术的运用，有效地实现了网络平台资源共享，让学生直观地看到不同类型的晶体结构以及各种缺陷的形成过程，增强了学生的感性认识，使课程的教学内容具体化、形象化，使概念和规律简单化，帮助学生理解和掌握，为学生提供自我思考，自我动手的一个知识挖掘的平台。

采用翻转课堂教学模式，录制实验教学操作视频。选取某一典型的验证性实验，比如“位错蚀坑的观察”实验，课前教师根据实验内容，录制硅单晶位错蚀坑试样制备流程的教学操作视频，对试样制作过程的每一步进行详细讲解。录制后，尝试使用雨课堂线上教学平台，以手机课件的形式线上发布，要求学生进行自主学习，使其对硅单晶位错蚀坑试样的制备实验流程有直观的了解。教师可以在雨课堂在线教学平台上查看班级各学生在线自主学习的实时数据，具体包括实验教学操作视频完成度以及学习时长等数据，通过不同维度的数据可以反映学生的学习动态。实验课上，学生进行具体的实验操作，对于操作中的问题，教师及时给予纠正并进行指导，这就大大提高了实验课上的时间利用效率，使学生真正成为实验的主体。翻转课堂的教学模式，较大的提高了学生学习的积极性和主动性，培养了学生的专业兴趣，取得了良好的学习效果。

考核形式多样化，考核内容以知识应用为主。通过设计不同层次要求的实验，相应地采用不同的考核形式，例如实验报告(其中实验报告又可以细分为实验报告的课后题与大型综合实验报告)、科技小论文、微视频等,对学生学习过程进行多方面、多形式的考核,促进学生自主学习,提高学生的综合素质与动手实践能力。同时，引入并提高过程性评价在总体实验课程教学评价中的占比，强调对学生学习过程中的学习状况和阶段性学习成果多方面、多形式的考核。过程性评价以课前预习(包括实验教学操作视频、实验指导书等), 课堂动手操作,以及课堂实验方案设计讨论课等评价结果为主, 其中, 课堂实验方案讨论课采用师生合作评价模式, 评价结果分为学生互评与教师评价两部分组成, 促进学生自主学习, 提高学生的工程实践能力与创新能力。

(3)申请并实施校企合作，加强教师队伍建设

积极申请并实施校企合作，加强教学团队建设。聘请企业工程技术人员担任兼职任课教师，采用项目任务教学以及小组讨论式教学的教学方法，将一系列工程实际应用案例引入到实验教学中，也将与我校教师技术合作开发项目，一种高精度测量轴承钢零件的残余奥氏体含量的新方法，以专题的形式串讲于教学中，强化理论与实践的有机融合，丰富材料科学基础课程实验教学内容的工程实际内涵。同时，在教学团队建设方面，加强专兼职教师的融合，充分发挥专任教师理论研究的优势，以及企业教师工程实践与工程设计的优势，逐步建立一支实力较强理论教学与实践教学密切配合的师资队伍，教学团队结构合理，有较高的业务素质、积极的工作态度和良好的合作精神。通过校企合作，使本专业内双师素质的教师比例提高。再者，加强产学研方面的互动，通过“走出去”，“请进来”，使教师积累丰富的企业经验，并将其转化为实践教学内容，提升课堂教学效果。

3 结 语

材料科学基础实验是综合应用材料科学基础的专业基础知识的一门学科专业基础实验课程，通过在实验教学内容、实验教学方法等方面不断探索与改革，有效改变了传统单一化的实验教学模式，使理论教学与实践教学并驾齐驱、协调发展、共同促进,提高了学生对材料科学基础理论知识的理解以及动手分析问题和解决问题的能力，进而培养和引导学生的创新意识和能力，在更高层次上构筑人才培养的新平台。