基于复合材料制备及研究方法实验教学改革初探

赵燕春+寇生中+李春燕

摘要：党的十届三中全会强调深化教育领域综合改革，教学改革一直是教育领域探讨的重要课题。本文基于形状记忆合金复合材料创新课程，以理论为基础，以实验实践为主体教学方法，培养学生的动手能力、实践创新能力，启迪学生探索新材料、新学科、新问题的兴趣，逐步研究创新课程的教学改革，以期达到创新课程申请与设置的目的和要求。

关键词：教学改革；复合材料制备；创新能力；实验教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）15-0078-02

形状记忆合金复合材料的TRIP（Transition Induced Plasticity，相变诱发塑性）效应分析是针对材料类专业开设的一门实验创新课程。其中，复合材料制备及组织性能研究部分通过理论联系实验分析方法教学，是多学科研究的交叉点，涉及铸造、热处理工艺和材料科学微观组织、力学性能的表征方法，是原理及其应用、理论及其与实践辩证关系的很好体现。本课程的任务是通过实验提高学生对理论专业知识的综合应用能力和实际动手能力，结合课题项目研究，讲授研究背景、实验原理、分析测试方法等，引导学生设计和优化实验方案，熔炼制备合金，对材料的结构性能进行表征，分析讨论实验结果，激发学生的科研热情，培养他们专业方向的创新意识。

一、明确创新课程的设置背景，凝聚学生的注意力和关注度

材料科学研究无论是理论教学还是实验教学，学生的注意力和对材料领域的关注度不是很积极，似乎更在乎考试成绩，这是因为材料科学理论枯燥，实验步骤繁多，而实验结果的正确性却难以保证，只能不断实验，重复实验，依据理论分析数据来判断材料研制是否达到预期目标。近年来，总结课程随堂教学，但凡讲一些课题背景和现实市场的价值意义，就会发现学生的热情高涨，问得多，想得也多。

创新课程形状记忆合金复合材料的TRIP效应分析是总结项目过程中笔者发现的材料研究相变诱发塑性的分析方法，目的是激起对新材料研制的注意和关注。形状记忆效应（shape memory effect，简称SME），主要源于合金的随温度升降而消长的热弹性马氏体相变及其逆转变。研究发现，一些高温形状记忆合金体系，如目前应用最为广泛的NiTi系，具有优异的形状记忆和超弹性能、良好的力学性能、耐腐蚀性和生物相容性，并同时具有一定的非晶形成能力，引起学者们的重视。随着老龄化社会的到来，人们的健康问题日益突显，用替代品更换老化或损坏的器官、组织的需求越来越多。随着生活水平的提高，人们对健康、审美的需求也相应提升，已不满足于只用不锈钢等普通材料进行器官修复，对综合性能优异的材料需求日增。NiTi形状记忆合金与传统医用材料316L不锈钢相比，其密度小，与骨组织相近，适合硬组织的修复。它的弹性模量低，与人体骨骼接近，极大地降低应力遮挡作用，避免骨质疏松、肌肉萎缩等，但NiTi形状记忆合金里含有大量Ni离子，局部腐蚀形成后，Ni离子大量溶出，造成生物相容性恶化，因此，综合性能更为优异的新型记忆合金亟待研制。

通过创新课程设置的背景，明确学科地位，提升关注度，分析研究材料的优越性，抓住其强度高、比重轻、耐蚀性好、生物相容性优良等特点，提出需要研究解决的科学问题，激发学生的注意力和关注度。

二、创新课程理论教学，激发学生的创造性思考

教学理论是研究课程本身的规律及其应用的理论，其研究对象是TRIP效应理论分析和教学问题，揭示其在复合材料形变过程中的作用机制，总结新材料的设计理念和结构特点。通过介绍形状记忆合金材料的研究前沿及其在生物医学、工业、航空航天上的应用，使学生充分地理解课程背景，激发学习兴趣和探知欲。通过结合专业理论，揭示新材料的研究规律，不断提高理论成果的抽象概括水平，在已有理论和原理的指导下，通过多媒体教学与传统教学相结合，在教学过程中充分利用多媒体展示图形、重要概念和结论及公式、理论扩展分析等内容，适时采用板书教学进行补充，借用视频等生动活泼的素材向学生告知目前的研究重点和存在问题，如，材料探索、形成经验规律、判据，材料加工、铸造、挤压等工艺条件的影响，凝固过程的组织演变和温度场的关系，形状记忆晶相在基体中的变形机制及TRIP效应对复合材料性能的影响规律等，凸显新材料的优越性、实用性、科学性和先进性，使学生亲身感受这门课程确有科学研究意义和实际应用价值，继而提出亟待解决的关键问题，充分挖掘学生对该课程的崇尚情感和价值观，养成良好的科学态度和品格修养。创新课程要更好地注意难易结合，采用多回忆、多提醒的方式启发学生回忆以前的基本知识，使学生能够认识到复合材料制备过程涉及的成分设计、热力学、动力学、组织结构和性能等是一个完善的整体，是应用于材料工程中的一套完整理论，是理解已有生产技术和工艺流程、建立新技术和工艺流程的指南和工具，起着承上启下、基础理论与专业生产实践相联系的桥梁和纽带作用。激发学生思考和探知，可以启发他们形成发散性思维、批判性思维和创造性思维。

三、掌握学生的性格特长，合理安排实验任务

创新课程是为了满足部分学生的兴趣、爱好和特长而设置的，由学生根据自身素质结合课程设置要求和培养目标自愿选择。因为这门课程是跨学科、跨专业的，所以选课的学生能力和特点各有不同，教学过程中一定要把握好学生的性格特征和心理特点[1，2]，让学生多交流，多发言，积极创造学习情感氛围，创造一种以学生为本、以学生为中心的课堂环境，理解学生发言是根据自己的能力思考而说出来的，通过“启发式”和“互动式”教学，激发学习兴趣和求知欲，使学生养成良好的分析问题能力和勤于思考的习惯。培养学生自主做好实验前的各项准备，启发学生进行互动式的讨论、提问、讲解，教师要及时总结方法。注重讲授内容完整性的同时，教师在教学过程中应注意难点的平缓过渡，做到通俗易懂，根据学生的言论和特点给予高度鼓励和评价，通过双向交流、观察、讨论掌握学生的性格特点，合理安排实验任务。掌握微观组织表征和分析方法，包括XRD分析相组成、金相组织分析、扫描电镜等，了解透射电镜制样方法和分析；掌握利用热力学分析测定相变温度、相变潜热、特征温度的方法；掌握力学性能测试，包括显微硬度、压缩或拉伸性能等，会分析应力—应变曲线。这些实验并不是每个学生可以单独完成的，需要共同协作，需要具体分工，通过平时的交流观察，进行合理分工，充分发挥每个人的特长优势，同时要发挥整体效能，培养团队精神，让每个学生在实验中感受学习的快乐，享受实验成功的喜悦和成就感。

四、创新课程实验教学，培养学生的动手能力

创新实验教学，要让学生掌握这门课程的教学目的和教学任务[3]。合理的教学安排，就是创新的体现。形状记忆合金复合材料的TRIP效应分析课程设置要让学生掌握：原料的选择和母合金熔制；理解合金体系成分选择思路和原理，掌握炼制母合金的方法及反复熔炼的影响；掌握水冷铜坩埚悬浮熔炼—铜模铸造法制备合金试样，理解设备原理，掌握熔炼铸造中的操作方法和参数控制，了解真空度和过热度等对合金组织结构和性能的影响；微观组织表征与性能测试，掌握微观组织表征和分析方法，分析温度梯度场中组织梯度的演变规律；理解铜模铸造过程中，在沿径向负温度梯度场作用下，铸态组织的梯度性特点，总结成分—组织之间的关系；学会TRIP效应对基体的韧塑化分析等。这些内容是研究新材料的关键实验方案，是培养学生动手能力的最佳方法。通过项目实施过程的成功经验，并用其带动和影响学生参与科研活动，积极开辟第二课堂，如QQ群、微信群、会议等，通过吸收学生参与科研课题，巩固和深化专业培养思想。只有让学生积极地投入实践，才能将知识转化为能力，才能更好地培养学生的创新意识，逐渐提高他们的实践动手能力、自学能力、分析问题和解决问题的能力。

五、展现人文关怀，启迪学生探索新材料的积极性

孔子曰：师者，所以传道授业解惑也。中国自三黄五帝以来，一直对教师都很崇拜。教师是人类灵魂的工程师，对学生的学习、生活和工作都会产生重要影响。随着社会经济的发展、社会环境的变化及就业压力等，学生的心理和性格都会受到一些影响，“良师益友”成为当代教学、教师与学生的经典话语，也更为重要。加强和改进教育教学的工作作风，注重学生的人文关怀和心理疏导，紧密结合当代大学生的所想、所思、所行、所为，给予积极的引导，在生活上、学习上、实验过程中实施人性化管理，展现人文关怀，不断改进教学服务态度，创新教学服务方式，尊重学生，关心学生，理解学生，做学生的朋友。启迪学生探索新材料的积极性，主动掌握学习动机、学习目的和出发点，培养学习兴趣和学习责任感等非智力的情感因素。

总之，创新课程在教学过程会遇到很多问题和困难，要积极地探索新的教学模式，培养学生的求知、探索及创新能力，提高教学质量，夯实人才培养的基础。

参考文献：

[1]刘熙媛，徐东强，韩红霞，等.土力学试验教学改革与学生创新能力的培养[J].教育教学论坛，2013，（1）：41-42.

[2]陈灵，彭成红，加强研究性实验教学提高学生的创新能力[J].实验室研究与探索，2010，29（8）：202-205.

[3]张奇伟，孙海勤，张邦文.复合材料专业创新性实验的设计与探索[J].教育教学论坛，2014，（6）：239-240.