对材料科学基础实验教学的一些思考

李一鸣 段宝玉 李晓伟 霍文霞 张利文 陈义胜

【摘要】结合创新人才的培养目标，针对材料科学基础实验教学过程中存在的一些问题，就实验教学的内容和形式提出了改进的设想，着重于学生素质和实际动手能力的培养。

【关键词】材料科学基础实验 教学改革 能力培养

【基金项目】内蒙古科技厅“内蒙古科技大学大型科学仪器开放共享试点建设”资助。

【中图分类号】G420 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2017）10-0243-02

材料科学基础实验是材料相关专业最重要的必修实验课程。该课程的核心内容是材料显微组织分析能力的培养。作为《材料科学基础》理论课程外的延伸和补充，实验课同理论课相互印证并加深，同时培养学生的实验技能，从而提高材料专业学生分析、解决问题的能力。

从1836年Sorby首次用显微镜观察到魏氏组织开始[1]，显微组织分析已经演变为一门专业课程在大学中广泛推广。该课程历经几十年的改革，内容经过增删和更新，授课方式也由传统讲授转变为数字化和演示操作结合的方式[2]。然而随着我国经济和科技实力的逐步提高，对创新性人才的素质要求也大幅提升，而这也对实验教学提出了更高的要求[3]。内蒙古科技大学材料专业的实验教学工作可以追溯到建校初期的金相专业，至今已逾50年。本文根据作者的教学体会和学生反馈情况，对材料科学基础实验教学过程中的一些问题和教学改进设想进行了探讨。

1.实验教学中存在的问题

1.1 内容陈旧、设计不合理

材料科学基础虽然以金属学为其主要内容，但除了金属材料同样包括陶瓷、高分子以及亚稳（纳米材料、准晶、非晶等）等多种材料[4]。其内容也更加深入细致，晶体缺陷、扩散等内容都已经单独作为一个章节进行讲授。然而目前材料科学基础实验的研究对象仍以金属材料特别是钢铁为主，其主要内容也以金属热处理后典型组织的观察为主，实验的深度和内容的广度都亟待进一步提升。

另外，实验课时紧而任务重，如何在有限的时间里高效的传承知识决定了实验课程的质量，而实验内容的设计就显得尤为重要。以“金相样品制备”为例，学生初次制备效果普遍较差。除了手法、力度使用不当以外，对每道次更换砂纸的表面粗糙度的控制确实需要一定操作经验，而这也是学生普遍反映较为困惑的地方。实验技能的培养不能一蹴而就，真正练好基本功需要大量的摸索练习。而该实验中安排接近2个小时来让学生自行进行磨样和抛光的练习，由于同学缺乏经验，因此既无法使学生一下就熟练掌握这些技巧，又大量占用了实验时间。如果将该课程分为两段，首先讲解制备的基本过程和原理，教师进行亲身示范并实地展示制备过程中易出现的问题；而将学生的动手练习放到时间更加充裕的课余时间；然后将练习后的问题反馈，再进行实地纠正。这样学生带着疑问上课，讲授过程有针对性，使得效率更高。

1.2 实验课程同理论基础结合不够紧密

实验技术不仅仅是一种“手上活”，而是一项在专业知识、仪器设备工作原理、数据分析知识等一系列问题了然于心的基础进行的工作。既具有较强的实践性，又具有相当的理论性。实验课的学习是一个对理论课程的验证、加深和拓展的过程。通过实验现象的观察和分析，可以将抽象的理论知识转变为清晰、形象的实验结果，从而进一步巩固理论基础知识。反过来，理论基础对于实验现象的分析又起到指导作用。因此理论和实验应该是相互促进的关系。

然而通过教学过程的反馈发现，学生在实验过程中很多是知其然但不知其所以然。究其原因，除了理论基础不够扎实以外，如何将理论知识和实验结果联系在一起也是一个重要原因。以“碳钢热处理组织分析实验”为例，最让学生感到困惑的是一些复杂多相组织的识别。即使是很有经验的金相工作者也需要在了解材料的成分和加工处理工艺的基础上，然后根据金相组织特征进行辨识和分析。实际上在金相下简单的黑与白都有其理论背景在里面，例如马氏体和回火马氏体在金相组织下的衬度差别归因于两者亚结构的不同，不同组织的细微结构决定了其在侵蚀剂和显微镜下的不同形貌。然而实验课程更加侧重仪器原理和技术，但各种基础理论同金相照片上不同衬度之间的联系仍是实验课程讲解的重要内容，而这也是目前实验课程较为欠缺的部分。

1.3 缺乏引导性和吸引力

实验教学并不是简单的传承实验理论和技术，其最终的目的是对动手分析解决问题能力的培养。因此实验教学应对学生进行引导，让学生利用所学理论知识完成对实验结果分析的训练。然而现行实验课程的设置普遍缺乏引导性，基本以验证型实验为主。以“二元三元合金典型组织的观察和分析”实验为例，实验主要内容为学生进行组织观察后手工绘制组织形貌示意图。该实验的基本出发点应该是训练通过相图对典型的匀晶、共晶、亚共晶、过共晶、包晶等组织进行识别和分析。应该首先结合相图进行组织预测，然后分析显微组织进行验证，在此基础上也可以通过显微组织反推相图基本情况。如果仅以观察、绘制的形式进行实验课程的学习，失去了相图和显微组织之间的互动，实验课的功能大打折扣。

实验课缺乏引导性同样会导致吸引力降低，使得学生缺少学习兴趣。实验课程缺少探索的乐趣，无法达到依靠自己的探究完成分析解决问题的成就感，学生以简单的完成实验报告作为实验课的目的，大大降低了实验教学的效果。

1.4考核方式简单

现行实验教学考核的方式是完成实验报告的课后题，其中相当部分是组织形貌示意图的绘制。完全用组织形貌示意图绘制的好坏来评定学生对实验现象的认知并不可靠，更无法反映實验能力的高低。另外，部分实验报告课后题同理论课习题重复，而非实验教学的范畴，课后题没有新意，不能引起同学对实验现象的思考。

2.实验教学改进的设想

针对上述实验教学中存在的问题，对如何进一步优化实验教学提出了以下思路。

2.1 优化实验课内容和形式

材料科学是一门日新月异的科学，然而实验教学内容几年甚至十几年不变，显然无法跟上发展的脚步。因此进一步拓展和更新实验教学知识量势在必行。例如最新的行业标准和问题都可以传递给学生。

另外，实验教学形式要力求高效而有趣。充分利用多媒体数字技术，可以播放一些經典的科学视频等资料，进一步增加感性认识。金相显微镜多媒体互动系统的引入也十分必要。该系统被认为是当前金属材料实验教学的最高水平[5]，结束了原来教学过程一盘散沙、低效的情况。

2.2 组织实验兴趣小组

兴趣小组作为建设研究型教学的重要途径在一些高校已经进行了有益的探索[6]。在这种模式下鼓励和引导学生进行科学研究的探索，调动学生学习的积极性，进一步巩固和加深了理论知识，同时锻炼学生的动手实验能力。

我校的材料实验教学虽然历史悠久，但一直未开展兴趣小组的尝试。借鉴同类高校的成功经验，完全可以根据我校目前的实验条件，就一些经典的金属学问题设计实验进行探索。例如对于原奥氏体晶粒度的测定，可以结合热台原位观察，冷却后用染色法和侵蚀法进行尝试，探索适合不同的钢种的工艺。这样既拓展了学生知识面又训练了实验技能。

2.3 引入实际案例，开发探索型教学模式

现行实验教学的内容基本为“纸上谈兵”，导致学生对实验课的功能没有认识，失去兴趣，同时教学内容和现实情况脱节，不利于学生创新能力的培养。将一些现场的实际案例带入课堂，例如一些失效破坏的材料，鼓励学生自己思考问题出在什么地方，进行金相分析，结合理论知识和相关标准完成质量问题的鉴定。这样的案例既锻炼了实际分析解决问题的能力，又引发了学生对该课程的兴趣。

3.结语

实验教学作为材料科学教学的重要组成部分，在知识传承和能力培养上发挥着不可替代的作用。不论是研究型还是工程技术型人才的培养都离不开实验能力的培养。实验教学的重点在于理论联系实际，着重动手分析问题和解决问题的能力。如何紧跟学科发展方向，高效引导学生掌握实验理论和技能仍然是摆在教育工作者面前的重要课题。

参考文献：

[1]郭可信.金相学史话（1）：金相学的兴起[J].材料科学与工程，2000，18：2-9.

[2]周凤云，罗学心，李国安.金相分析实验教学改革[J].实验技术与管理，1999，16（2）：81-83.

[3]赵先锐，冯尚申.本科院校金相及热处理专业方向教学改革[J].中国冶金教育，2013，16：12-15.

[4]余永宁.材料科学基础[M].北京：高等教育出版社，2006.

[5]熊小涛，孙建林，薛润东，等.材料学科实验教学改革的探索与实践[J].实验技术与管理，2011，28（6）：265-267.

[6]万迪，贺哲丰，王鹏飞，等.运动EBSD技术开展晶体学研究型实验的探索[J].实验室研究与探索，2012，31（8）：113-116.

作者简介：

李一鸣，男，讲师，内蒙古科技大学分析测试中心。