材料凝固与成型实验课程教学改革探讨

郑巧玲 李烨飞 孙巧艳 高 圆 王红洁

西安交通大学材料学院金属材料强度国家重点实验室 陕西西安 710049

实验教学是高校教学工作的重要组成部分，是培养本科生实践和创新能力的重要途径之一。尤其是在国家重点强调高校本科生培养需要“宽口径、重实践”、突出创新的时代背景下，西安交通大学材料学院致力培养学生的综合素质、实践能力及创新意识，探索研究型人才的培养模式[1]，根据学院教师及专业实验室特点，增加实践环节，组成具有专业方向特色的实验课程体系。

西安交通大学材料教学实验中心为省级教学实验中心，下设3个教学实验平台，包括培养学生全面基础实验技能的院级教学基础实验平台、“科研反哺教学”培养学生综合实验技能的材料专业实验室教学实验平台、依托金属强度国家重点实验室的实验技术中心建立的材料研究方法教学实验平台。3个平台相互分工协作，实现学生不同层次目标及范围的实验教学。

材料凝固成型实验课程是材料专业教学实验平台下设的一门独立实验课程，课程结合铸造专业方向在材料凝固与成型的研究成果及铸造实验室的硬件条件优势，在本科生系统学习材料专业课程及基础实验课程与研究方法后，提供的综合实践环节。

1 课程现状及问题

材料凝固成型实验是材料科学与工程专业本科生的必修课程，也是实践环节重要的5门综合实验课程之一，共32学时，1学分，独立设课。实验项目涵盖金属材料凝固、熔体处理、复合材料制备、单晶连铸制备方法、凝固过程数值模拟等材料凝固及成型相关的基本制备与实验方法。实验课程要求学生在课程进行前，完成材料科学基础、材料凝固、材料热处理、工程材料等专业课程的学习，具有基本的材料制备及性能研究的基础知识和能力。本实验课程的教育目标是：将课堂所学的材料相关基础知识运用于具体的材料制备实验之中，从而培养学生的实验设计、动手能力，仪器选择及测试分析的综合实践能力及创新思维[2]。

根据实验课程近几年的教学情况，目前的课程主要存在以下几方面的问题。

1.1 教材内容需要更新

材料凝固成型实验课程原为材料成型与制备实验[3]，第一版教材是基于铸造及耐磨材料研究所2008年以前的研究成果凝练总结得到。在课程开设之初，教材实验项目具有内容新颖、紧跟科技前沿的特点，贯穿专业理论知识的同时，加强了学生实验方法、实验技能的训练。例如实验5铸渗法制备颗粒增强铁基表层复合材料的内容，改编自铸造实验室在2006年度获得的国家技术发明二等奖(高温抗磨材料制备技术及其应用)；随着计算机软硬件的飞速发展，使得计算机数值模拟成为研究材料凝固过程的重要手段，因此实验课程开设了铸件凝固过程传热数值模拟实验，在实验研究的同时加入模拟理论研究。近年来，实验室扩充了计算机硬件配置，使得金属凝固过程的组织模拟、二维传热模拟以及应力场模拟成为可能。同时，经过近十年实验室的科研积累探索了许多研究方向，目前已经通过大学生创新项目的方式为本科生提供了实验机会。但是受众面小，拟通过更新教材内容，使得更多的本科生能够了解到实验室的最新科研成果。

因此，尽管初期的教材囊括了凝固及成型实验的许多方向，但对于目前的科研现状及实验室软硬件条件而言，实验内容已呈现出陈旧和落后的态势，不能体现当代材料凝固及成型的发展现状，无法更有效激发学生求知欲望及满足创新能力的培养需求。

1.2 实验课程教学模式过于传统

材料凝固实验的教学模式为现场操作与录像相结合的方式进行，实验之前教师将实验原理、实验目的及具体操作方法等介绍给学生，对于实验过程也有较为详细的讲解。也就是说，每个实验的实验过程和实验结果是预设好的，因此在实验过程当中，学生虽有对实验过程的思考及实验结果的分析，但仍然无法锻炼学生独立设计实验和分析结果的能力，不容易激起学生的求知欲，训练学生的创新能力。

1.3 学生人均师资量不足 仪器设备较少

材料凝固成型实验为专业平台实验课程，课程师资、实验场地和实验仪器设备主要依托铸造实验室现有的软硬件条件。实验课程为专业必修综合实验，年平均约120学生，分小组上课，每小组10人左右，实验组数多，实验教师偏少，教学负担重。实验设备多为实验室科研设备，数量有限，难以保证每个人都全流程动手实验，每个学生只能负责其中一部分实验的操作，或经常出现一个学生“全包”，其他学生“观摩”的场景。

1.4 评价体系尚需健全

目前，材料凝固实验的考核方式主要是依托实验报告，以实验报告中展示的实验结果分析的准确性确定实验成绩，但对实验过程中，学生对实验课程的参与度、对实验过程中的思考与分析问题的考核评价占比较少，因此无法刺激学生在实验课程中的学习主动性，极易造成学生只关注实验结果及实验报告，而缺乏对实验过程、实验方法的全面理解和掌握，无法通过实验培养学生的科学思维和综合运用专业知识的能力。

2 实验课程体系的改革思路

基于材料凝固成型实验课程存在的系列问题，为了使实验课程能够真正地发挥培养学生综合实践能力的作用，铸造实验室的实验教师结合实验室具体情况，对实验课程内容、教学方式及评价体系等方面提出了如下改革思路。

2.1 更新课程内容

在原有教材的基础上，删除部分内容有重叠的实验，例如实验4粉末冶金法制备复合材料及其组织观察与分析实验与实验5铸渗法制备颗粒增强铁基表层复合材料实验，均涉及关于增强颗粒的选择、颗粒表面与基体润湿性及结合性能的观察与分析等内容，因此删除实验4，改为在实验背景复合材料的其他制备方法中做简要介绍。并在实验5中增加现有其他铸渗技术即实验方法的选择方式，例如除可选择不同增强颗粒外，还可进行不同预制体增强以及颗粒表面处理等制备方法的选择和分析等。增加一个新实验—新型耐磨合金的制备及两体磨损性能测试，该实验补充了凝固实验课程所涵盖的内容，并增加部分新引进的测试设备用于实验分析，例如激光共聚焦显微镜、电子扫描电镜等设备。通过更新凝固实验课程的内容，使学生能够了解学科前沿研究内容，学习到最新的材料凝固成型及材料制备方法，并接触到高精尖的实验设备及材料研究方法。在材料凝固过程数值模拟的实验中，删除温度场数值模拟实验，在凝固过程数值模拟中加入商业化数值模拟软件如Pro-CAST等，让学生了解数值计算原理的同时，接触更贴近实际应用的数值模拟技术。

2.2 采取新的教学模式

改变固定时间固定组员开展实验的传统模式，将实验室进行开放，根据学生特点相互组合成实验小组[4]。在实验课程进行前，将实验内容要求及实验材料清单、仪器设备的功能等资料开放给小组成员，教师在线参与实验小组方案讨论。小组确定实验方案后，预约实验时间，实验过程中教师在旁进行必要指导。这样的教学安排可将实验的准备阶段放在课前，实验报告须包括实验方案、仪器选择、实验过程、实验结果(图片及数据)、结果分析及实验感想。

2.3 课外补充开放实验

由于在新一版的专业培养方案中，压缩了凝固成型实验的课时量，因此不得不减少凝固实验数量，删除部分课程内容。实验室为有意愿在课程外学习和研究凝固与成型技术的学生提供了额外的实验项目。铸造实验室的教师和研究生在前几年便积极参与并推出本科生课外科研训练项目，共有已完成及进行中的全国及陕西省大学生创新项目6个。

这些训练项目不仅更加接近前沿科学研究，更是必修实验课程的延伸。例如李烨飞副教授指导本科生申请的开放研究项目—三维ZTA陶瓷预制体/高铬铸铁新材料制备研究，便是必修实验铸渗法制备复合材料的拓展研究内容，更是新型耐磨复合材料的代表性研究成果；高义民教授指导本科生申请的复合陶瓷摩擦学行为研究为本科生了解、熟悉、制备了新一代摩擦润滑材料。这些开放研究项目完成后，可将内容整理成开放实验，向各年级本科生开放申请。

铸造实验室通过积极推进大学生创新训练项目、重点实验室向本科生开放研究项目及开放实验，对凝固成型实验进行补充，并满足学生对科研实践的额外需求。

2.4 建立新的评价体系

材料凝固成型实验的考核及评价体系也将随着实验课程教学模式及实验报告要求进行调整。新的评价体系将学生在实验前的在线方案讨论参与及表现情况、实验过程操作及表现、实验报告内容的规范及内容作为主要考核方面，并加入小组成员互评机制，建立实验能力综合性的评价方法，弱化实验报告在考核中的占比，提高学生在实验过程中的参与度，有利于活跃课堂气氛，真正实现实验课对学生实践能力的培养。

3 结语

实验教学是高等教育人才培养中的重要环节，培养学生的科学思维、综合实践能力及创新能力是实验课程的教学目标。材料凝固成型实验课程将持续优化课程教学内容和教学模式，完善实验教学评价体系，提高学生的科研实践及创新能力，提高实验教学质量。

[1]王红洁,徐彤,席生岐.“材料科学基础”课程研究型教学改革与实践[J].高等教育研究学报,2015,38(4):117-120.

[2]于岩.基于工程教育专业认证要求的材料制备与加工实验课程改革[J].化工高等教育,2017(2):16-19.

[3]材料教学实验编写组.材料组织性能与加工技术独立实验[M].陕西:西安交通大学出版社,2015.

[4]田英良,王亚丽,孙诗兵.《玻璃材料实验》课程在创新型人才培养中的探索与实践[J].教育教学论坛,2015(14):122-124.