《材料科学基础》实验教学改革讨探

白佳海，杜庆洋，张红鹰，赵云霞

(山东理工大学 材料学院，山东 淄博 255000)

《材料科学基础》是材料科学与工程专业的必修课，也是材料科学与工程专业的专业核心课程，材料科学研究的核心问题是材料的结构、性能及其相互关系，属于一门应用基础学科[1]。由于材料科学基础既具有较强的理论性，还具有很好的应用性，因此在培养学生理论联系实际方面具有非常重要的的作用。目前，《材料科学基础》的实验教学大多属于验证性或操作性实验，而综合实验的数量较少，特别是综合设计型实验数量极少。此外，该课程的实验教学往往和后续的专业课实验在设置上有所冲突。因此，有必要对《材料科学基础》的知识点进行梳理，研究与开展新型的、能突出《材料科学基础》课程特色的实验项目。

《材料科学基础》(内容偏向于无机非金属方向的课程)中很多理论知识的联系非常密切，如在陶瓷材料、耐火材料的研究、制备与生产中，往往会同时应用到几个知识点的理论知识，这就给《材料科学基础》课程的实验教学，特别是综合设计型实验的设置和开展提供非常重要的理论知识条件。因此，可以把不同的知识点联系起来，合理设计实验教学内容，培养学生分析问题、解决问题的能力以及理论联系实际的能力，同理锻炼提高学生的动手操作能力。基于以上考虑，我们在实验教学过程中，尝试把固溶体-固相反应-烧结等知识点联系起来，同时还能运用其他学科的相关知识进行表征、论证，提高实验教学的综合性与设计性，全面提高学生的综合素质，为培养目标的实现提供有利的支撑。

1 实验项目理论知识基础

烧结是陶瓷材料制备过程中非常重要的一个环节，涉及到传质方式、基础理论和影响因素等众多的知识点，其中外加剂是影响烧结的非常重要的因素之一。所以，我们考虑以烧结作为综合设计型实验的核心内容，然后通过内涵的延伸，把固溶体和固相反应等相关的知识融合到实验中，再结合材料的表征技术，提高学生对基础理论的掌握和运用能力。

因此，作者把《材料科学基础》课程中三个主要的知识点(固溶体、固相反应、烧结)结合起来，研究、设计出一个合理可行的、能全面包含三个知识点的综合设计型实验项目。通过该项目的实施，让学生较深刻地理解与掌握与固溶体、烧结和固相反应相关的基础理论知识(该实验项目还涉及到《材料测试技术与方法》课程中的X-射线知识)；此外，该实验还需要大量的实际操作，能显著地提高学生的动手能力与团队合作意识；通过实验结果的分析与讨论(如烧结过程中固溶体的形成、固相反应等，以及固溶体、烧结反应对烧结程度的影响等)，能有效地提高学生分析问题、解决问题的能力及科学素养等。

2 实验工作内容

基于以上分析，学生在熟练掌握烧结、固溶体和固相反应的相关知识后，还应该查阅、研读一定数量的参考文献，了解当前相关领域的研究现状和发展趋势，并在实验中力争独立完成以下工作：

(1)设计陶瓷材料的组份体系，并通过配方的设计及实验工艺参数的优化，在烧结过程中确保能分别生成固溶体和固体化合物；

(2)在老师的指导下，学生制定合理的实验流程，动手完成原料的混合、成型、烧结以及各种性能指标的测试；

(3)利用XRD技术分析烧结体中的固相组成，即是否有固溶体和化合物的生成；

(4)测定烧结陶瓷的吸水率、开气孔率与烧成收缩率等性能参数，对比不同烧结体的致密化程度；

(5)对比研究固溶体的形成、固态化合物的生成对陶瓷烧结体的致密化程度的影响规律。

指导教师则需要预作实验，并在以上实验工作的基础上，制定实验大纲与实验指导书，探索如何引导学生制定、设计合理的配方与实验参数，以及在实验教学中如何确保综合设计型实验的顺利实施并取得优良的教学效果。

在实验教学大纲和指导书中，指导教师可以提供一些参考的物相体系(例如氧化铝与二氧化钛体系，氧化铝与氧化镁体系，对二者进行对比实验)，让学生根据所掌握的知识及个人的想法，合理设计实验的物相体系与实验参数，保证实验数据具有可操作性、合理性与可对比性。

3 实验考核方法

为了保障实验的顺利进行，并有效保障学生分析问题、解决问题以及理论与实际相联系等能力的提高，确定如下的考核方案：

(1)预习及复习(1.5分)：需要复习固溶体、固相反应等知识，并详细阐述影响烧结的主要因素。

(2)陶瓷材料的烧结实验(需预习)(4分)：

a. 详细说明实验的目的、实验所用的仪器设备；

b. 小组讨论具体实验方案，合理设计配方以及实验过程，完成实验操作；

c. 实验测定过程中的操作细节、数据记录和处理、结果计算

(3)实验数据处理(列表)：(1.5分)：测定实验数据，主要包括收缩率，吸水率和线性收缩率等，根据要求进行实验数据的处理。

(2)实验结果的分析与讨论(3分)：根据实验结果和过程，对实验数据进行分析和讨论，重点讨论生成固溶体和通过固相反应生成的化合物对烧结程度的影响规律，分析二者影响烧结程度的主要原因。

4 结束语

把《材料科学基础》课程中的三个主要的知识点(固溶体、固相反应、烧结)结合起来，研究、设计出一个合理可行的、能全面包含三个知识点的综合设计型实验项目。通过该项目的实施，让学生较深刻地理解与掌握固溶体、烧结和固相反应等基础理论知识，并能有效提高学生动手能力、理论与实践相结合的能力，提高学生的科学素养。