金属材料方向实验教学改革

王 鑫，刘梦竹，王永鹏，路大勇

(吉林化工学院 材料科学与工程学院，吉林 吉林 132022)

材料科学与工程主要是研究材料的成分、组织结构、加工制备及性能研究的一门快速发展的学科[1,2]，具有理论性特别强、专业概念特别多等特点，学生普遍反映所学内容比较抽象难学，而实验教学是大学本科阶段实践教学的一个重要环节，起到将专业知识理论与实际生产紧密联系的作用，是高等教育教学不容忽视的教学环节[3,4]。随着社会的快速发展，各行各业都对具备扎实专业基础理论和动手解决实际问题能力强的工程技术人才需求十分广泛，因此重视培养学生实验动手能力，激发学生更好的学习专业知识理论，有助于学生发现并解决问题，适应未来的工作[5,6]。

金属材料的应用与发展在工业中扮演重要角色，在21世纪仍然是使用量最大的材料[7,8]。我校材料科学与工程专业建立于2011年，无机非金属材料如BaTiO3介电陶瓷材料已形成专业特色研究方向[1]，金属材料方向的发展一直相对缓慢，但金属材料无论是在工程化应用还是学生就业方面都具有一定的优势，因此我校材料科学与工程专业迫切需要提高金属材料方向的教学科研水平[9]。金属材料方向综合实验教学的改革是一项重要的措施，需要不断的探索完善[10]。本文针对金属材料方向实验教学中存在的问题，结合我校材料科学与工程专业特色，提出了合理分配学时，丰富实验教学内容；增加器材投入，保障教学效果；优化实验成绩考核机制；提高实验指导教师教学质量等实验教学改革内容，以培养学生的科研创新能力能力。

一、实验教学中存在的问题

(一) 金属材料方向实验教学学时分配不合理，实验内容不够丰富

我校材料科学与工程专业实验教学总学时有96学时，在第5学期有48学时的实验教学，第6、7学期都是24学时实验教学，其中金属材料方向的实验只有四个：金相显微镜的构造和使用实验、铁碳合金相图及平衡组织观察实验、铝合金的阳极氧化实验和铜表面电镀镍实验。金属材料方向的实验只有16个学时，只占到了专业实验总学时的六分之一，其余全部为无机非金属材料方向实验，因此材料科学与工程专业综合实验学时分配不太合理。实验涉及到的金属材料只有铁碳合金、铝合金、铜和镍这几种常见金属材料，实验内容设置不够丰富，大多还是几十年前沿用至今的实验，没有与快速发展的先进金属材料及加工技术相接轨，很难激发学生学习金属材料的热情，无法满足金属材料快速发展的要求。

(二) 实验仪器设备数量有限，学生数目多，上手机会少

由于我校材料科学与工程专业发展一直偏向无机非金属材料，金属材料方向的投入远远不够。很多必要的实验用仪器设备数目有限，例如金相显微镜数目只有五台，材料科学与工程专业人数有80人，分成20个实验小组，平均每个小组人都有4人，这样就会导致每个学生真正参与到实验中去的机会少了许多，特别是有些不爱动手的学生可能就是看看其他同学做实验，这样很难达到实验教学的效果。

(三) 学生自主思考的不够

金属材料方向一直沿用前面提到的四个传统实验，每组学生的实验条件和步骤基本都一样，导致很多同学可以不假思索的去做实验，实验结果和实验报告也基本一致，忽略了实验条件等因素对实验结果的影响，而在金属学中常常会遇到不同的温度得到不同的组织，对材料的性能影响会很大，学生自主思考的缺失不利于创新性思维的培养。

(四) 实验成绩考核有些片面

实验成绩的考核包含三个部分：预习报告、实验操作和结果、实验报告，所占成绩比重分别是20%、40%、40%，实验报告在实验成绩中占有主要地位，实验步骤和实验参数等基本都能在实验讲义中找到，扼杀了部分爱思考爱设计实验学生的热情，很难区分出优秀学生，不利于学生在实验中发现问题、解决实际问题和创新能力的发展和培养。

(五) 实验指导教师水平有待提高

目前我校材料科学与工程专业金属材料方向的教师只有两人，承担了大量的理论和实践教学任务，教师日常工作量大精力有限，刚走出大学校门实验教学经验的积累还需要一段时间，对实验指导的水平有待提高，缺少对实验的精心设计这个步骤。目前我校材料科学与工程专业还没有专门负责实验教学的教师，在一定程度上影响了金属材料方向专业实验的发展。

二、综合实验教学改革的内容

(一) 合理分配实验学时，丰富金属材料方向实验内容

金属材料方向学时由16学时增加到48学时，增加的实验学时可以用来丰富实验教学内容。根据学生的理论学习时间安排实验教学，例如我校材料科学与工程专业本科学生第5学期开始学习金属材料方向专业课程《金属学和热处理原理及工艺》，在这个学期可以设置金相显微镜的构造和使用实验、金相组织观察试样的制备、铁碳合金铸造组织的观察实验、铁碳合金热回复和再结晶过程组织与性能分析实验这几个典型的金属材料方向的实验。各实验时间安排与理论课程《金属学和热处理原理及工艺》的学习进度一致，在学完每块理论知识以后及时安排好实验教学，不仅可以让学生更好的掌握理论知识，还可以在做实验过程中发现问题，再回归课本从理论上解释一些实验现象和实验结果，为以后的毕业实验、论文和科研打好基础。第6学期学生开始学习《材料科学基础》这门专业课程，学生已经有了一定的金属学基本知识储备和实验技能积累。这个学期可以多开设一些综合性质实验例如：铜合金的成分设计-熔炼铸造-组织及拉伸力学性能研究实验、钛铝合金的成分设计-熔炼铸造-组织及拉伸力学性能研究实验、SiC增强铝基复合材料的加工及拉伸力学性能研究实验、AlCoCrFeNi或CoCrCuFeNi高熵合金的熔炼及拉伸力学性能研究。综合性实验更有助于学生对材料学研究的主要内容：材料的成分-组织结构-加工-性能有更深刻的认识，综合性实验对学生动手能力提出了更高的要求，实验前必须要求学生学习仪器安全操作，查阅相关文献设计要加工的合金成分，自己动手准备合金原料再进行加工成形，然后用线切割设备切取试样，观察试样的组织结构，测试拉伸或者压缩性能，将先进金属材料如钛铝合金、高熵合金等引入到本科实验教学中有助于学生对金属材料研究前沿知识产生兴趣。

(二) 增加实验器材投入，保障实验教学效果

实验器材充足是保障实验教学质量的一个重要因素。加大一些必要仪器设备和耗材的投入，在购置设备前做好充分调研，使购买的实验仪器能够满足使用要求，尽量多采购一些使用频率较高的设备，防止设备出现闲置的现象，确保实验能够正常有序的进行。对于一些综合性实验用到的大型设备如真空感应熔炼炉数量非常有限，实验课上的时间也是有限的，这样学生上手操作的时间就会被局限。因此可以采取日常工作时间大型实验设备对学生开放的方式保证学生学会仪器的基本操作方法制备出实验用的合金，不仅节省了实验课上的时间，还可以使学生有足够的时间摸清仪器的操作方法，对学生动手能力和自主学习能力的提高是行之有效的措施。但学生操作大型仪器的安全问题是学校和老师要注意的重要事项，学生进入实验室之前必须要进行安全教育，增强学生的安全意识，对学生进行仪器设备操作培训，培训合格后才允许进入实验室使用仪器设备，每天必须有实验教师和助教严格进行实验室安全隐患排查，指导学生使用相关仪器设备。有些价格相对昂贵的仪器设备本学院数量可能很少，但兄弟学院如石油化工学院、化学与制药工程学院等会有部分可以利用的设备，需要整合全校的先进仪器设备资源。在我校建立起大型仪器设备基础实验教学共享平台，充分利用起全校的实验设备资源既节省了资金投入，防止设备闲置的现象，还可以促进全校实验教学经验交流提高实验教学质量。

(三) 优化实验成绩考核机制

原有实验成绩考核内容包括：预习报告、实验操作和结果和实验报告这三个部分。在原有考核方式基础上增加小组答辩和撰写实验小论文这两个环节，要求在每一个实验结束后每个小组对实验情况进行答辩也就是对实验进行总结汇报，可以谈一谈实验中的现象、存在的问题、未来设想如何优化实验等等。最后要求每个小组提交一篇小论文，论文格式和书写要求与毕业论文一致，增加小组答辩和撰写小论文这两个环节不仅可以使学生对整个实验有更清析的把握，还可以提高学生的总结和论文书写能力，为将来大四毕业论文书写和答辩做好充分的准备。虽然这种实验成绩考核机制对于实验指导老师和学生来说增加了不少的工作量，但从实验教学效果这个角度来看是非常值得去尝试和探索的。

(四) 提高实验指导教师教学质量

实验指导教师是整个实验能否安全有序进行的关键性因素，特别是金属材料方向综合性实验涉及到许多先进金属材料的知识和加工方法，要求指导老师有更高的教学水平。因此实验指导教师必须具备扎实的理论功底、大量的实践教学经验以及一定的创新性思维，熟悉传统金属材料的成分、组织、加工及性能还要时刻关注金属材料的发展前沿，实验指导教师还可以将自己正在从事的科研工作带到实验教学中来，可以更大程度的激发学生爱好科研的热情。学校可以组织青年教师去一些国内外金属材料名校学习先进的实验教学经验，学校对教师实验教学考核不止要考核工作量更要注重质的评比，建立完善的实验教学考核制度，可以适当采取一些鼓励措施例如对一些教学成果显著的实验指导教师在评职评奖中优先考虑。

三、结 语

金属材料方向实验教学改革内容的探索和实施增加金属材料方向实验学时，丰富金属材料实验教学内容。开展一些综合性实验使学生对金属材料从成分设计、加工制备、组织观察和性能研究有全面系统的认识，让学生在课堂上学习的金属学理论不再空洞乏味。实验室大型仪器设备全天开放锻炼了学生动手能力和自主学习的能力，分小组进行实验、答辩、撰写实验小论文，让学生们懂得了在科研工作中需要这种紧密合作的团队精神。组织青年教师去一些国内外金属材料名校学习先进的实验教学经验以及适当采取鼓励措施可有效提高实验教师的指导水平。总之，为发展我校材料科学与工程专业金属材料方向，实验教学改革的探索是一项需要长期坚持的工作，还需要不断完善实验教学改革内容，值得每一位老师去深入研究。