材料科学与工程专业新型实验教学体系改革浅析

毛卫国+戴翠英+陈尚达+龚跃球+龙士国+赵瑶香+宋婧

[摘要]分析了当前国内材料科学工程专业实验教学的现状与存在的主要问题，依托湘潭大学“材料科学与工程”一级博士点学科平台，推动材料科学与工程专业实验教学内容、项目类型、教学方法和评价机制等方面进行尝试性改革，主张以科研引领教学的实验教学理念，着重培养学生的综合素质和创新能力，探索出一条适合地方性综合大学的实验教学方法。

[关键词]材料科学与工程；实验教学；改革；创新

[中图分类号]G642.0[文献标识码]A[文章编号]10054634（2016）05005404

0引言

材料学科是一门实践性较强的传统学科，实验教学已成为材料与科学专业学生培养非常重要的部分[1]。在材料学科快速发展的过程中，材料专业实验教学工作存在教学时数偏少、教学内容滞后、教学设备陈旧、学生考评机制单一等问题，进而直接影响专业培养目标的实现和创新人才的培养，限制了实验教学作用的发挥[26]。在“十三五”期间，如何探索材料科学与工程专业实验教学体系改革，如何有效更新实验课程体系、实验内容与实验教学方法，已成为当前材料专家、学者积极面对的热点问题。建立新颖的实验教学指导方案，适应现代高等教育发展的客观要求，有助于厚基础、宽专业、强能力、高素质创新人才的培养[2，4，5，7]。本文依托湘潭大学多个省部级学科平台，在材料科学与工程专业实验教学内容、项目类型、教学方法和评价机制等方面进行尝试性改革，有望提升地方性综合大学的实验教学质量。

1湘潭大学材料科学与工程实验教学的改革与创新学校材料科学与工程学科依托材料科学与工程学院的师资力量，以及“一般力学与力学基础”国家重点学科、“材料科学与工程”一级学科博士点、博士后流动站、“特种功能薄膜材料”国家地方联合工程实验室、“薄膜材料及器件”湖南省重点实验室、“装备用关键薄膜材料及应用”湖南省国防科技重点实验室、 “低维材料及其应用技术”教育部重点实验室、“材料设计及制备技术”湖南省重点实验室等一批良好的学科平台，逐步形成了装备用关键材料及工程化应用、低维材料及其应用技术、薄膜材料与器件力学、材料设计与加工四个代表性的学科方向，形成了以材料、力学、物理、化学、电子等多学科交叉的材料学科体系。2008年，教育部批准立项成立了湘潭大学材料科学与工程实验教学示范中心，为国家级材料类实验教学示范中心建设单位。该中心面向材料科学与工程一级学科，立足特殊涂层薄膜材料、航天航空用无机非金属材料工程、关键金属材料工程、先进复合材料工程、材料物理、材料化学等材料类二级学科专业。目前，该学科已成为湘潭大学学科发展的重要力量，致力于培养基础知识扎实，能在材料结构设计制备、性能表征、工程化应用等领域从事科学研究、教学、科技开发及相关管理等方面的复合型人才。然而，近几年实验教学情况分析显示，原有的实验教学体系难以跟上当前材料学科快速发展趋势和社会需求，不利于材料专业学生的能力培养、继续深造和社会就业。因此，逐步对材料科学与工程专业的实验教学内容、教学方法、评价机制等进行了尝试性探索和改革，预期得到一些可行的教学经验。

1.1整合和提升实验教学内容

从2010年开始，教研组通过调研该专业国内外发展趋势和特点，整合现有的实验教学项目，补充和完善新兴实验教学内容，从广度、深度及实际解决问题的角度进行实验教学改革，加强多学科之间的交叉[4]，突出改革的整体性、综合性和实践运用，完善整个实验课程教学体系，整合原来分散的、与理论课对应的实验课，分层次组织实验教学[4，6]。按照4∶3∶3比例，实验教学内容体系分为基础类、综合类和创新类3种类型。

1） 基础类实验主要是加深学生对课本基础理论知识的理解，在实验中检验相关定律、定理和基本概念，掌握基本实验操作方法，具有一定的实验操作技能，该层次主要通过设置的“材料科学与工程基础实验”课程实现。该实验类型包括材料基本理论验证实验、材料微观结构实验、材料性能实验（光学、热学、电学、磁学等）、材料研究方法实验、材料力学性能实验（强度、断裂韧性、残余应力、弹性模量等），结合现代分析测试仪器，建立从化学成分分析到材料微观结构分析的实验平台。在专业培养方案中，增加了实验教学时数的比例，略微降低课堂教学时数，加强学生的实验手段、方法和仪器操作技能的培养。从实验教学出发，让学生掌握扎实的基础知识，提高学生的动手能力和独立思考的能力[8]。

2） 综合类实验是指根据材料学科发展趋势，以及本教研组学科方向的发展规划，实现不同专业、不同学科间的交叉渗透和辐射作用，形成跨学科、跨专业的交叉学科实验项目。从教研组成员的科研课题中提炼出新的实验设备方案，应用新的实验测试技术，搭建新的实验平台，研发出新功能的实验仪器设备，完善综合类实验项目，加强学生工程意识的培养，致力于加强学生动手能力、解决问题的能力，强化学生的工程意识。代表性的新型综合类实验有：静电纺丝法制备纳米材料、智能材料力电磁热耦合性能研究、数字图像散斑法在材料力学性能测试中的应用、基于维氏压痕法脆性涂层材料断裂韧性和残余应力压痕法实验分析等、复杂环境下材料宏微观变形测试分析、高温环境下材料压痕测试分析等。

3） 创新类实验主要依托教研组的科研项目和各种实验竞赛（例如大学生创新项目、全国“挑战杯”竞赛等），培养学生学以致用的能力。目前，教研组主要根据教研组教师所获资助的材料，力学、化学、机械等交叉学科方面的科研课题，把创新性较好的实验测试课题分解成难度适中、数量适当的创新型实验题目，并发布给学生。根据发布的信息，学生自由组队或教师协助指定分组，双方确定感兴趣的实验研究主题框架和内容。然后根据实验测试所涉及的研究背景，主动查阅相关文献，结合专业知识，设计合理的实验方案。在实验指导教师的帮助下，组装现有的仪器设备，完成相关实验测试，并进一步分析实验测试结果，得出这个方面的研究结论，甚至达到能够发表学术论文的水平。这种创新类的实验训练鼓励学生和指导教师共同协商选题，大力培养学生的创新素质、实践能力和思考能力。

1.2多种实验教学方法和评价机制互补

1） 编写实验讲义。根据实验教学项目的设计及发展规划，删除或更新原来过旧的实验讲义，补充新实验项目匹配的实验讲义，实现教材指导资料多样性。实验讲义不仅体现了课程理论课程的教学内容和关键点，而且融合了多学科、新型实验技术和方法、新型实验测试设备，紧跟材料发展前沿以及国家中长期发展规划，提炼出新的实验教学内容。例如，教研组周益春教授编写了《材料的宏微观力学性能实验指导》，已成为国家精品课程、国家“十一五”规划教材《材料的宏微观力学性能》的配套实验指导教材。该实验指导书共分3部分：基础性实验部分、综合性实验部分和创新性实验部分；全书共45个实验，涉及硬度、断裂韧性和残余应力的常规力学性能测试，完善了金属材料的疲劳、蠕变、腐蚀实验测试，智能薄膜材料、功能陶瓷材料、高分子材料和复合材料界面力学性能测试分析等。

2） 多样化的教学方法。对于基础类和综合类实验教学，一般是指导教师或助教先讲解实验测试原理，然后亲自操作一遍整个实验过程，并同时讲解实验过程中应该注意的事项，对关键环节、关键知识点，及时提问学生，学生现场作答，加深对课程知识的运用和掌握。在学生分组动手做实验环节，及时纠正学生在试验过程中出现的不规范操作和错误操作，全程监护学生实验过程，防止发生人身意外和损坏实验设备等。对于创新类实验教学，由于对所涉及的知识点要求提高，结合具体的实验项目类型，一般先让学生查阅相关文献资料，以便了解所研究测试的主题背景、测试内容及数据分析。然后类似于上述的实验教学方式，在指导教师的帮助下，一起完成具体的科研测试，确保实验结果可性度。

3） 多种实验教学考核方式互补。学生的实验成绩和评价标准与实验项目的类型紧密相关，不同于原来只看实验报告的那种单一评价模式。对于基础类实验成绩评价，主要参考学生的实验操作能力、实验结果分析程度、实验报告规范程度。对于综合类和创新类实验成绩的评价，主要考察学生对所研究的主题理解程度，对文献的调研能力、消化能力、问题提炼能力，在实验中的创新程度。同时，参考实验数据分析水平。对于表现突出，参与发表了学术论文的学生，成绩从优。另外，学生通过创新类实验项目积累的相关科研工作经验，或者参与发表的相关学术成果，在学生找工作或参加研究生复试过程中发挥了重要的作用。

2实验教学改革的进展情况

从2010年开始，教研组利用具有国际国内先进水平的仪器设备，为本科生开设实验项目，拓宽学生视野，提高学生创新研究能力。积极探索“十三五”期间材料科学与工程专业的实验教学改革，完善多种方式互补的考评机制，激发了学生的专业兴趣，提高了学生的专业水平，丰富了实验教学经验。

教研组把相关科研成果逐步应用到实验教学改革中，取得了较好的效果。例如，“多功能一体化数字图像小负荷维氏压痕仪”是2011年由毛卫国教授自主设计和研制的，拥有自主知识产权的高科技通用教学科研设备（专利号：201410260206.8，201110221197.8，ZL 201120280201.3和2012R11S048409）；该仪器顺利通过了上海市计量测试技术研究院、华东国家计量测试中心的第三官方检定，完成了湖南省科学技术成果登记，从细观到宏观尺度上实现了快速准确测试脆性材料体系显微硬度、断裂韧性和残余应力3个关键指标，为脆性涂层材料产品的相关工艺优化、质量检测及可靠性评价提供了一种功能集成的实验设备。2012年两套设备开始服务于学校材料物理、材料科学与工程、新能源材料与器件3个本科专业，在“材料显微硬度试验”“脆性块体陶瓷材料断裂韧性测试”和“脆性涂层材料体系断裂韧性和残余应力测试”3个专业实验中发挥了重要作用。教研组编写了配套的实验讲义，丰富了实验类型，先后承担了2项国家级大学生创新创业训练计划项目的测试任务（1项被评为优秀）。

对于创新类实验项目，大部分学生能够在一定时间内协调完成实验测试任务。部分优秀的选题项目成功获得了大学生研究性学习和创新性实验计划立项资助项目。例如，张瑜负责完成了“基于数字图像相关技术的热障涂层体系界面失效实验表征方法研究”，并获得2013年度大学生研究性学习和创新性实验计划项目省级优秀结题项目。张瑜参与毛卫国教授指导的创新类实验项目，表现突出，共发表5篇学术性论文（3篇SCI和1篇EI）[913]。2013年谢慧婷承担了“电缆电线绝缘层老化程度测试研究”、2011级李可可承担了“1100 ℃环境下热障涂层体系界面失效实时测试研究”、张沛然负责完成了“石墨烷的隧穿磁阻效应与自旋阀设计”。其中李可可出色完成了所选择的创新实验，并参与发表了1篇SCI学术性文章[9]，作为湖南省仅有的2名代表之一，应邀参加了2015年9月由教育部主办的以“青春、梦想、创新、创业”为主题的第八届全国大学生创新创业年会，并就项目成果作口头报告。这充分说明从指导教师科研项目中提炼出难度适中的微型研究课题作为大学生的综合创新类实验，既培养了大学生的创新能力，又让学生了解学科前沿动态，有利于学生就业或者直接攻读研究生。

3结束语

在新形势下，为满足社会经济发展对材料学科专业人才的需求，全面提高毕业生的质量，依托湘潭大学“材料科学与工程”一级学科博士点和博士后流动站、材料科学与工程国家级实验教学示范中心、低维材料及应用技术教育部重点实验室和“薄膜材料及器件”湖南省重点实验室等学科平台，以科研项目研究成果及研制的实验仪器设备，丰富实验教学内容，提升实验教学水平和质量，让学生更加贴近社会实际需求，紧跟材料专业发展前沿，让学生得到真实有效的锻炼，有效地提高了教学质量和教学水平，正逐步探索出一条实验教学改革新途径。

参考文献

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AbstractThe main problems of the current situation in experimental teaching of materials and science and engineering in China were analyzed in this paper.We have attempted to reform the experiment teaching content，project type，teaching method and evaluation mechanism of this major on the basis of original academic platforms at Xiangtan University.An opinion that scientific researches lead the development of experimental teaching was proposed，which was useful for improving the abilities of graduate students.A possible teaching method was summarized in this paper.

Key wordsmaterials science and engineering；experimental teaching；reformation；innovation