基于课程思政的材料类专业实验课程教学探讨——以差热分析实验为例

王洪红，许聚良，李 君，倪月娥，范丽霞

（武汉科技大学材料与冶金学院，湖北 武汉 430081）

0 引言

课程思政指以构建全员、全程、全课程育人格局的形式，将各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应，把“立德树人”作为教育的根本任务的一项综合教育理念[1]。课程思政主要形式，是将思想政治教育的理论知识、价值理念以及精神追求等思政教育元素融入各门课程中去，潜移默化地对学生的思想意识、行为举止产生影响。由于各种原因，现实的课程教学过程中知识传授、价值塑造和能力培养存在一定程度的割裂，通过课程思政改变教育结构，实现三者重新统一。要求教师在教学中积极探索实质性介入学生日常生活的方式，有意识地回应学生在学习、生活、社会交往和实践中遇到的问题和困惑，真正触及学生认知和实践的隐性根源，从而对其产生积极影响。

材料类专业主要包括无机非金属材料工程、金属材料工程、高分子材料与工程、冶金工程、材料化学等专业，材料学是研究材料组成、结构、工艺、性质和使用性能之间相互关系的学科，为材料设计、制造、工艺优化和合理使用提供科学依据[2]。除了基础课、专业基础课，材料类专业课程包括材料科学基础、材料工程基础、材料分析测方法、材料工艺学、材料物理性能等。材料类专业实验课程，包括专业基础课程及主要专业课程的相关实验，以课程实验为主体，突出体现相关体系材料的合成/制备、测试/表征、性能等及其相互之间的内在关联，涉及实验原理、仪器构造与原理、实验设计与操作、数据处理等内容[3]。通过实验课程教学活动的开展，促进专业理论联系实际的同时，培养学生的实践动手能力与创新能力。

差热分析技术是开展建材、冶金、石化、地质等材料科学与工程相关领域研究过程中通用的分析测试手段，与相应体系材料的化学组成、结构及测试条件密切相关[4]。但是，由于实验课程本身相对抽象的特点，从实际教学过程以及学生的反馈情况来看，都存在一定的难点和不足。这就要求指导教师在实验教学设计和教学开展过程中，处理好相关的问题，并将教学知识点与课程思政教育进行有机融合，充分发挥课程思政在实验教学中的同向同行作用，为实现教育立德树人的根本任务奠定基础。

1 实验教学过程存在的问题

差热分析实验属于我校《材料科学基础实验》课程中的热分析实验模块，其前导课程为《材料科学基础》。该模块的教学目标为，在学习差热分析基本原理的基础上，掌握热分析技术的主要实验方法，学会结合影响实验数据的因素分析评价测试结果。模块课程教学内容主要包括热重法、差热法与差示扫描量热法、热分析联用技术原理、应用举例等。由于涉及材料体系、实验测试内容、操作条件等方面的影响，主要采用“教师讲，学生做”的传统模式，以验证性和演示性教学为主，设计性、探究性实验较少。并且整个实验过程忽视了学生的主体作用，无法通过实验锻炼和培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力，不利于培养学生的创新思维和创新精神。此外，在差热分析实验教学过程发现还存在以下难点与不足：

（1）实验原理相对抽象。差热分析是把被测试样和参比物放置于同样的热处理条件下，进行加热或冷却。其中，参比物在加热过程始终不发生热效应，其温度随程序温度增加而升高；被测试样在某一特定温度下发生物理或化学反应而产生热效应，其温度在某一区间内发生变化。将二者温度差以特定方式记录即得差热曲线。由于实验过程中被测试样的结构变化无法直观判断，仅能通过测得的数据曲线进行分析，因而实验过程原理理解起来相对抽象枯燥。

（2）实验操作过程影响因素复杂。差热分析实验操作过程中，测定物质在发生热反应时的特征温度及相应过程中吸收或放出的热量，包括物质相变、分解、化合、凝固、脱水、蒸发等物理变化或化学反应。实验设定条件、操作方式、被测试样化学组成与呈现状态等因素，对实验过程、实验数据的获取及其分析都具有显著影响，也增加了对实验结果评判的复杂程度。

（3）后续课程及前后衔接的问题。实验教学设计过程中，需要依据学生所处的专业知识学习阶段进行设计，即结合学生的知识接收与理解能力。此外，既要考虑实验设计对课程知识点的覆盖，还需要兼顾材料类专业知识相关性及与后续课程之间的衔接。这在一定程度上增加了指导教师在教学过程中的难度。

（4）学生学习积极性引导问题。专业实验课程教学的开展，对于培养学生掌握专业科研方法和思维能力发挥具有重要作用。然而，实验课程教学过程中，很难通过图片、动画等形式将试样结构及形态变化直观、形象地展示给学生，部分实验环节存在周期长、温度高等问题，且受社会环境、行业现状及专业发展、学生所处专业学习阶段等因素的影响，实验教学的设计与开展，需要综合考虑各项因素，以充分调动学生的专业学习积极性。

2 差热分析实验教学探讨

2.1 热分析技术发展历程

热分析技术已经应用了一个多世纪，热分析仪器也经过了很多年的发展，得到了众多科研工作者和企业参与的技术开发与持续改进，目前热分析仪器已经在生产、生活与科学研究各方面得到了普遍应用。

1887年，法国人Le Chatelier使用热电偶测量温度的方法，对试样升温或降温来研究黏土类矿物的热性能，根据获得的升/降温曲线鉴定样品特征。他使用了高纯度物质来标定温度，为了提高仪器的灵敏度，测量试样温度与参比物温度之差的差示法获得数据，并首次就获得的差热曲线发表了相关论文。为此，人们认为他是差热分析技术的创始人。

1899年，英国人Roberts-Austen改进了Le Chatelier差温测量时的差示法，把被测试样与参比物放在同一个加热炉中升温或降温，并采用两对热电偶反向串联，分别将热电偶插入被测试样和参比物中测量，提高了仪器的灵敏度和重复性。1915年，日本的本多光太郎，在分析天平的基础上研发了“热天平”，开创了热重分析（TG）技术。但是，由于当时的差热分析仪和热天平相对较为粗糙，重复性差、灵敏度低，分辨力也不高，因而在很长一段时间内推广应用进展缓慢。第二次世界大战后，由于仪器自动化程度的提高，热分析方法开始普及。20世纪40年代末，美国的Leeds和Northrup公司开发了商品化电子管式的差热分析仪，此后也出现了商品化的热天平。但此时的热分析仪器体积庞大、价格昂贵、所需试样量大。

1955年以前，研究者们通常将热电偶直接插到被测试样和参比物中测量温度和差热信号，但是这样容易使热电偶被试样或其分解的气体所污染、老化。Boersma针对这种方法的缺陷提出了改进办法，即坩埚内放置被测试样或参比物，坩埚底部与热电偶接触，目前的商品化差热分析仪都采用了这种方法。此后直至20世纪60年代初，包括逸气检测法、逸气分析法、扭辫分析法等在内的热分析技术向自动化、定量化、微型化方向发展。1964年，美国的瓦特逊和奥尼尔在DTA技术的基础上发明了功率补偿式差示扫描量热法（DSC）。

20世纪70年代末，美国的Perkin-Elmer公司开发了专用于热分析仪器方面的微处理机温度控制器。随后，日本理学电机、第二精工舍、岛津、瑞士Mettler、美国Du-Pont、法国Setaram、德国Netzsch等公司相继开发了类似的热分析产品。20世纪80年代初，各公司先后又把微型计算机用于热分析方面的数据处理，并制成了商品化的热分析数据台。

2.2 实验教学方法设计

2.2.1 基于科研人文素养的教学理念

由上述热分析技术及设备的开发过程可以看到，从热分析技术发明与设备原型开发，数据处理自动化、定量化、设备微型化，到数据分析平台的开发，始终围绕不同体系材料在升/降温过程中的结构与性质变化特征，也离不开一代代科学家的接力研究。科学成就离不开精神支撑。习近平总书记在科学家座谈会上提出要大力弘扬科学家精神，这是科技工作者在长期科学实践中积累的宝贵精神财富。2019年5月，中共中央办公厅、国务院办公厅印发《关于进一步弘扬科学家精神加强作风和学风建设的意见》，要求大力弘扬胸怀祖国、服务人民的爱国精神，勇攀高峰、敢为人先的创新精神，追求真理、严谨治学的求实精神，淡泊名利、潜心研究的奉献精神，集智攻关、团结协作的协同精神，甘为人梯、奖掖后学的育人精神。新中国成立以来，我国在科技、工业、经济等各方面发展所取得的伟大成就，是一代又一代矢志报国的科技工作者在党的领导下前赴后继、接续奋斗的结果。

实验课程教学，是材料类专业工程技术人才教育教学的重要组成部分。课程的教学目的主要包括对材料类专业理论知识的验证、培养学生动手实践/观察/分析问题/解决问题的能力、培养学生的专业科研态度与创新思维方法等[5]。通过差热分析实验课程模块教学，使学生在学习专业理论知识、了解实验技术与设备发展历程、设备技术原理、数据分析方法的同时，结合国情及行业与专业特色教育，明确个人在国家、社会、专业科研与技术发展历程中的重要作用，为学生科研素质与人文素养的提升奠定基础。

2.2.2 面向专业发展的环保意识培养

材料类专业涉及的行业包括建材、冶金、机械、化工、电子信息、航空航天等众多领域，在国民经济发展中占据重要地位。但是，这些行业的能耗和碳排放量同样显著，例如，建材行业的废气排放量占到了全国工业废气排放总量的18%，钢铁冶炼行业、有色冶金行业的碳排放量分别占全国碳排总量的15%和6%，化工行业产生的废水和废气分别占全国工业总量的16%和7%，这些生产行业领域节能减排任务艰巨。作为材料类专业大学生，学习相关行业领域材料的合成/生产、加工、使用过程原理与工程应用技术的基础上，还应明确上述过程与环境的相互作用及其处置方法。

差热分析实验过程中，坩埚内的被测试样在升温或降温过程中发生熔化、晶型转变、分解、化合等物理变化或化学反应。除了热效应，不可避免地会有气体、液体等中间产物的生成，其排放将会对周围环境产生影响。结合专业人才培养定位及学生所处的知识结构阶段，引导学生对所研究的材料体系组成进行设定，并将实验过程中产生的气体、液体、固体产物与外部环境之间的相互作用结合分析，并设计相应的处置方法。通过上述教学方法的实施，培养学生的实验设计、环保意识与综合处置能力，以提升学生作为未来专业工程技术人才所应具备的工程师社会责任意识。

2.2.3 创新驱动的实验教学方法

传统的实验课程教学方法，包括实验前预习、原料准备与设备调试、动手操作过程、数据记录与分析、师生互动讨论、实验结果总结与评价等步骤[6]。经过不同角度的教学方法改革，专业实验教学已经取得了显著的进步。例如，将填鸭式教学改为师生互动的讨论式教学，强调对学生专业知识学习兴趣的调动与参与意识的培养，旨在提高学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。然而，在差热分析实验所用原料选择、有限的实验操作条件范围内，最终能够得到的实验结果是已知的。这种教学方法，在调动学生学习积极性和创新性方面所能够发挥的作用并不明显。

基于国家、社会及行业对材料类专业工程技术人才知识、能力、综合素养各方面的要求，提高解决复杂工程问题能力的同时，还需注重培养学生的健全人格、历史使命感和社会责任心。结合当前大学生科研人文素养、环保意识、学习主动性等方面的培养要求，以及差热分析实验模块所属课程的前导与后续课程设置，在实验教学设计过程中，可以选取与本专业相关的原料及其组合，考察实验操作条件对原料反应行为及特征温度等方面的影响，以及实验过程中生成的产物对环境的影响及相应的处置方法。在原料组合设定、操作条件的调节方面，设置实验参数库，由学生根据指导教师与小组讨论确定的实验目的，进行相应选择搭配；指导教师负责实验过程安全保障、引导小组实验过程及数据归纳与讨论。调整后的实验教学方法，综合考虑了学生所掌握的专业知识水平，以及环保意识、实验操作能力、团队协作意识等方面的培养，在实验教学实施过程中也有利于激发学生的主观能动性，为提高学生的学习积极性、培养创新意识奠定基础。

3 结语

材料是人类生产和生活活动的物质基础，材料类专业实验课作为相关专业高年级学生的专业必修课程，非常有必要将实验课程教学与课程思政教育紧密结合。针对当前实验课程教学过程中存在的难点与不足，以差热分析实验模块为例，结合热分析技术开发及设备改进的发展历程，从大学生科研人文素养、学习积极性、环保意识及创新意识培养等多个角度，探讨了开展专业实验教学理念及教学方法的设计思路。以期为推动大学生理论联系实际、环境意识、实验操作能力、创新意识等方面的综合培养奠定基础。