点面结合虚实并行——通过金相大赛提高大学生综合素质

黄 鹏， 孙建林， 毛璟红， 贠 冰， 黄 瑛， 商北雁

（北京科技大学材料国家级实验教学示范中心，北京 100083）

0 引 言

学科竞赛对推动教学改革、培养创新应用型人才、培养学生自主学习能力具有非常重要的意义［1］。全国大学生金相技能大赛（简称金相大赛）是材料及相关专业大学生的专业竞赛，分为校内选拔赛、全国大赛两级比赛［2-5］。在显微镜技术不断发展形势下，金相实验技术是材料及相关专业大学生基础且重要的实验技能，而仅靠有限的实验教学课时难以使全部学生达到完全娴熟的程度。这种情况下全国大学生金相技能大赛的举办对培养学生工匠精神、提高实验教学质量具有重要意义。但除此以外，金相大赛还可以对学生综合素质培养发挥更大作用。结合大赛的两级比赛体系，通过虚拟仿真实验平台与开放运行实验室［6-8］，构建点面结合、虚实并行，挑战度逐步提高的培养机制，可以充分调动学生积极性，提高学生分析和解决问题的能力，培养工匠精神、动手能力、科研能力、创新能力在内的综合素质。

1 金相实验教学现状及我校金相大赛发展

金相实验技术具有直观性、便捷性、实用性等优点，金相实验技术是材料类专业本科生必须掌握的基本且重要的实验技能［9］。尤其随着激光技术在显微镜中应用［10-11］，新的功能强大的显微镜如激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）、激光诱导击穿光谱仪（LIBS）等科研仪器的出现与应用，金相实验技术仍然是材料学科研究中便捷实用的重要科研技能。因此，金相实验教学在材料及相关专业的本科实验教学中，占有重要地位。而由于实验教学时间空间限制，实验教学中一些学生仅通过实验教学课时对金相实验技术的掌握难以达到较高标准［2］。金相实验教学的现状需要调动学生的学习兴趣，增强动手能力和科研能力的培养。

为此，学校高度重视通过专业竞赛推动实验教学，提高学生综合能力。至2021年连续组织举办校内金相大赛11届。累计有材料科学与工程学院、冶金与生态工程学院、机械工程学院等6个学院11个专业和来自北京工业大学、北方工业大学交叉培养学生逾1 300人参加比赛和培训。

2 点面结合虚实并行构建引导机制

在举办校内比赛和全国大赛选手选拔中，校内比赛贴合本科实验教学内容，全国金相大赛选手选拔进行科研自主实验，并采用线上线下虚实并行的方式。通过技能大赛，点面结合、虚实并行提高实验教学质量和学生综合素质。

2.1 结合本科教学组织校内金相大赛与培训

校内金相大赛及培训着眼于从面上整体提高学生动手能力、实验技能和教学质量。采用比赛内容贴近本科实验教学，比赛规则贴近全国大赛的方式。

校内选拔赛选择精品课程本科实验教学内容为比赛试样［12］。通过比赛使学生更熟悉实验教学内容。比赛规则贴近全国大赛规则设置，限定时间、耗材使用并对操作习惯、实验清洁进行考核，提高对学生实验能力的要求，推动学生提高实验操作技能。校内选拔赛提高学生对金相实验教学的关注度，并通过虚实结合方式引导，对提升实验教学质量有极大推动作用。

校内比赛参加人员包括材料专业低年级和相关专业未接触金相实验教学学生，为此赛前对学生进行线上线下结合、虚实并行的培训。线上教师使用中心一期虚拟仿真网络平台建设的“结构钢的成分、工艺、组织与性能综合热处理虚拟实验［13］”（见图1）对学生详细讲解实验流程、操作细节、安全注意事项和比赛规则。随后线下对学生分批开放真实实验室，提供实验设备和耗材，学生在教师引导下动手进行自主实验练习。比赛进行中，根据全国大赛规则限定时间，要求学生在少于本科实验教学时间内完成整个制样流程。并要求学生安全操作、清洁实验区，培养良好实验习惯和社会责任感。同期举办国家级实验教学示范中心开放日活动，引导学生参观实验室和先进仪器设备，开拓学生视野，加深学生对本学科科研工作内容的认识。整个过程中采用虚实并行，线上学习实验流程、操作细节，线下动手实践、有目的性自主实验的方式。赛前培训对未接触金相实验教学的学生进行了充分全面的“预热教学”，对已接触金相实验教学的学生提供更多动手实践机会并提出更高要求，成为课程实验教学的有力补充。

图1 使用虚拟实验进行学生金相实验技能培训

中心在总结一期虚拟仿真实验室建设经验基础上，建成二期虚拟仿真网络平台“金属材料成分、工艺、组织和性能一体化设计虚拟仿真实验”（见图2）。在校内金相大赛初选上，增加了通过二期建设平台进行线上考核和虚拟实验操作的内容，包括本科实验教学内容中Fe-Fe3C相图、金相组织辨识与分析和全国大赛规范实验流程、实验操作注意事项。大赛不仅考察实验动手操作，还考察理论知识和实验安全，内容更加全面。

图2 使用虚拟实验平台进行线上比赛

2.2 以科研自主实验方式完成全国大赛选拔

校内赛选拔出全国大赛选手后，进一步以科研自主实验方式开放更多资源从点上加以培养。实验室对学生开放，学生接受设备使用培训后可自主使用实验教学设备以外的科研仪器，如激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）、显微硬度计等，结合大学生科研训练计划（SRTP）进行感兴趣的探索实验，培养学生科研探索能力和创新能力。

金相制样在整个实验过程中与操作者用力习惯、不同实验手法关系很大。如制样中可横向或纵向单程打磨，可手磨或机磨，浸蚀可用擦拭法、滴蚀法或浸蚀法等，这些不同操作没有正误之分。可以说，金相制样是一项与操作者个人特点联系很大的实验技术。在教师指导下，每位选手需根据金相组织与个人特点探索制定最佳实验方案。

方案制定（见图3）过程中，学生先查阅相关图书、文献进行学习，教师采用翻转课堂形式组织学生一起对大赛规定比赛样品、组织进行分析、讨论。充分调动学生的学习积极性，可获得比教师单纯讲授更好的学习效果。讨论中学生根据教师指导、查找的文献资料和个人分析，结合自身制样习惯，设计初步实验方案。随后进行自主实验，并对实验中出现问题进行总结分析。继而思考问题产生原因，是因实验方案不合理还是个人制样技术问题。并与教师、同学共同讨论、拟定解决方案，并实行解决方案改进实验。如效果不理想，则需重新思考分析，制定更有效的实验方案。

图3 自主实验研究制定方案

2.3 基于大赛的深入拓展学习

学生进行自主实验中，将在教师引导下学习教学大纲之外的专业知识，并使用多种科研仪器设备观察分析组织，这样可以提高学生专业知识水平和综合科研能力。

学生完成铁素体基球墨铸铁和工业纯铁大赛标准试样的金相制样后，使用激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）对表面形貌进行高倍率三维成相观察与测量（见图4），发现样品表面并不是平面：球墨铸铁中石墨球高于铁素体基体，工业纯铁铁素体晶粒高低不平并且部分晶粒中存在褶皱。使用LSCM观察金相样品引发学生们对球墨铸铁中石墨球的构造和形成过程产生浓厚兴趣。由此学生利用图书馆和线上资源，查找相关图书和文献，自学了球状石墨形核生长的理论模型［14-16］。不同金相样品的浸蚀时间不同，学生能够从微电池腐蚀理论入手，学习分析、理解不同成分样品所需浸蚀时间不同的现象。

图4 LSCM观测铁素体基球墨铸铁形貌（单位：μm）

此外，教师以金相大赛为契机，搭建交流平台，组织之前参加全国大赛获奖选手与学生进行座谈。座谈内容除参赛感受、实验技术外，还包括专业学习、英语学习、科研方法、大学生就业等学习生活多方面内容。这种交流有效开拓了学生视野，提高了学生的学习热情、科研能力，并帮助学生进行发展规划。

3 提高学生综合素质效果

教师围绕金相大赛，以提高教育质量为目的，以培养学生创新精神和科研实践能力为着眼点组织校内大赛和自主实验，收到了良好效果。

3.1 提高学习主动性与实验教学质量

校内金相大赛的举办及自主实验，从面上整体提高了学生的学习主动性与实验教学质量。

专业知识方面，与平时实验课程教师讲授、学生被动接受不同，比赛是在课外活动中以问题形式通过网络平台对金相知识进行考察，帮助学生发现掌握知识上的不足，提高了学生学习主动性，成为课堂教学的有力补充。对正规实验流程、实验安全注意事项和实验操作细节的考察，提高了后续真实实验教学的实验效率、安全性和实验效果。

实验操作方面，比赛增加了学生动手机会，同时采用贴近全国大赛的标准和规则，如比赛规定制样时间短于实验教学中时间，要求节约耗材等，提高了制样难度。在后续的实验教学中参加过校内培训和比赛的学生相对于参赛前和未参赛学生，制样技能明显更熟练，制样时间缩短，耗材浪费减少，组织照片更清晰，对金相组织知识掌握更牢固。举办首届校内大赛以来，材料科学与工程、材料成型与控制、材料物理专业多位教师反映，本科生毕业设计中部分同学实验效率提高，毕业论文中金相组织照片质量大幅提高。

3.2 培养科研探索能力与创新能力

对于工科学生，积累掌握知识仅是大学阶段基础要求，知识运用和科研创新是更高的要求，而后者大都是在实验室完成的。单纯的实验教学内容较为固定，学时有限，难以单纯依靠实验教学达到上述要求。而大赛培训中的科研自主实验可以提高学生的科研探索能力和创新能力。

自主科研实验中采用“学习—实践—思考—探索—实践”模式，这是一个自主学习，发现问题、思考并解决问题的过程，能够充分培养学生独立解决问题的能力。学生在该过程中能够学习掌握科研思维，思考能力、探索能力提高。除实验教学设备外，科研设备向学生开放，学生可在教师指导下使用平时本科实验教学中接触不到的仪器设备进行实验和学习分析，提高了学生综合科研能力。

同时校内赛举办和自主实验与大学生科研训练计划（SRTP）相互促进，培养学生创新能力。金相大赛需要较高动手能力，仅靠实验教学中练习难以达到。因此大赛促使学生寻求更多进实验室机会，学生更积极参加SRTP活动。同时科研自主实验中要求学生发挥创新思维解决实验中的问题，也可以使用更多科研设备进行SRTP中多方位探索研究，培养了学生创新能力。

3.3 培养工匠精神、社会责任感在内的综合素质

金相大赛中每步环节都对后续实验有极大影响，学生在实验中每个环节都需要耐心专注，尽最大可能追求完美。实验中学生认真磨制抛光试样，同时也是在打磨追求完美、精益求精的工匠精神。

实验室向学生开放，教师对学生进行安全培训和操作培训后，学生以实验室管理参与者身份进入实验室，学生需注意实验设备的安全操作、简单维护和合理运行；同时，全国金相大赛竞赛规则强调了学生实验过程中的规范性和耗材整理、场地清理的要求，这些都有助于培养学生社会责任感。

4 结 语

全国大学生金相技能大赛对培养大学生工匠精神，提高实验教学质量具有重要意义。而教师针对校内选拔赛、全国大赛的两级比赛体系，精心构建点面结合、虚实并行的培养机制，在实验教学课时有限的条件下使金相大赛在大学生综合素质培养上发挥更大作用。校内赛采用本科实验教学内容，规则贴近全国大赛，基于本科实验教学但又对学生提出更高的要求，并使用具有高度交互性的虚拟仿真实验室进行培训以及开设线上比赛模块扩展竞赛内容；全国大赛选手培养以科研自主实验方式进行，可使学生熟悉大型仪器设备操作，培养了工匠精神、动手能力、科研能力、创新能力在内的大学生综合素质。在实验教学课时有限的条件下，该机制有利于更好地发挥学科竞赛对提高实验教学质量，培养大学生综合素质具有良好效果。