材料科学与工程专业实践教学改革

材料科学与工程专业实践教学改革

杨 闯 谢礼兰 付海 陈廷益

贵州师范大学材料与建筑工程学院，贵州贵阳 , 550014

摘要：材料科学与工程是贵州师范大学2012年新开设的工科专业，结合该专业实践教学在执行过程中出的实际情况，对实践教学过程中存在的主要问题进行了分析，同时指出了实践教学的具体改革思路和相关措施。

关键词：材料科学与工程 专业实验，教学改革

中图法分类号： G642.0 文献标识码： A 文章编号：

当今社会，各用人单位对工科专业学生的综合能力特别实践创新能力的要求越来越高。对高校各工科专业的各类人才培养而言，改革、创新和建立合理实验教学体系，强化实践教学环节，对实践教学内容进行改革和创新，建立合理可行的实践教学体系，已经成为各高校教学改革中的重要组成部分^[1-3]。作为工科专业，材料科学与工程专业要求学生必须具有较高的实验技能、创新能力和专业知识运用能力等，实践环节是材料科学与工程专业的关键环节^[3]。因此，对材料科学与工程专业实践教学进行改革，构建完整的实践教学体系，提高学生的综合能力具有重要的意义^{[4, 5]}。2012年，贵州师范大学根据区域经济的实际情况，开设了材料科学与工程专业工科专业。本文分析了我校实践教学在执行过程中存在的一些相关问题，并指出其改革思路和具体措施，有效实现我校材料科学与工程专业的人才培养目标，全面提升学生的综合素质。

1 材料科学与工程专业实验教学存在的问题

2012年，贵州师范大学根据区域经济的实际情况，开设了材料科学与工程工科专业，该专业大部分实验属于课内开展实验，相关课程的实验内容之间缺乏相应的连贯性，实验项目内容较为简单，验证性和演示性的实验项目过多，与专业理论严重脱节，学生实验开展的过程中，运用专业知识理论的能力普遍较差，实验技能较低，学生在实验过程中处于被动地位，缺乏实验的积极性和主动性。同时，一线实验教师大多为高校毕业就进入实验室，缺乏生产一线的实际工程背景，理论知识虽然丰富，但实验能力还有所欠缺，难以指导学生进行综合性、开放性及设计性试验的开展，实验项目大多根据实验室现有的设备条件而确定，学生根据预先制定好的实验方案进行和开展实验过程，现有的实验教学体系不能满足专业人才培养目标的要求。

2 材料科学与工程专业实验教学现状

针对我校实验课教学实施过程中的具体情况，把相同学期的相关课程实验进行调整和合并，使实验课环节从理论课中独立出来，作为独立的实验课进行单独开设，同时对实验项目具体内容进行修改和整合，减少了一些实验过于简单，操作性不强的实验项目，增加了实践性和可操作性的实验项目，同时对指导书的内容进行了修改。增设了设计性试验，要求学生在实验前，先收集和查阅相关的实验资料，在老师的指导下学生自行制定实验方案并开展实验。实验指导书为具有丰富教学经验的一线实验教师编写，实验指导书的内容也进行相应调整和改变，使学生在实验的过程中在实验指导书的引导下，能够学会运用相关课程理论知识，并将其应用到实验中，以培养学生专业基本技能、实验技能和工程应用能力。

3 构建多层次的实验教学体系

将我校材料科学与工程专业的实验分为基础实验、综合实验和创新实验三个层次。基础实验层次为《物理化学》、《材料科学基础》及《材料研究方法与测试技术》等必修课程实验，根据课程实验要求，操作实验过程，通过基础实验层次的实验过程，使学生掌握最基本的实验技能。综合实验层次是在学生具备基础实验层次的基础上开展，把以前划分过细的同学期相关课程实验进行系统调整，串联相关的实验内容，单独增设独立的实验课。创新实验层次是在基础实验层次和系统实验层次的基础上开展，设置开放性和设计性实验相关项目，要求学生综合运用前面两个层次的专业技能和相关实验知识，在教师指导下积极主动地制定实验方案，完成实验项目。

3.1 基础实验平台

在低年级开展基础实验层次，通过必修课程实验，以专业必修课为基础，使学生能够操作基本实验仪器，掌握相关的基础检测方法，了解设备的基本结构、基本原理及基本方法，采集基本的实验数据，能够对实验数据进行分析，通过基础实验平台，主要让学生养成好的实验习惯，掌握基本的实验技能。

物理化学实验，掌握相图绘制的基本原理，主要学会用热分析法绘制相图，了解热分析仪的基本结构、工作原理和操作方法，学会分析和观察相关实验数据的变化规律，能够利用热分析法的相关原理绘制二元相图。

材料科学基础实验，主要通过晶体结构、晶体缺陷及材料热力学的学习，在掌握物理化学相图的基础上，开展铁碳平衡相图组织观察和金相样品的基本制备，学会用金相显微镜观察和分析铁碳平衡相图珠光体、铁素体和渗碳体等基本组织，掌握金相样品制备的基本方法。

材料研究方法与测试技术实验: 主要了解X射线衍射仪及结构与操作，了解扫描电镜的工作原理和操作，了解用红外光谱测定的基本方法，通过本课程实验课的学习，使学生了解和学习用先进的大型实验仪器和设备测试分析材料的成分和结构，并了解大型仪器的基本操作和数据的采集整理。

3.2 综合实验平台

在学生具备和掌握基本的实验技能后，开展综合实验层， 把相同学期的相关专业课实验进行调整和合并，使实验课环节从理论课中独立出来，作为独立的实验课进行单独开设，同时对实验项目具体内容进行修改和整合，减少了一些实验过于简单，操作性不强的实验项目，增加了实践性和可操作性的实验项目，使学生能运用多门专业课程的专业理论进行实验，锻炼学生理论与实验相结合的基本能力。

将《固态相变》、《金属工艺学》及《材料腐蚀与防腐》三名课程的课内实验进行整合，开设《材料综合实验一》课程综合实验，《固态相变》主要为奥氏体、珠光体、马氏体及贝氏体等组织观察与分析，《金属工学》主要为铸造组织、锻造组织和焊接组织的观察与分析、《材料腐蚀与防腐》主要为腐蚀极化曲线及材料的腐蚀速率，通过上述实验的整合，使学生学会材料组织的转变过程，分析组织对腐蚀性能和力学性能的影响规律。

将《金属材料学》和《金属热处理工艺学》两门课程的课内实验进行整合，开设《材料综合实验二》课程综合实验，《金属材料》主要为工程结构钢、机械制造结构钢、高速钢及合金工具钢的热处理，《金属热处理工艺学》主要为退火、正火、淬火及回火，上述两门课具有很大的相关性，对着两门课进行整合，学生可以学会利用《金属热处理工艺学》的四把火的相关实验知识，对具体低碳钢、中碳钢、合金钢及高速钢进行热处理，使学生能够运用相应的理论知识，将相关的理论知识运用到实验中去。

将《金相分析与质量检测》、《失效分析》两门课程的课内实验进行整合，开设《材料综合实验三》课程综合实验，《金相分析与质量检测》主要对材料内部的夹杂物、晶粒度、微观缺陷及渗氮层等金相微观组织进行分析，评价材料质量的好坏，《失效分析》主要是根据材料内部的微观组织、微观缺陷及材料成分等对材料失效的原因进行分析，上述两门课的实验有很多的相同之处，都是根据微观组织分析材料的质量或性能，对这两门进行整合，学生可以利用《金相分析与质量检测》相关微观组织和材料质量评价的实验知识，分析材料失效的原因，提高学生相关课程的综合实验知识的应用能力。

3.3 创新实验平台

主要在高年级学生开展，在学生具备基础实验层次和综合实验层次，掌握了基本实验技能和综合实验知识的运用能力之后，开展创新实验层次，要求开展的实验具有一定创新性，提高学生的实践创新能力。

《开放性设计性实验》是根据指导老师的开放性及设计性实验要求范围，制定合理实验方案，指导老师对学时制定的实验方案尽量论证和修改，学生再跟进所实验方案的实验内容选择设备，进行实验操作，并进行实验相关的性能检测与分析，主要在学生掌握实验基本技能和综合实验知识能力的基础上，提高学生设计创新实验的能力。

《材料研究方法实验》是通过指导老师的指导，使学生掌握材料研究一般方法，理论和实际相结合，培养学生的创新思维和创新能力。《材料研究方法实验》首先指导老师设计材料研究的相关选题，学生根据所学题目查阅相关资料，掌握国内外的研究现状，写出材料研究的方法或过程，进行相关实验，根据实验结果进行数据总结，并根据相关的理论知识进行实验结果分析，写出研究报告或科技论文，提高学生的科研创新能力。

4 构建实践创新能力培养体系

依托我校的贵州省铝电解炭素材料工程技术研究中心、贵州省材料与冶金综合实验室、贵州省高校无机非金属功能材料特色重点实验室、军民通用航空标准件热处理技术与装备研发平台建设及贵州LED原料及衬底材料产业协同创新中心等科研教学平台，通过开展学科竞赛，学生科研训练计划项目及产学研合作，构建实践创新能力培养体系。

4.1 学科竞赛平台

全国大学生金相技能大赛是由清华大学、北京科技大学、中南大学等高校桥头，联合发起和组织的材料类国家赛事，迄今为止，已举办十届。2019年，全国大学生金相技能大赛进入中国高等教育学会发布的全国普通高校大学生学科竞赛排行榜，已成为是材料类举办最早、水平最高、规模最大、影响最大的学科竞赛排行榜大赛。2021年，参赛高校已达370余所，在全国高校产生了极大的影响，对材料类专业学生实践创新能力、分析解决问题和综合素质等方面产生了重要推动作用。以金相技能大赛为契机，自2016参加全国大学生金相技能大赛以来，我校对人才培养方案进行了调整，专门开设了一门《金相技能培训》课程，集中在两个周对学生的金相技能进行培训，学生在金相技能培训和参赛的过程中学生对样品质量水平及样品缺陷原因的不断分析，极大地提高了学生实践动手和分析问题的能力，以及创新思维和创新能力。

“热处理创新创业大赛”教育部高等学校机械类、材料类及工业工程类专业指导委员指导，由中国机械工程学会主办的中国大学生工程创新创意大赛，指导思想为“厚基础、强融合、重突破”，主要宗旨是通过该项创新创业大赛，提升大学生对热处理的认识，激发大学生对金属材料及热处理实践创新的热情和兴趣，对热处理技术进行创新，为新材料和高端装备制造培养卓越的创新人才，为国家强国战略服务。以材料热处理创新创业大赛为契机，极大地提高了我校学生热处理知识的综合运用和创新创业能力。

4.2 大学生科研训练计划平台

依托教师的科研课题，组织学生积极申报大学生科研训练计划项目，使学生主动参与和进行科研训练，提高学生查阅资料、实践操作、学习研究及论文撰写等能力，营造科研氛围，培养学生的科学研究态度，使学生的从被动转变为主动，开拓学生的视野，完善学生的知识结构和科研视野。另外，通过大学生科研训练计划项目，也转变老师的教学理念，提高老师对人才培养目标的认识和定位，增强“以教师为主导，以学生为主体”的教学观念，有助于材料类专业人才培养模式的完善，推动科研对教学的促进作用。

4.3 产学研合作平台

学生所学的专业理论必须要参与社会实践才能得到更为有效的检验，学生的实践创新能力要得到根本上的提高，只有通过社会真实环境下的实践和实训。利用我校的产学研合作平台，让学生学以所用，将产学研合作中的新技术、新成果及社会发展前沿纳入我校的人才培养过程，使学生更多地了解学科发展前沿趋势和发展方向，切实提高人才培养质量。

5 总结

结合我校材料科学与工程专业实验教学在执行过程中的出现具体情况，为适应当今社会用人单位对人才培养能力的要求，通过构建为基础实验、系统实验和综合实验三个层次教学体系，搭建基础技能实验、综合实验和研究创新能力平台，以提高我校的实验教学质量，促进我校学生的合素质的提高。

参考文献

[1] 辛双宇, 朱革, 王闯, 等. 材料科学与工程专业的课程体系和实验教学体系建设[J]. 信息记录材料. 2019,20(02): 140-141.

[2] 凌红, 杨坡, 冉起超. 材料科学与工程基础实验教学改革探索[J], 广州化工, 2020, 48(12): 161-162.

[3] 孟君晟, 史晓萍, 王永东, 等. 应用型本科材料科学与工程专业实践教学改革与实践[J]. 黑龙江教育, 2020(02): 63-64

[4] 孙桂芳, 朱世敏, 汪应玲, 等. 材料专业实验教学改革的探索[J]. 教学研究, 2013, 36(3): 8-100.

[5] 郝一男, 陈鹏, 红岭. 材料科学与工程专业实验课程体系改革探究[J], 内蒙古民族大学学报, 2016, 31(5): 396-399.

[作者简介]

杨闯，出生年月日，1976.12.22，性别，男，民族，土家，籍贯，贵州思南，学历，博士，职称，教授，研究方向，材料表面改性，工作单位，贵州师范大学材料与建筑工程学院

基金项目：贵州师范大学2019年度教学内容和课程体系改革项目（合同编号：2019第23号）