黃小華

（江西科技學(xué)院 南昌 330098）

1 引言

工程材料實驗是機械類和材料科學(xué)類專業(yè)的一門實踐性很強的專業(yè)基礎(chǔ)實驗課，是工程材料及熱處理，機械工程材料、金屬學(xué)及熱處理以及機械制造基礎(chǔ)等課程實現(xiàn)應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，該實驗教學(xué)大都是老師講授、演示，學(xué)生按照要求重復(fù)實驗步驟，機械操作、無自主性，缺乏學(xué)習(xí)積極性，實驗既沒起到加深理論知識的理解的作用，不利于學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)，和應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)偏差較大。為了解決以上實驗教學(xué)中存在的問題，本文提出采用逆向思維的方法來設(shè)計實驗，以提高學(xué)生實驗的積極性、自主性和實踐動手能力。

2 逆向思維設(shè)計實驗的理念

目前，關(guān)于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和實踐能力的教學(xué)改革研究有很多，[1-3]且大多數(shù)研究致力于開放性綜合性實驗教學(xué)，研究表明開放性實驗教學(xué)對提高學(xué)生的實驗積極性和實踐能力起到較好的作用，但其不一定適合適用于所有高校。如，我校是一所以應(yīng)用型人才培養(yǎng)為目標(biāo)的本科院校，學(xué)生基礎(chǔ)水平層次參差不齊，水平層次差的學(xué)生不乏少數(shù)。這種涵蓋知識點多而廣的開放性實驗教學(xué)，對層次水平較低的學(xué)生和低年級學(xué)生來說可操作性較差，驗證性基礎(chǔ)實驗和一些基本型的綜合實驗可能更適合我校大多數(shù)學(xué)生。因此，如何設(shè)計驗證性基礎(chǔ)實驗和基本型綜合實驗，以激發(fā)學(xué)生實驗積極性、自主性和提高學(xué)生實踐動手能力，就變的非常關(guān)鍵。

一般來說，實現(xiàn)應(yīng)用型人才培養(yǎng)和提高學(xué)生實踐能力的前提是學(xué)生必須動手做，興趣和信心是學(xué)生樂意動手做的驅(qū)動力，它們可以激發(fā)學(xué)生的求知欲，推動他們?nèi)ヌ骄亢蛯W(xué)習(xí)，進而發(fā)展他們分析問題解決問題的能力。而逆向思維是一種具有啟發(fā)性、創(chuàng)造性、靈活性的求異思維，同時也是提出問題、分析問題和解決問題的一種重要方法。[4]逆向思維法是指從相反方向思考問題的方法，是運用顛倒過來的思維方式進行實驗設(shè)計的方法，打破正向思維所形成的思維定勢，克服思維的“框框”，從而取得一定的實驗設(shè)計成果。[5]這種方法在中學(xué)實驗教學(xué)中已經(jīng)被廣泛研究和應(yīng)用，它不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和提高學(xué)生實踐動手能力，而且還使教學(xué)效果事半功倍。在物理學(xué)史上，法拉第提出“把磁轉(zhuǎn)變成電”的思想，進一步設(shè)計了各種實驗發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，就是一例?？梢?，逆向思維對于培養(yǎng)應(yīng)用性和創(chuàng)造性人材有著重要的作用。因此，在工程材料實驗教學(xué)中試圖打破傳統(tǒng)實驗方式以逆向思維進行實驗創(chuàng)新設(shè)計，以增加學(xué)生實驗積極性，提高學(xué)生實踐動手能力和創(chuàng)新意識，同時也為其他同類院校提供一定借鑒意義。

3 逆向思維在工程材料實驗教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 逆向思維設(shè)計實驗

3.1.1 在碳鋼的試樣硬度測試實驗中，實驗的常規(guī)設(shè)計方法是對每種已知的試驗材料根據(jù)所給定的硬度試驗法，去分別測定其硬度值，然后對實驗結(jié)果進行分析和討論，比較不同含碳量的鋼的硬度值與WC的關(guān)系。而采用逆向思維的設(shè)計方法是給定學(xué)生三種或多種未知型號試驗材料，按所給定的硬度試驗法，去分別測定其硬度值，然后通過測試的結(jié)果去分析并推斷試樣材料型號。

3.1.2 在碳鋼的金相試樣的制備及平衡組織觀察實驗中，實驗的常規(guī)設(shè)計方法是先制備一已知材料的金相試樣，然后進行金相試樣平衡組織觀察，并將觀察到的金相圖用示意圖表示，最后通過金相圖去比較和分析含碳量不同的鋼的組織是什么以及含碳量對組織的影響。而采用逆向思維的設(shè)計方法是先制備一未知的金相試樣，然后進行金相試樣平衡組織觀察，并將觀察到的金相圖用示意圖表示，同時還要求學(xué)生由觀察到的金相試樣平衡組織圖去判定試樣是所指定的哪種材料。

3.1.3 在碳鋼的熱處理實驗中，實驗的常規(guī)設(shè)計方法是根據(jù)制定的工藝要求分別對某種或多種碳鋼進行熱處理，并測定試樣熱處理前后的硬度值，然后通過金相試樣制備及組織觀察，分析其所獲得的組織，具體操作如圖1所示：

圖1 常規(guī)設(shè)計的碳鋼的熱處理實驗表

而采用逆向思維的設(shè)計方法是根據(jù)已知組織，要求學(xué)生去制定相應(yīng)的熱處理工藝條件，并對試樣進行熱處理，同時測定其熱處理前后的硬度值，具體操作如圖2所示：

圖2 逆向思維設(shè)計的碳鋼的熱處理實驗表

在碳鋼的試樣硬度測試實驗和金相試樣制備及平衡組織觀察實驗中，同樣是基礎(chǔ)驗證性實驗，常規(guī)設(shè)計實驗方式是對已知材料進行實驗得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)果，驗證理論教學(xué)的內(nèi)容。而基于逆向思維的實驗設(shè)計，是對未知材料進行實驗得出相應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)果，結(jié)合理論教學(xué)的知識去推斷材料。常規(guī)實驗方式往往學(xué)生做完了，也不知道自己做了什么，只是簡單操作了一遍，而后者則是首先設(shè)置了懸念，讓學(xué)生帶著好奇心去做，并且對理論知識進行了應(yīng)用，加深了理論的學(xué)習(xí)和深刻映像，效果顯然好于前者。

在碳鋼的熱處理實驗中，常規(guī)的實驗設(shè)計方式是給定材料，分別給定冷卻方式，由相應(yīng)的冷卻方式獲得相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)結(jié)果（即組織和硬度），然后去分析冷卻速度對組織與性能的影響。其結(jié)果是學(xué)生只是明白了冷卻速度對組織與性能的影響，對什么條件下獲得什么組織并沒有掌握。而逆向思維的實驗設(shè)計是給定材料，并且給定所需要獲得組織，引導(dǎo)學(xué)生去確定合適的溫度，選擇合適的冷卻介質(zhì)，以獲得給定的組織，并測試相應(yīng)的性能。這讓學(xué)生非常清楚如何獲得所需要的組織，從而獲得所需要的性能，對提高學(xué)生制定熱處理工作非常有幫助。對學(xué)生而言，這種逆向思維設(shè)計實驗的方法較給定的實驗內(nèi)容，讓學(xué)生自行設(shè)計實驗方案和技術(shù)路線的實驗方法的難度要低，對本校學(xué)生實驗操作具有可行性。

3.2 逆向思維實驗教學(xué)效果分析

將常規(guī)設(shè)計方法和逆向思維設(shè)計的方法應(yīng)用于實驗教學(xué)實踐，并對參加常規(guī)方法設(shè)計實驗的班級與逆向思維方法設(shè)計的實驗的班級進行問卷調(diào)查。調(diào)查數(shù)據(jù)結(jié)果表明，前者掌握“含碳量對鋼硬度的影響”這一知識點的程度學(xué)生數(shù)所占比例為20%，而后者為52.5%，逆向思維設(shè)計實驗的教學(xué)效果是常規(guī)設(shè)計方法的2.6倍，這大大加深了學(xué)生對理論知識的理解。前者認(rèn)為實驗動手能力和綜合知識應(yīng)用能力收益較多學(xué)生數(shù)比例占60%，而后者占72.5%，可見逆向思維的實驗教學(xué)方法對學(xué)生動手能力是有較大的提高，學(xué)生對理論知識的理解和應(yīng)用也得到了很大的提高。從實驗教學(xué)過程中看，參加逆向思維方法設(shè)計實驗的學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性普遍較高。

4 結(jié)語

實踐證明，在工程材料實驗教學(xué)中采用逆向思維設(shè)計實驗是一種有效的實驗設(shè)計方法，在提高了學(xué)生的積極性和自主性的同時提高了教學(xué)質(zhì)量。值得指出的是，逆向思維實驗設(shè)計的應(yīng)用是對本校學(xué)生少數(shù)班級進行實踐，研究結(jié)果有可能失之片面。