无机非金属材料工程专业实验课程改革与实践——以材料工程基础实验为例

夏忠锋，尹玉成，李亦韦，刘志强，朱青友，刘 浩

（1.武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室，湖北 武汉 430081；2.武汉科技大学材料与冶金学院，湖北 武汉 430081）

实践教学是高校本科专业教育的重要环节，实验课程是其重要的组成部分。传统的实验课程教学通常存在以下问题：实验课程课时较少，实验教师通常以集中讲解和演示的方式进行教学，给予学生实际动手操作的时间不足，开设的实验项目多为验证性实验项目。实验设备台套数不够，且由于设备更新换代快，实验室拥有的同类教学设备存在规格型号多样化、仪器结构和工作原理差异大等现象，不能满足学生分批分组进行实验的需求。部分实验项目原理抽象难懂，且实验过程耗时长，有限的实验课时无法完成实验全过程，影响教学效果[1-2]。传统实践教学体系没有基于OBE理念设计，没有突出培养学生解决复杂工程问题的能力，学生的思考、创新能力也没有得到有效地激发。因此，现有实验教学已不能完全适应当前新时代高等教育培养创新型、综合型人才的需求[3-5]。

我校无机非金属材料工程专业2019年申请国家一流专业及工程教育认证。为了满足国家一流专业建设及工程教育认证要求，本专业于2018年对专业实验课程进行了改革，修订了专业实验课程教学大纲，增加了实验课程中综合性、设计性实验项目数量。提升了学生的学习兴趣，增强了实验课程教学效果，于2019年获批国家一流专业建设点，2020年通过工程教育认证。《材料工程基础实验》作为无机非金属材料工程专业本科生必修的一门重要专业核心基础实践课程，对培养运用材料工程基础理论知识来解决无机非金属材料工程领域实际复杂工程问题的能力具有重要意义[6-7]。

1 课程改革前的《材料工程基础实验》开课情况

本校的无机非金属材料工程专业是以耐火材料学科方向为特色，因此，《材料工程基础实验》主要开设的实验项目均与耐火材料的制备与表征方法有关。课程改革前开出的实验项目如表1（P178）所示，开设的实验项目全是验证性实验，且实验项目之间相对孤立，没有延续性。在实验教学过程中，单批次安排上课学生人数约为10～15人，由实验项目负责授课老师集中讲解实验目的、原理，演示实验设备的操作方法，最后展示预先存储的实验结果。由于单个实验项目学时较短，且上课学生人数较多，考虑学习时长及实验安全因素，学生可参与的实验环节有限。导致学生在实验过程中没有较多的动手操作及独立思考，参与度较低，处于一种被动学习状态，学习效果不佳。而且主要通过填写的实验报告考查学生实验课程学习情况，考核形式较单一，不能较好地反映教学情况。

表1 改革前课程包含实验项目

2 《材料工程基础实验》课程改革

针对上述问题，为了增强实验课程教学效果，课程授课团队经过商讨后从以下三个方面对课程进行了改革：实验内容、授课形式及考核方式。

2.1 实验内容改革

为了调动学生学习的主观能动性，增加了设计性和综合性实验项目课时占比。根据实验内容的重要性，将原有的实验项目进行适当的增减，多个孤立的验证性实验项目整合为设计性或综合性实验项目，整改后实验项目与整改前实验项目对应关系如表2（P178）所示，“原料筛分及材料颗粒级配设计”项目除了要求学生掌握原料破碎及筛分曲线的绘制，增加了材料颗粒级配设计相关内容，有利于学生了解实验项目在实际应用中的价值。两个设计性实验项目“低气孔黏土砖的制备与表征”及“刚玉浇注料的研制”包含了常见两种耐火材料（定形耐火材料和不定形耐火材料）的成型方法与常温物理性能测试方法等实验内容。“耐火材料高温性能测试方法”综合了三种具有代表性的耐火材料高温性能测试方法。整改后的实验课程内容包含了耐火材料原料生产、耐火材料制备、耐火材料常温物理性能及高温使用性能测试完整链条，具有较好的延续性。

表2 改革后课程包含实验项目

2.2 授课形式改革

为了增加学生动手操作的实验环节、降低实验安全风险、培养团队合作精神，改变了以往简单的分批次实验模式，将每批实验学生细分为几个小组，每组3人，小组成员分工协作，各司其职。除了实验项目主讲老师外，每个小组另外安排了指导老师，主讲老师集中对实验内容进行讲授，随后指导老师带领各小组完成实验操作并监控学生实验安全。此外，为了增强实验教学效果，设计性实验项目要求学生在进入实验室之前完成相关实验内容的文献调研，并结合所学理论知识对实验方案进行设计，同时为了保证实验能够顺利进行，对设计性实验的实验原料种类及配比在一定范围内进行了限定，实验的参考配方分别如表3和表4（P179）所示。改变了学生以前枯燥无味的按照指令教条式完成任务的学习状态，增加了学生在实验中设计的主动性及探索的趣味性。由于设计性实验项目学习内容较多，且实验样品的干燥及热处理需要时间较长，导致在单次实验课上无法完成所有实验任务。为此，将设计性实验项目分为样品制备、样品干燥及热处理、样品性能测试三个阶段，每个阶段不超过4个学时，保证实验项目按照正常的课堂教学时间及耐火材料生产工艺及性能测试要求进行。

表3 低气孔黏土砖实验配方

表4 刚玉浇注料实验配方

2.3 考核方式改革

调整平时成绩及实验报告成绩的考核比重，分别将原实验课程考核中平时成绩占比30%上调为40%，实验报告成绩占比70%下调为60%。为了改变原来较为单一的考核方式，其中平时成绩又细分为考勤占比30%+实验预习占比30%+实验操作占比40%。考勤主要考核学生上课迟到早退情况。同时实验课程要求学生在进入实验室之前完成实验预习，并通过实验过程中简单的问答及交流评估学生预习情况，对其预习成绩进行考核。实验操作主要考查学生主观动手意愿、动手能力及实验完成情况等。实验报告使用电脑排版替代传统手抄形式，提供给学生实验报告电子版模版，学生只需将报告内容填写完整再打印上交即可。因而学生可将更多时间用于思考实验报告内容，减轻了学生抄写实验报告的学习强度。

3 课程改革成效

已按照改革后的实验课程对本专业2016～2018级学生进行教学。由于学生经历了亲自设计配比、制备样品及验证样品性能全过程，参与度与动手积极性明显提高，学习兴趣也显著增强，实验教学效果也大幅度提升。根据学生的反馈，分析其中主要有以下原因：学生采用自己设计的配方，亲手完成配料、混料及成型过程，制备的样品编写自己对应的号码，有的同学甚至写上自己的姓名，这样就将实验样品与学生个体之间建立了联系。学生将实验样品当作自己的作品对待，最后性能测试是对自己作品优劣的鉴定，有的学生还要求实验结束后将制作的样品带走保存，学生学习的成就感增强。

学生在实验报告总结中写道“设计性实验生动有趣，实验课上收获颇丰，不仅学会了实验设备的操作，还掌握了耐火材料简单的研究方法”“通过亲手参与设计和实验，制作的样品性能超过了预期，体会到了设计、生产、制造的乐趣”“通过亲眼观察实验设备构造、亲耳聆听老师讲解实验方法、亲手进行实验操作，让原本教科书上抽象的知识有了较为真实的感受，留下的印象深刻”。由此可知，课程改革后学生由被动学习转变为主动学习，学习的积极性得到有效调动。而且由于每个学生的想法不同，不同的学生可以通过不同的途径和方法达到同一个实验目的，相互之间还可以进行对比验证。在实验过程中，学生的独立思维、才智、个性得到充分尊重，改变了千人一面的传统教学模式，有利于创新人才的培养，体现了以人为本的教育思想。

4 结论

为了培养学生解决复杂工程问题的能力，适应当前新时代高等教育培养创新型、综合型人才的需求，通过整合孤立的验证性实验项目、采用分批分组式教学、增加学生动手参与实验操作平时成绩考核等方式对实验课程进行改革，调动了学生学习的主观能动性，学生的思考、创新能力得到有效的培养，提高了实验教学效果。