材料科学基础实验教学改革初探

摘  要：材料科学基础是材料科学与工程专业的主干课程，材料科学基础实验教学是材料科学基础理论课程的辅助教学模块，是材料相关专业必修的实践训练课程。文章针对现阶段实验教学中的不足，提出在实验教学内容和实验教学方法等方面的探索性改革建议，以期充分发挥实验教学对学生的积极作用，培养学生掌握材料实验设计和基本性能测试方法，提高其综合能力、创新能力、分析问题以及解决实际工程问题的能力，塑造与材料、机械等行业发展相契合的复合应用型人才。

关键词：材料科学基础；实验教学；教学改革

中图分类号：TB30-4    文献标识码：A    文章编号：1673-7164（2023）11-0157-04

作者简介：黎明灿（1987—），男，博士，新疆大学物理科学与技术学院博士生导师，副教授，研究方向为新型高性能金属材料。

材料在人类历史发展进程中具有重要作用，随着文明和生产的发展，对使用材料要求愈来愈高。材料是推动人类科学技术发展的强大动力，也是工业生产的基石，在现代科学技术的赋能下，原有材料的性能不断被提高，新材料随着技术发展而不断涌现。新材料作为国家十大重点领域，“十二五”以来，新材料产业规模不断扩大，2021年我国新材料产业市场规模为6.41万亿元。新材料产业规模的不断扩大使得该领域对人才的需求不断增加。

目前新材料产业领域人才总量存在较大的供需缺口。新材料属于技术密集与知识密集型产业，目前，我国新材料人才供需结构存在差异性，主要在于严重缺少新材料领军人才、技能型人才以及复合应用型人才。

材料科学基础是材料科学的关键基础课程，也是为学生建立良好材料学习基础的关键因素，材料科学基础实验是基于此而设立的实践训练课程，辅助学生在学习与掌握理论知识的同时，培养实验设计能力、分析解决问题能力以及创新能力的高效途径。然而，材料科学基础课程存在术语概念多、涉及知识面广以及抽象等特点，学习难度较大，使得学生在学习过程中难以抓住重点。以往的材料科学基础实验缺少创新性和综合性的实验项目，主要以验证性实验为主，教学手段相对陈旧。

基于此，本研究围绕培育复合应用型人才的目标提出对该课程实验内容的创新改革，以实验促理论教学，充分发挥实验教学的积极作用，在培养学生学习材料科学学科兴趣的同时，培养其成为具有创新意识和实践能力的复合应用型人才。

一、课程信息

新疆大学物理科学与技术学院材料科学与工程专业设立的材料科学基础课程总计96学时，其中，理论课程为64学时，实验课程为32学时。

材料科学基础实验是以材料科学基础理论为基础设立的课程，实验课程包含：典型金属晶体结构模型，金相显微镜的原理、结构及使用，金相试样的制备，位错蚀坑的观察与分析，结晶及晶体生长形态的观察，晶粒度的测定及评级方法，二组分合金系统相图的绘制以及三元合金组织的观察与分析，实验类型分为验证、综合、设计以及创新。通过该课程，学生对晶体结构、材料的相结构转变以及晶体缺陷等基础知识有更加深入的理解，具备材料制备、监测以及分析的能力［1］。

二、课程改革实践

（一）优化实验教学内容

注重将实验教学和工程实践实际相结合，增加综合性实验项目。材料实验教学内容之间内在联系不足，独立性较强，因此，可以采用重构实验教学内容的方式进行教学。在综合性实验中整合验证性实验内容。以材料热处理相变主题为例，在材料热处理的过程中，材料的尺寸和体积会发生一级相变，伴随着材料内部的组织和性能等微观结构的变化，材料热处理是通过控制和改变材料的相组织转化而实现的［2］。因此，可以从测量材料体积、显微观察材料组织以及观察材料性能表征三个教学方向设置实验项目，以此为结构构建材料热处理实验教学内容。该教学内容构建方式能够帮助学生直观地观察到材料变化状态，建立对材料结构、工艺以及性能等多要素之间制约影响关系的正确理解，从而使实验教学的核心从知识体系向探索转变，逐步引导学生建立创新意识，培养其创新能力［3］。

材料热处理相变主题中还可以设立测量与观察固态相变等系列综合性实验教学内容，在该综合性实验教学前期，要求学生对相关内容进行查阅，建立初步的了解，并拟设材料热处理实验方案，在实验课程开展的过程中，教师引导依据学生拟设的材料热处理实验方案开展实验。该实验课程主要以分组实验的形式开展，探究在不同热处理条件下材料的相结构变化，可以根据学校实验设备实际情况进行分组实验，再将各组进行轮换［4］。通常情况下，可以将学生分为三组，第一组测量并对比分析材料相变前后的比容变化，要求学生利用电子天平对材料热处理前后的比容变化进行分别测定，并对实验数据进行处理分析，分析热处理后材料的体积变化与晶体结构变化的情况，并分析材料相变；第二组显微观察并分析热处理前后材料的相变状态，该组学生采用金相显微镜对热处理前后材料的相变状态进行观察，在观察后由学生绘制该材料的微观形貌，并对绘制出的材料微观形貌进行分析，判断该材料的内部组织是否发生相变；第三组测量并分析热处理前后材料的热膨胀曲线，使用固体线膨胀系数测定仪、光杠杆、温度计以及尺读望远镜等热膨胀系数测定仪，通过测量材料受热后的变化，绘制该材料的热膨胀曲线，并要求学生通过绘制的材料热膨胀曲线，判断该材料内部晶体结构的变化情况，并分析相变。以材料热处理的相变为教学内容设计的主体，设立综合性实验项目，以激发学生对材料的兴趣和求知欲，帮助学生建立对材料科学基础理论知识的深度理解，增强学生实验设计能力和综合分析能力，锻炼学生发现问题、分析問题以及应用理论知识解决问题的能力，为学生提供参加科技创新项目的渠道，以求在实践中提升其综合能力［5］。需要将材料科学的发展前沿和最新成果等新内容纳入课堂之中，引导学生关注新材料，并根据学校实际项目情况，将教师的研发成果纳入教学中，提高教学内容的时效性，避免学生认为学无所用，增强理论知识与工程应用之间的关联性，提高教学效果。

（二）革新实验教学方法

以培养学生对理论知识的实际应用能力为教学目的，利用实例教学提高高校学生的学习效率和教学效果。结合实验教学内容针对性地添加实际案例，讲解理论知识在工程中的应用，如精密轴承因精度下降而报废的原因，需要学生具备将所学理论知识运用在实际工作和生活中的能力，并思考精密轴承因精度下降而报废的原因、导致精密轴承精度下降的原因以及精密轴承精度下降对工业生产环节的影响等问题，并根据提出的问题，分析相应的解决方式，设计实验方案［6］。在实验方案设计后进行实际操作，按相关标准完成质量问题鉴定并与理论知识相结合。在实际教学中，教师可以将学生分组，并以团队的形式进行专题研究，在课堂上，分组汇报，呈现实验设计、实验操作过程、实验结果以及实验结果分析，并与其他组别的同学共同讨论，最后，由教师进行点评，并指出各组实验方案中的问题和改进方式。改革实验教学方式能够激发学生学习材料的自主性，培养学生实验操作的实践能力，深化了学生对材料科学基础课程的理解和应用能力［7］。

采用多元化的材料教学方式，将互联网技术应用到实际教学中。在2022年教育部发布的《教育部2022年工作要点》中要求积极发展“互联网+教育”，推进教育数字化战略行动，提高教学数字转型和智能升级的速度［8］。在此背景下，探索互联网技术在材料教学中的应用，充分发挥多媒体教学的优势，针对传统教学方式难以表述清晰的知识内容使，用视频、图片以及动画演示等方式直观地呈现给学生，帮助学生建立对抽象知识的直观理解，尤其是在位错运动、晶体结构、缺陷以及凝固等方面的知识。也可以引入自动正置金相显微系统多媒体实验教学平台开展多媒体互动实验教学，建立图像共享且高效率的网络教学体系，教师和学生在显微镜下操作和观察影像，通过网络进行共享［9］。请学生自行设计并制作硅单晶的位错蚀坑试样，并观察其制作效果，绘出其形态及分布。运用新媒体技术有效实现资源共享，使学生能够直观地了解各种晶体结构和缺陷的形成过程，使教学内容具体化，易于学生理解和掌握。

采用翻转课堂的教学模式，指的是学生在课外时间浏览观看教师的视频讲解。教师需要将材料的实验教学视频进行录制，以观察位错蚀坑的实验为例，教师按照实验的流程、操作要点以及知识重点，对硅单晶位错蚀坑试样制备流程进行录制，并对试样制作的流程和步骤进行详尽说明，录制后上传至雨课堂让学生自行学习，从而帮助学生更好地理解硅单晶位错蚀坑试样的制备过程。教师通过雨课堂查看学生在线学习情况，包括线上学习时长、实验教学操作视频观看进度等数据，从而实现从多个角度来分析学生的学习情况。在线下实验教学中，教师查看学生的实验操作，指出其中的问题，并进行及时的指导和纠正。从而有效提高实验教学的时间利用率，以学生为实验课堂的主体，激发培养学生学习材料的兴趣。其次，可以充分利用思维导图进行实验教学，教师将实验思维导图的主干图上传至雨课堂软件中，引导学生对思维导图进行填充，思维导图主要包含实验目的、实验原理、实验仪器、实验材料、实验内容以及注意事项等，要求学生根据上述思维导图框架进行填充，使其对实验的整体脉络建立清晰的了解，并能够知道该节实验课程的难点和重点。在实验课程的开展中，要求学生按照实际实验步骤、实验内容以及实验结果将思维导图进行细化，并以开放式思维导图的形式提交实验报告，引导学生在实验过程中进行发散式思考，挖掘脑内与此次实验相关联的知识线索，并呈现在思维导图之中，增强学生对以往知识的记忆，提高学生的发散思维能力。

采用多样化的考核形式，考核的主要内容是考查学生对材料相关知识的应用能力。根据不同层次要求的实验，采取针对性的考核内容和形式。如大型综合实验报告、实验报告课后题、科技论文等，对学生的学习进行全方位的评价，提高学生的自主学习能力。在整个实验课程的教学评估中，增加过程性评估的比重，重点关注学生阶段性学习成果，过程性评估主要包括网课的学习情况、课堂实验方案设计、课堂讨论课、课堂实验以及课前预习等方面。其中，课堂实验方案设计采用师生共同评价的方式，评估结果由教师评估和学生互评组成，增加考核评估的公正性。

（三）提高实验教学配备

打造以材料技术为核心的产学研协同培养机制，联合企业和科研院所，采用项目任务教学方式进行教学，推行项目小组制和双导师制，双导师即高校专职教师与企业兼职教师。聘请企业工程技术人员在校内定期进行教学，并将实际工程企业中材料的应用案例纳入实验教学中，拓宽学生对新材料的认识和理解，激发学生对新材料研究的学习动力，丰富材料科学基础实验课程的工程实践价值。在教学团队建设上，要强化专职教师和兼职教师的整合，充分发挥专职教师的理论研究优势和兼职教师的工程实践经验优势，打造兼具理论教学和实践教学的师资队伍。为高校教师提供与企业和科研院所的沟通渠道，建立联合实驗室。打造校企精准协同体系，培育复合应用型人才。

根据学校实际情况，提高现有实验教学设备质量和数量。高效开展实验教学的前提是具备良好的实验设备和足量的实验设备，为师生开展实验教学提供有效支持。建立实验设备定期检修制度，由专人负责，并形成记录。定期对现有实验设备进行检查和修复，确保在实验教学开展的过程中，避免实验设备不良对教学质量和效果产生影响。在每节实验教学结束后，要求负责人对实验设备进行检查和整理，并根据实验设备存放条件进行存放。

学校可以选择性地引入材料虚拟仿真实验教学系统。虚拟仿真实验系统主要是采用虚拟交互技术和渲染引擎构建的高度仿真系统。虚拟仿真实验系统具有较强的互动性、高安全性、使用便捷以及较低的成本等特点，由于在实际教学中部分材料实验成本过高、实验操作危险性较高、实验设备损耗以及实验持续时间较长等问题，导致实验教学开展受限，而虚拟仿真实验系统能够使学生全面体验多种实验操作，学生在操作过程中能够看到接近于真实的实验效果，虚拟仿真系统对实验的直观演示能够帮助学生建立对抽象理论知识的理解，教师可以最大限度地发挥该系统的优势，为学生构建高度仿真的虚拟实验教学环境，使学生切身体验到实验的乐趣，帮助学生构建材料学习思维，深化学生对知识内容的理解。其次，操作虚拟仿真实验能够为学生日后参与工作或研发建立更好的基础，能够帮助学生更好地适应日后的工作与研究。

虚拟仿真实验系统能够帮助教师更好地开展实验教学考核，学生在虚拟仿真实验系统进行实验操作流程、操作要点以及相关知识内容的考核，由系统判定学生的实验操作情况，并为教师提高评分依据。

虚拟仿真实验具有更新方便的特点，传统的实验室需要定期更换和更新现有硬件设施，在实验过程中，很容易造成硬件设施被损壞等情况，而虚拟仿真实验更新成本较小、更新周期短，使得教学开展更高效。

三、结语

材料科学基础实验是应用材料科学基础理论知识的实验课程，通过探索并革新实验教学方式和教学内容等方面，有效转变了以往单一枯燥的实验教学方式，实现了理论教学与实践教学的互相促进和协调发展，深化了学生对材料科学基础理论知识的理解，强化了学生的实验方案设计能力、实践能力、分析问题能力以及解决问题的能力等等，通过革新实验教学，提高实验教学配备，逐步引导学生树立创新意识，培养其创新能力，激发学生材料学习的积极性，并鼓励学生对新材料进行了解和学习，为学生提供渠道开展新材料研究，为人才构筑平台。

参考文献：

［1］ 董小平，杨丽颖，李浩东，等. 以团队协作为导向的材料科学基础实验教学改革探究［J］. 汽车实用技术，2022，47（16）：161-164.

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［3］ 胡雅莉，李廷斌. 应用型人才培养模式下的材料科学基础实验课程改革［J］. 广州化工，2022，50（04）：155-157.

［4］ 陈锟，王占勇，徐小威，等. 材料科学基础实验课程改革与实践［J］. 广州化工，2021，49（22）：102-103+122.

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［7］ 乔秀清，孙小华，余海洲. “专创融合”教学背景下《材料科学基础》课程改革探索［J］. 创新创业理论研究与实践，2022，5（14）：14-16.

［8］ 李盼，薛郑州，刘应敏，等. 材料科学与工程专业教学改革的若干思考［J］. 广州化工，2022，50（11）：206-207+210.

［9］ 关春龙，韩平，张琳琪，等. 一流本科专业建设背景下材料科学与工程专业实践教学体系改革［J］. 河南化工，2022，39（05）：65-67.

（责任编辑：淳洁）