专业认证背景下材料科学与工程实验教学改革探索——以河海大学为例

＊史相如

（河海大学力学与材料学院 江苏 211100）

工程教育专业认证是针对高等教育机构开设的工程类专业教育实施的专门性认证，是我国高等教育的重要组成部分[1-3]。河海大学材料科学与工程专业于2020年入选为国家级一流本科专业建设点，按照一流专业建设条件与国家一流专业认定标准，通过专业认证成为了材料专业能否通过一流本科专业建设点考核的决定性条件，也是我校材料科学与工程专业建设迎来的重大发展机遇。以专业认证为契机，进一步规范本专业人才培养体系和促进教学质量，为提高本专业在国内外的影响力奠定基础。

材料作为与能源和信息并称的现代社会发展三大支柱之一，在一定程度上左右着人类文明发展的进程，对于国家战略具有着深远的意义。近年来，国家高度重视材料学的发展与建设，中国制造2025更是把新材料作为十大重大突破领域之一[4]。材料科学与工程专业是研究材料结构组成、工艺和性能之间关系的学科，不仅要培养具有扎实理论基础的人才，更要培养具有较强工程实践和创新能力，能够从事科学研究、技术开发、工艺和设备设计的工程技术人才。而实验教学则在本科人才培养过程中扮演了至关重要的一环，对通过专业认证也起了至关重要的作用[5-7]。

尽管近年来的实验教学在全面提升本科生的实践动手能力、思考解决问题的能力以及创新理念的培养方面具有一定的推动作用，但仍存在着国内材料专业实验课程的普遍通病[8]。例如，部分课程的实验内容重复，缺乏应有的联系；实验教学强调模仿和训练，创新内容不够；课程结果的考核评价单一，学生的主动性和积极性缺乏等，极大影响了材料科学与工程专业创新性、复合型人才的培养，导致本科生在就业市场被否定、就业能力显著下降等情况的发生。因此，如何依托材料科学与工程专业现有的实验教学条件，高效优化整合资源，融合实验教学体系，注重开放性、创新性实验能力培养，根据一流本科专业建设背景下材料科学与工程专业培养目标的要求，构建“开放、创新、融合”的实验教学框架显得尤为迫切。

1.材料科学与工程实验教学现状

(1)教学内容重复，整体布局混乱

目前材料科学与工程专业开设的实验课程内容存在部分重复现象，整体布局不合理。以金属材料方向为例，该方向开设的实验课程主要有“金属材料与热处理综合实验、金属腐蚀性能实验、金属力学与物理性能实验、材料表面技术综合实验”等，但课程安排不同教师讲授，由于任课教师之间缺乏深入沟通交流，导致不同课程部分实验原理类似、内容相近，造成人力、物力、时间的浪费；此外，现有的实验课程安排主要依据理论课程而设置，导致不同实验课程之间的连续性严重缺乏。例如，材料表面技术综合实验涉及到金属表面的腐蚀防护，该部分内容如果在合理的统筹规划下可以有效地延伸至金属腐蚀性能实验中。

(2)教学资源匮乏，教学内容缺主次

实验教学资源匮乏、实验设备陈旧是本专业面临的巨大难题，尤其是大型设备价格昂贵、精密度高，普通本科学生很难触及，导致了设计性、创新性实验很难由本科学生自主完成，实验安排只能以满足学生基础知识和基本技能培养的要求为主。这显然违背了“厚基础、宽口径、强能力、高素质”的创新人才培养目标。此外，现有实验教学方式较单一，大部分实验任然是以教师演示-学生跟做的授课模式，学生积极性较低，课堂效果较差，尤其是部分耗时较长的实验，很难保证每位同学都能亲自参与实验的每一个环节，导致教学效果的大打折扣。

(3)教学评价简单，成绩评定不科学

目前，实验报告仍是实验类课程成绩的主要评价方式，但实验课程大都分组进行，同组成员之间实验结果基本类似，根据实验报告很难判断学生对理论知识和实验技能等掌握的差异；此外，实验教学注重培养的是学生的实践动手能力以及思考解决问题的能力，通过“一刀切”式的实验报告进行成绩评定，不仅会降低学生实验过程的积极性，还会打消学生实验的自主性和创新性，导致实验课程学习效果和操作规范度的不足。

2.材料科学与工程实验教学改革探索

材料科学与工程专业实验教学不仅要满足学生基础知识和基本技能培养的要求，更要注重学生创新精神、动手能力和应用实践能力的培养。因此在材料科学与工程实验教学过程中必须从专业培养方案全局出发，优化设置连续性、延展性的实验课程体系，建立基础性与前沿性结合的实验教学内容，发展学知识与重能力兼顾的实验教学形式，形成系统性与开放性的实验评价体系，对调动任课教师和学生的积极性，提高实验教学效果，培养具有创新能力的应用型人才具有至关重要的作用。

图1 实验教学改革探索措施示意图

(1)实验教学体系的优化设置

基于材料科学与工程专业培养方案对实验课程进行统筹规划，以材料的结构、制备、性能和应用关系为主线，纵向规划相关实验内容，避免不同课程之间基本实验原理、实验内容的简单重复，实现专业理论知识应用的连续性与实验开展过程的经济性。例如，热处理是将金属在固态下经加热、保温和冷却，以改变金属的内部组织和结构，从而获得所需性能的一种工艺过程。“金属材料与热处理综合实验”就是通过设计合理的热处理工艺（退火、淬火、正火、调质、回火等）改变不同钢铁材料与有色金属的显微组织结构，从而得到优异力学性能的实验课程。而“金属力学与物理性能实验”则是专门探究金属材料常规力学性能和物理性能测试的实践教育课程，里面包含了“金属材料与热处理综合实验”中的金属材料硬度测试，这就造成了实验课程设置里面的部分重叠，造成教学资源的浪费。在教学过程中可以统筹规划两门实验课程的开展，让同学们综合对比热处理前后金属材料的硬度变化，不仅可以减少重复实验的时间浪费，还可以加深同学们对热处理相关知识的理解。再比如“材料表面技术综合实验”旨在通过对金属材料的表面处理和涂覆层制备提高基体材料的综合性能，在教学过程中可以将其于“金属腐蚀性能实验”相关联，使学生对比探究金属腐蚀防护的重要性。这样不仅加深学生对材料成分—工艺—组织—性能之间相互关系的理解，也节约了实验材料，提高了不同理论知识应用与实验过程的连续性与延展性。

(2)实验教学资源的合理分配

在以上实验课程优化的基础上，对本专业现有实验教学资源进行整合，根据学科特点和专业优势建立分层次的实验资源分配方案。第一层次主要包括材料微观组织结构表征、金相实验和部分力学性能实验（拉伸、压缩、硬度）等材料科学相关的基础验证性实验，该部分主要涉及的教学资源包括光学显微镜、抛光机、砂纸、拉伸万能试验机等，实验室现在资源可以充分锻炼每位同学的动手能力并加强对基础问题的理解。第二层次主要涉及腐蚀、摩擦和断裂等材料领域的综合性实验，需要用到摩擦磨损试验机、电化学工作站、三维光学显微镜以及一些专用的化学药品等。针对该部分稀缺的教学资源，可以进行分组分阶段教学，通过团队合作发挥不同学生的主观能动性、创造性，考察学生应对复杂问题团队协作解决问题的能力。第三层次主要针对的是学科领域内的一些创新性实验，可能会涉及到包括XRD、SEM、TEM、纳米压痕仪、等离子喷涂系统等大型精密设备，该部分不仅资源稀缺，本科学生操作难度也高。可通过结合大学生创训、毕业设计、学科竞赛和授课教师研究项目，建立科研资源与教学资源的共享平台，通过研究生的传帮带效应，实现本科生创新意识和创新能力的培养。

(3)实验教学内容的科学设置

在上述三层次教学资源分配的基础上合理安排教学内容。第一层次的基础验证实验及认知性实验教学内容主要根据理论课堂教学知识点的内容开展。如铁碳相图是研究铁碳合金在加热和冷却时的结晶过程和组织转变的图解，是研究钢铁铸造、锻造和热处理的重要依据之一。在进行“材料科学基础”课程教学时，可以设计实验让同学们制备并观察不同碳含量钢铁的典型金相组织，掌握铁素体、珠光体、渗碳体等形貌特征，对比铁碳相图分析不同碳含量下典型碳钢的金相组织特征与变化规律。对于第二层次的综合实验需要定期更新实验教学项目和内容。授课教师通过查阅文献，在以往实验内容的基础上需要把最新的研究理念和研究方法引入到实验教学中。例如，目前对涂层样品力学性能的表征实验教学仍是采用截面试样的显微硬度测试方法，该方法不仅制样繁琐，测试结果也缺乏精度，而近年来发展的纳米压痕技术通过高精度位移载荷传感器可以实现小到纳米级的压入深度，可实现涂层表面硬度的精确测量。针对第三层次的创新性实验，鼓励学生开放式选题。由授课教师根据教学内容提出问题，学生通过文献调研自主选题设计方案，在授课教师的指导下开展探索式科学研究，拓展学生的创新能力和实践能力。

(4)实验考核方式的持续改进

在实验教学内容的基础上，要根据实验前-中-后的表现实行多元化的考核方式。实验前的工作包括实验内容的预习、实验步骤的设计以及实验材料的准备等工作，该部分工作授课教师监管较难，可实行团队之间互评的方式进行打分，也可让团队内部成员之间相互进行成绩评定工作。实验中的成绩评定部分主要包括操作规范、安全意识、动手能力以及分工合作等，将各部分之间的成绩细化，充分考察实验教学的全流程目标。实验后的考察部分重点表现在实验数据的分析整理、实验结果的呈现以及表述规范性。针对实验数据的分析部分，增加不同团队之间数据的横向比较，丰富实验内容，提高实验效率。对于部分实验课程，可要求通过ppt答辩的方式进行考核，进一步培养学生的创新意识，学习主动性和表述规范性。

3.结语

工程教育专业认证是高等教育质量保证体系的重要组成部分，是学科在国内外宣传的“通行证”。本文从河海大学材料科学与工程专业实验教学存在的问题出发，以专业认证为契机，从教学体系、教学资源、教学内容和教学评价四个方面出发，对材料科学与工程专业实验教学进行全面化和系统化的改革探索，不仅可以将本专业人才的创新实践能力提高到一个新的高度，还可以满足新时期国家对新材料产业和材料类专业人才的需求。