材料专业实验教学手段的改革与应用

马胜男，赵志伟，李 强，于景媛

材料专业实验教学手段的改革与应用

马胜男，赵志伟，李 强，于景媛

(辽宁工业大学 材料科学与工程学院，辽宁 锦州 121001)

为了提高高校学生的实践能力及创新精神，针对材料专业中的实验课程知识抽象、高端检测设备操作复杂、实验教学手段单一的情况，在实验教学过程中实验理论知识的巩固、实验设备操作和实验教学讲授等环节中引入微课教学。微课具有精短、主题明确、方便传播的特点。实践表明，在材料专业实验教学中，在传统实验教学的基础上，合理、灵活地运用微课教学手段，能够有效地增加学生实验兴趣，提高学生专业素质和工程实践能力。

微课；实验教学；材料专业

随着社会对应用型、创新型人才的需求日趋增加，高校开始着重人才的质量培养，重视学生的素质教育，强化学生的实践能力和创新精神培养[1]，部分普通本科院校也开始向应用技术型大学转变，各类课程的教学改革也成为高校教育教学的新常规化手段。因此，基于应用型人才的培养，实验教学作为高校教育中重要的实践环节，其地位与作用日趋重要。材料专业定位于培养具有良好的社会责任感和职业道德，掌握材料科学与工程领域相关基础理论、专业知识和技能，具有较强的工程实践能力和创新精神，能够在装备制造领域从事材料改性工艺设计、材料质量评价、生产管理等方面工作的应用型高级工程技术人才。通过实验教学环节，可以使学生将理论教学内容与实践内容融会贯通，促进材料专业人才培养目标的实现。实际教学发现，传统的实验教学，学生的热情普遍不高，存在“走过场”的现象，使实验教学效果不佳。因此，针对提高学生实验兴趣，真正发挥实验教学在培养应用型材料专业人才中的作用，我们通过对现行材料专业实验教学的问题进行研究，并引用“微课教学”的实验教学手段，对实验教学进行了改革和应用。

一、材料专业实验教学存在的问题

（一）专业知识抽象

应用型的材料专业主要学习材料科学与工程的理论，掌握材料的组织结构与性能之间关系的规律是学生必须掌握的基础技能，因此在实验教学中也相应设置了大量的实验项目。但材料组织结构与性能之间关系的规律是比较抽象和复杂的，难以在教学中生动形象地讲授给学生，特别是在实验教学环节，学生对相关理论知识“吃不透”，处于模棱两可的认识阶段。这种情况的实验教学就是典型的“形而上学”，也在一定程度上严重打击了学生的实验热情，极大地削弱了实验教学在培养应用型材料专业人才中的作用。

（二）高端检测设备操作复杂

为了适应学生的培养目标，材料专业实验项目设置的种类及专业知识覆盖面十分广泛，其中包括金相组织观察、性能分析测试、热处理设计及操作等实验项目，但所有的实验都离不开材料分析与检测设备的使用。此外，实验类型涵盖了验证性实验、综合性实验、设计性实验，实验类型多，难易程度不同，对学生的操作能力要求亦不同[2-3]。对于一些精大稀设备，如场发射扫描电子显微镜、原子力显微镜、X射线衍射仪等，由于这类精大稀设备不能像普通的测试仪器可以准备多套供学生使用，同时，这类精大稀设备的操作复杂，设备的操作与结果分析均需经培训合格后才能使用。但学生在专业实验过程中，特别是在设计性实验中，学生不可避免地要使用这些设备，但精大稀设备台套数和操作复杂的限制，严重制约了实验进程，削弱了学生的实验积极性，甚至影响实验教学效果[4]。

（三）实验教学手段单一

传统的实践教学过程中，教师主要用板书为学生讲解实验目的、实验原理与内容、实验方法及实验步骤[5]。对于实验设备的操作，以教师的现场操作演示为主。在此过程中，学生只能从教师的演示中了解实验及操作步骤和设备操作过程，特别是台套数为一台的精大稀设备，在教师演示过程中，由于学生人数较多，会出现部分学生未能及时跟上教师的教学进度，不利于学生的实践能力培养[4]。

二、微课实验教学手段的特点

如何提高学生在实验过程中的主动性、参与性、积极性以及实践操作能力，特别是针对实验教学的特点，增强学生学习的针对性和有效性是材料专业实验教学必须要解决的问题。而改革实验教学手段是首要途径。微课教学在专业理论教学中已经成功使用，但目前在实验教学中应用较少。相对于传统的多媒体视频教学，微课具有短而精、内容明确、主题突出、方便传播的特点。它的优势主要体现在，可以通过短时间的视频，精选教学过程中的重点、难点等内容进行有针对性地讲授[4]。教师根据教学内容及知识点，设计新颖的短视频进行教学。视频中可以穿插动画，从而利于课程的重点、难点讲解，利于学生接受。重要的是，微课具有可以在网络进行发布的特点，从而利于学生对实验课程知识进行多次学习。因此，在实验教学中采用微课教学的新型教学手段是可行的。当传统实验教学模式不能满足当前教学体系时，教师将探索新的教学模式以提高学生的工程应用能力，而微课就是一种新型的授课形式。教师将微课引入到实验教学中，运用娴熟的专业知识及整合力，将课程中的重点、难点内容以个性化的设计通过短视频的形式展示给学生[6]，不但可以突破传统教学模式，提高学生学习效率，还可以提升实验教师的授课能力，促进实验教师的专业知识更新，能够达到一举两得的效果。

三、微课实验教学手段的应用

应用型材料专业人才培养，要求学生不但要有扎实的理论基础、良好的实践操作能力、熟练地使用专业设备，还能够做到理论联系实际，利用理论知识指导实践过程。为了更好地提高学生在实验过程中的主动性、参与性、积极性以及实践操作能力，促进应用型人才培养目标的实现，需要对材料专业实验教学进行改革，在传统实验教学手段的基础上引入微课教学。微课教学在实验教学中主要应用在实验理论知识的巩固、精大稀设备操作、实验教学讲授等环节。

（一）实验理论知识的巩固

由于材料专业知识涉及到材料组织结构与性能，这种抽象化的专业知识，学生在理论教学中虽然已经学习，但调研发现，学生普遍未能真正掌握，只停留在浅显的认识阶段，需要通过实验教学来进一步实现专业知识的认知和掌握。但在专业理论知识未牢固掌握的情况下，进行相关专业实验，必然会显著降低预期的实验教学效果。因此，为了更好地使学生通过实验教学，牢固地掌握抽象化的专业知识，我们在实验课前使用微课教学，增加实验理论知识巩固的环节，并要求学生在实验课前必须完成该环节。为了使实验理论知识巩固的环节更好地服务实验教学，与实验教学衔接，针对实验理论知识巩固的微课视频中都提出与具体实验相关的问题由学生进行解答，使学生带着疑问、探讨、求知的学习态度进行实验。这种形式也有利于提高学生的创新精神和持续专业知识学习的良好习惯。

（二）实验设备操作

材料专业实验所用的检测设备较多，特别是针对一些精大稀检测设备，由于设备昂贵的原因，不能满足学生实验的台套数要求。而且针对实验设备操作环节，传统的实验教学手段主要采取的方式为课堂上教师讲解设备原理、方法，并针对本次课程所需设备进行现场演示为主。针对实验设备操作内容，均采用微课这种教学手段来实施。为了保证微课教学手段的成功运用，针对实验设备的原理、构造内容，微课中采用动画的方式配以解说介绍。而实验设备的具体操作，采用实际设备操作的视频来讲授，具体由实验教师按照设备的操作规程，配以详细的解说，详细地将具体操作划分为若干细节，一步一步地展现给学生，在实验操作结束后，还要针对设备的操作重点和安全规程进行重点讲解归纳。实验设备操作的微课课件，通常会在实验教学讲授过程中提供给学生，但为了保证学生能够熟练地操作实验设备，实验设备操作环节的微课也可以与实验理论知识巩固环节的微课一起放置在网络上，供学生进行课前预习，以减少学生在实验教学过程中的实验压力，提高学生的实验热情和积极性，同时能够有力地保证实验过程的顺利进行。

（三）实验教学讲授

实验教学中，验证性实验是为了证实已知的结果，而综合性、设计性实验是为了找出新的工艺条件和探讨改变已知结果的理论、方法和条件，因此，实验过程应该是处于不断探索、总结、反思的过程。借助于有力的教学手段，能够在实验教学中营造这种探究、研讨、启发的实验氛围，更有利于学生在实验过程中深入掌握相关理论知识和实验技能，促使学生养成不断创新、求真的探讨精神。在实验教学讲授过程中，采用传统教学辅以微课教学的方式，必须要灵活运用，不能千篇一律，甚至用微课视频代替实验教师讲授的做法是不可取的。

传统教学辅以微课教学的方式，微课视频应是起到利于学生理解专业知识，同时能促使学生引起思考的作用。这样与传统的实验教学优势相结合，才能达到优化课堂教学、增加学生学习兴趣、提高学生工程实践能力的目的。例如“金属构件的失效分析”实验课中，教师讲授失效定义时，传统的实验教学模式是直接给出零件失效的定义，学生只能通过图片和文字去了解构件的失效过程。而微课的引入可以打破这种枯燥的教学方式，首先以影片辅以动画的形式，生动形象地演示世界上大型海事事故泰坦尼克号的沉没，从而引出失效的定义。通过这种形式，学生们可以清晰直观地了解何为失效，增加了课堂的趣味性，提高了学生的学习兴趣。

在进一步的实验讲授中，如何使学生建立明确的失效分析思路，清晰的失效分析流程，具备失效分析能力是至关重要的。因此，在该部分教学中通过微课中引入失效案例——汽车减震器活塞杆的断裂。首先通过视频、动画演示汽车减震器中活塞杆的服役环境和服役过程，确定失效模式为断裂失效。观察失效构件断裂特征，构建失效分析流程，通过图片结合动画演示的方式分析了断裂活塞杆的自然情况观察、宏观检验过程、低倍检验过程、金相取样分析过程、电镜断口分析过程及硬度检测位置，结合检测结果可以确定失效原因并给出最终结论。通过微课视频，将一个完整的失效案例分析过程展现给学生，可以帮助学生理清思路，牢固地建立失效分析流程，从而提高学生的发现问题、分析问题、解决问题的能力。这是采用板书教学的传统实验讲授所不能达到的效果。这种在实验讲授过程中合理采用微课教学的教学手段，不但能激发学生的实验兴趣，促进学生的工程实践能力培养，而且还有力地推动了材料专业应用创新型人才的培养目标的实现。

（四）实验预期效果

通过微课教学，可以反复强调实验过程中存在的问题及解决办法，能够有效提高学生对实验的兴趣。另外，利用微课教学手段，可以使学生更加直观地观察材料的微观形态及特征，使学生更好地理解材料微观特点与宏观性能之间的联系，提高学生实验的动力。最后，在微课的辅助下，可以促使学生独立完成实验的全部环节，以实现对学生独立完整地完成工程实践能力的培训的目的。

四、结 语

实验教学是培养应用创新型人才的重要环节。为了提高学生的社会竞争力，培养学生的创新能力、实践能力，要求实验教师不能一直遵循传统的教学模式，要敢于创新、引入新的教学手段，对实验进行教学改革，注重高质量教学，培养适应社会发展的人才。实践表明，在实验教学中采用微课教学手段，可以打破传统教学模式，增加学生学习兴趣，保证实验效果，提高学生工程实践能力。

[1]崔国富. 大学生职业素质构成与综合培养研究[M]. 北京: 光明日报出版社, 2010: 108-112.

[2] 孙玉琴. 教学研究与教学实践[M]. 沈阳: 东北大学出版社, 2005: 93-95.

[3] 王海燕, 康利平. 关于高校材料学专业实验课课程内容和教学方法的探讨[J]. 中国电力教育, 2013(10): 174-175.

[4] 马胜男，张越，赵志伟，等. 微课在材料实验教学中的应用研究[J]. 实验室科学, 2017, 20(5): 129-131.

[5] 桂耀荣. 微课及微课制作和意义[J]. 化学教与学, 2013(5): 41-42.

[6] 余泰，李冰. 微课在高校实验教学中的应用探究[J]. 实验室研究与探索, 2015, 34(4): 199-201.

：10.15916/j.issn1674-327x.2021.03.034

G424.1

B

1674-327X (2021)03-0123-03

2020-06-01

辽宁工业大学教学改革研究项目(201815)

马胜男(1987-)，女，辽宁灯塔人，高级实验师。

(责任编校：付春玲)