以金相实验为例对材料专业本科实践教学的改革与实践

孙德山 李伟 马玉春 董治中 刘德宝

【摘  要】 文章以金相实验为例，结合专业实验教学现状与问题，提出通过改善实验条件、丰富实验内容、借助学科竞赛等方式进行材料专业实践教学的探索与实践。旨在提高实践教学效果，提升大学生竞争力，培养具有工程意识、创造性思维、团队合作能力和自主性学习能力的专业型人才，为进一步探索理工科专业学生的实践教学改革提供了思路。

【关键词】 金相分析；实践教学；材料专业教学

面对新一轮的科技革命与产业变革，壮大战略性新兴产业，积极发展未来产业，实现创新引领发展，提升新质生产力是当务之急。因此，社会对多样化、创新型卓越工程科技人才的需求是必不可少的。高校作为工程创新人才培养的重要基地，如何增强学生的工程意识、创新意识，培养具备多维知识结构、熟练掌握新质生产资料的应用型人才，是高校教育工作的重中之重。

材料学科是一门与生产企业，尤其是新兴前沿行业密切相关的实践性学科。它对学生的动手实践能力和专业素养有较高的要求，因此实践教学对学生综合能力的培养至关重要，需要与产业、行业、企业的技术需求紧密结合。为了贯彻落实本科工程教育专业认证中的“产出导向”理念，院校需要加强应用型创新人才的培养。金相分析技术作为材料专业的基础实验项目，利用金相技术可以分析材料的微观组织，从而解析材料组织、结构、加工工艺与性能之间的联系，是材料专业学生必备的专业技能。随着科学技术的不断发展，新材料不断涌现，金相学的应用范围也不再局限于金属材料，而拓展到了无机非金属材料、矿物、高分子材料等领域，这对材料专业学生进行金相技能的培养提出了更高的要求。

一、材料专业实践教学现状及教学中存在的问题

（一）材料专业实践教学现状

金相试样制备及组织分析是材料专业中一项重要的实践课程，涵盖了金相试样的制备、金相显微镜的使用以及微观组织结构分析等内容，涉及材料科学与基础、热处理工艺、固态相变等多学科知识，对学生理论知识的掌握要求较高。金相试样的制备过程包括取样、镶嵌、磨制、抛光、腐蚀和显微组织分析等多个步骤，每一步都对学生的动手能力有较高的要求。对初学者而言，操作中每一个环节都可能出现问题，比如磨制过程中用力不均可能导致试样表面不平整；抛光时用力过大可能导致抛光介质嵌入或试样飞溅；腐蚀时间过短或过长都会影响显微组织的显示。因此，学生要熟练掌握金相试样的制备，需要长时间的实践锻炼。

天津理工大学材料科学与工程专业的金相技能教学主要包括以下几个方面：首先，在“材料科学基础”课程中，开设了“铁碳合金平衡组织观察与显微镜的使用”演示验证性实验，这使学生对金相技术有了初步的认识。其次，在认识实践环节，设置了金相试样制备实验，旨在初步培训学生金相制样技术。最后，在材料综合实验课程中，通过对不同金属材料进行特定热处理，制备金相试样，分析其显微组织，测试其硬度，以解析热处理、微观组织和宏观性能之间的联系。目前的教学效果显示，学生能够按部就班地完成全流程的实验操作，并且对常见材料（如45钢、T10钢、40Cr等）经过热处理后的显微组织与性能有基本的分析能力。

（二）实验教学过程中存在的问题

1. 实验相对单一，学生锻炼不足

目前，材料科学与工程专业的理论课程主要侧重于碳钢、铸铁等传统材料，而有色金属如铝、镁、钛及铜合金等内容虽然有涉及，但整体教学深度较浅。在实验教学方面，以45钢、T10钢和铸铁等材料为主，对有色金属只涉及了铝合金的热处理实验。从目前的教学效果来看，学生在独立设计实验工艺、准确分析各种材料的显微组织与性能方面存在一定的能力不足，举一反三的能力也有所欠缺。这反映了学生对理论知识的掌握还不够深入、全面，实践教学过程中缺乏真正的思考，只是机械地完成实验操作。此外，随着现代社会技术的发展，新材料、新工艺不断涌现。虽然传统材料和热处理工艺仍然重要，但如何与时俱进，引入新材料、新技术的内容，培养适应新时代要求的专业人才，是高校教师在实践教学中需要认真思考和解决的问题。

2. 学生理论基础较差，实验态度敷衍

专业学生在材料科学基础、热处理工艺、金属材料学等课程的理论知识掌握不够扎实，理解不够透彻，难以将所学知识活学活用。在实验教学中，学生在涉及理论知识应用的情况下，往往会遗忘大部分知识点，例如在金相组织分析中，学生可能无法清楚区分相与组织的概念；在中碳钢显微组织中，铁素体和珠光体的区别甚至无法明确。此外，学生对实践教学的态度较为敷衍，仅仅是应付了事，实验技巧的掌握仅限于实验时段，例如金相显微镜的使用是多个实验中的常见操作，但总有学生甚至找不到显微镜的开关。对实验中遇到的问题，学生在解决时缺乏足够的耐心和技巧，而提交的实验报告往往只是实验结果的简单罗列，缺少对实验结果的深入分析和总结。

3. 实验条件受限

专业实验室现有的金相预磨机、抛光机等设备老化严重，且设备数量有限。金相显微镜同样存在老化和配置不足等问题。与此同时，金相试样制备实验需要进行磨制、抛光、腐蚀等操作，这对实验室场地的要求较高。过去实验室场地有限，导致学生排队等候的情况频繁发生，严重影响了实践教学的效果。

二、实践教学过程中的探索与改进措施

（一）整合实验教学实验室，购置实验教学设备

2022年底，天津理工大学材料科学与工程学院材料专业全力准备工程教育认证，并成功通过认证。同时，学院计划在2024年举办天津市大学生金相技能大赛。为此，专业对教学实验室进行了整合，并扩建了一间金相实验室，增设了腐蚀工位，购置了10余台金相抛光机，并替换了部分倒置式金相显微镜。目前金相实验室共有20余个磨制、抛光和腐蚀工位，如图1所示。另外，组织分析实验室配备了50余台金相显微镜。考虑到实验操作的时间性和空间性，目前实验室可以充分满足一个教学班级的教学需求。

（二）充分利用网络资源，开展线上虚拟实验项目

为了提高学生的预习效果并节省课上教授时间，教师提前录制了金相试样制备的全过程操作视频，并在课前要求学生观看。这种做法极大地提升了学生的预习效果，部分学生通过线上虚拟仿真实验和操作视频，能够基本掌握实验方法。在实验过程中，教师有更多的时间和精力可以专注于关注学生的操作规范性和关键步骤，这有助于学生更好地掌握金相试样制备的操作技能。

为了弥补实验条件不足的问题，教师还利用实验空间——国家虚拟仿真实验教学课程共享平台提供的线上资源，开展了一系列线上虚拟仿真实验。这些线上实验包括轴承钢、渗碳钢、高速钢等材料的热处理实验，以补充部分无法在实验室中开展的实验教学内容。通过这些线上实验课程，学生可以在虚拟环境中进行操作，获得更丰富的实践经验。

（三）紧密联系理论课程，加强实验考核

基于学生理论知识掌握不扎实的现状，实验教师在实践教学前加强了与理论课教师的沟通交流，以便合理调整实验时间与内容。举例而言，在材料科学基础课程中，理论课教师讲解完Fe-C合金相图相关知识后，及时安排了“铁碳合金平衡组织观察与显微镜的使用”实验。通过分析典型的试样，学生可以将理论知识与实践有机结合，巩固所学的理论知识，提高实验教学的效果。另外，在实验教学中，增设了考核机制，针对实验教学过程中的重难点及时进行考核，以提高学生对实验教学的重视程度，并规范实验态度。例如，在“铁碳合金平衡组织观察与显微镜的使用”实验中，随机抽查学生对试样的名称、热处理状态以及显微组织分析的掌握情况。而在金相试样制备实验中，通过评价每个学生制备的试样的宏观形貌和显微组织，来评估学生的实验操作规范性。对不合格的试样，督促学生重新制备。通过这种方式，课程不再局限于规定的学时授课，而是注重评估学生实验技能的实际掌握程度，从而提高了实验教学的质量和效果。

（四）依托金相技能大赛，促进本科实践教学

学院成立了金相技能社团，主要承担普及金相知识，传授金相试样制备技能，组织承办本校金相技能大赛。依托社团，学院通过承办金相技能大赛，以赛促学、以赛促练、以赛促改，实现金相相关实验的改革。学院开放实验室，将金相实验室在空闲时间向学生开放，学生可通过预约进行金相实验练习。此外，学院还鼓励参加过比赛的学生与初学者分享经验，帮助他们更快地掌握金相试样制备的操作技巧，并解决操作中遇到的问题和难点。

（五）增加综合性实验，培养学生严谨的科学态度

学院针对专业特点，以金相试样制备为基础，融入热处理工艺设计、操作，硬度检测和组织评价等内容，对现有碳钢的热处理及组织观察实验进行改进。丰富热处理试样种类，增加对学生热处理的工艺设计环节的训练。以专业工程教育认证为契机，更新了两台四工位端淬设备。重开“钢的淬透性”测定实验，通过热处理的操作、金相试样的制备、组织分析、硬度测定，评价不同材料的淬透性，使学生了解影响淬透性的因素以及淬透性曲线的工程应用。

在综合性实验授课过程中，学院注重培养学生的工程意识和严谨的科学态度，结合材料专业实验的特点，在相关实验授课中，规范化实验方法。如在“钢的淬透性”实验教学中指出端淬试验方法的试样加工尺寸、热处理工艺、硬度的测定都要严格按照GB/T 225-2006钢淬透性的末端淬火试验方法（Jominy试验）中的规定来进行，如此得到的试验数据才有说服力和比较性。通过开设综合性实验项目，培养学生严谨的实验态度，提高学生综合分析和解决实际问题的能力，使学生基本具备从事相关专业技术性工作的能力。

（六）加强实验安全和环保教育

在金相试样制备过程中，使用金相切割机、金相抛光机等高速设备存在安全隐患。同时，金相试样的浸蚀需要接触无水乙醇、硝酸酒精等酸性或碱性腐蚀液，这些溶液具有一定的腐蚀性。为确保实验安全，学校和学院实验中心都制定了实验室安全管理制度。在学生进行首次实验之前，实验教师会进行统一的安全教育，同时学校保卫处设立了实验安全系统，学生需通过系统的实验安全考试并获得合格证书方可进入实验室。此外，在实际授课时，教师会提醒学生注意佩戴手套、将头发挽起等方式以确保实验安全，实验产生的废液会进行统一处理，学生也会被提醒在实验过程中注意安全和环保问题。

三、结语

如今社会对高级专业技术人才的需求日益增长，对大学生的工程意识和专业技能提出了更高的要求。实践教学作为理论教学的延伸和升华，对学生工程意识和专业技能的培养至关重要。以金相实验为例，文章分析了目前教学存在的不足之处，并通过增加实验设备数量、丰富实验内容、规范实验教学等措施，提高了实验教学的趣味性和科学性，确保了学生动手操作的机会和效果。通过举办金相技能竞赛并建立奖励机制，以赛促学，有效提高了学生的参与度，为他们提供了实践能力培养的机会。这不仅提高了材料专业实验教学的质量，还为实践教学的改革探索提供了有益启示。

参考文献：

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