＊史相如

（河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院 江蘇 211100）

工程教育專業(yè)認(rèn)證是針對高等教育機(jī)構(gòu)開設(shè)的工程類專業(yè)教育實(shí)施的專門性認(rèn)證，是我國高等教育的重要組成部分[1-3]。河海大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)于2020年入選為國家級一流本科專業(yè)建設(shè)點(diǎn)，按照一流專業(yè)建設(shè)條件與國家一流專業(yè)認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)，通過專業(yè)認(rèn)證成為了材料專業(yè)能否通過一流本科專業(yè)建設(shè)點(diǎn)考核的決定性條件，也是我校材料科學(xué)與工程專業(yè)建設(shè)迎來的重大發(fā)展機(jī)遇。以專業(yè)認(rèn)證為契機(jī)，進(jìn)一步規(guī)范本專業(yè)人才培養(yǎng)體系和促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量，為提高本專業(yè)在國內(nèi)外的影響力奠定基礎(chǔ)。

材料作為與能源和信息并稱的現(xiàn)代社會發(fā)展三大支柱之一，在一定程度上左右著人類文明發(fā)展的進(jìn)程，對于國家戰(zhàn)略具有著深遠(yuǎn)的意義。近年來，國家高度重視材料學(xué)的發(fā)展與建設(shè)，中國制造2025更是把新材料作為十大重大突破領(lǐng)域之一[4]。材料科學(xué)與工程專業(yè)是研究材料結(jié)構(gòu)組成、工藝和性能之間關(guān)系的學(xué)科，不僅要培養(yǎng)具有扎實(shí)理論基礎(chǔ)的人才，更要培養(yǎng)具有較強(qiáng)工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力，能夠從事科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)、工藝和設(shè)備設(shè)計(jì)的工程技術(shù)人才。而實(shí)驗(yàn)教學(xué)則在本科人才培養(yǎng)過程中扮演了至關(guān)重要的一環(huán)，對通過專業(yè)認(rèn)證也起了至關(guān)重要的作用[5-7]。

盡管近年來的實(shí)驗(yàn)教學(xué)在全面提升本科生的實(shí)踐動手能力、思考解決問題的能力以及創(chuàng)新理念的培養(yǎng)方面具有一定的推動作用，但仍存在著國內(nèi)材料專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程的普遍通病[8]。例如，部分課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容重復(fù)，缺乏應(yīng)有的聯(lián)系；實(shí)驗(yàn)教學(xué)強(qiáng)調(diào)模仿和訓(xùn)練，創(chuàng)新內(nèi)容不夠；課程結(jié)果的考核評價(jià)單一，學(xué)生的主動性和積極性缺乏等，極大影響了材料科學(xué)與工程專業(yè)創(chuàng)新性、復(fù)合型人才的培養(yǎng)，導(dǎo)致本科生在就業(yè)市場被否定、就業(yè)能力顯著下降等情況的發(fā)生。因此，如何依托材料科學(xué)與工程專業(yè)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件，高效優(yōu)化整合資源，融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，注重開放性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε囵B(yǎng)，根據(jù)一流本科專業(yè)建設(shè)背景下材料科學(xué)與工程專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的要求，構(gòu)建“開放、創(chuàng)新、融合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)框架顯得尤為迫切。

1.材料科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

(1)教學(xué)內(nèi)容重復(fù)，整體布局混亂

目前材料科學(xué)與工程專業(yè)開設(shè)的實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容存在部分重復(fù)現(xiàn)象，整體布局不合理。以金屬材料方向?yàn)槔?，該方向開設(shè)的實(shí)驗(yàn)課程主要有“金屬材料與熱處理綜合實(shí)驗(yàn)、金屬腐蝕性能實(shí)驗(yàn)、金屬力學(xué)與物理性能實(shí)驗(yàn)、材料表面技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)”等，但課程安排不同教師講授，由于任課教師之間缺乏深入溝通交流，導(dǎo)致不同課程部分實(shí)驗(yàn)原理類似、內(nèi)容相近，造成人力、物力、時間的浪費(fèi)；此外，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)課程安排主要依據(jù)理論課程而設(shè)置，導(dǎo)致不同實(shí)驗(yàn)課程之間的連續(xù)性嚴(yán)重缺乏。例如，材料表面技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)涉及到金屬表面的腐蝕防護(hù)，該部分內(nèi)容如果在合理的統(tǒng)籌規(guī)劃下可以有效地延伸至金屬腐蝕性能實(shí)驗(yàn)中。

(2)教學(xué)資源匱乏，教學(xué)內(nèi)容缺主次

實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源匱乏、實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊是本專業(yè)面臨的巨大難題，尤其是大型設(shè)備價(jià)格昂貴、精密度高，普通本科學(xué)生很難觸及，導(dǎo)致了設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)很難由本科學(xué)生自主完成，實(shí)驗(yàn)安排只能以滿足學(xué)生基礎(chǔ)知識和基本技能培養(yǎng)的要求為主。這顯然違背了“厚基礎(chǔ)、寬口徑、強(qiáng)能力、高素質(zhì)”的創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標(biāo)。此外，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式較單一，大部分實(shí)驗(yàn)任然是以教師演示-學(xué)生跟做的授課模式，學(xué)生積極性較低，課堂效果較差，尤其是部分耗時較長的實(shí)驗(yàn)，很難保證每位同學(xué)都能親自參與實(shí)驗(yàn)的每一個環(huán)節(jié)，導(dǎo)致教學(xué)效果的大打折扣。

(3)教學(xué)評價(jià)簡單，成績評定不科學(xué)

目前，實(shí)驗(yàn)報(bào)告仍是實(shí)驗(yàn)類課程成績的主要評價(jià)方式，但實(shí)驗(yàn)課程大都分組進(jìn)行，同組成員之間實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本類似，根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告很難判斷學(xué)生對理論知識和實(shí)驗(yàn)技能等掌握的差異；此外，實(shí)驗(yàn)教學(xué)注重培養(yǎng)的是學(xué)生的實(shí)踐動手能力以及思考解決問題的能力，通過“一刀切”式的實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行成績評定，不僅會降低學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程的積極性，還會打消學(xué)生實(shí)驗(yàn)的自主性和創(chuàng)新性，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)效果和操作規(guī)范度的不足。

2.材料科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索

材料科學(xué)與工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅要滿足學(xué)生基礎(chǔ)知識和基本技能培養(yǎng)的要求，更要注重學(xué)生創(chuàng)新精神、動手能力和應(yīng)用實(shí)踐能力的培養(yǎng)。因此在材料科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中必須從專業(yè)培養(yǎng)方案全局出發(fā)，優(yōu)化設(shè)置連續(xù)性、延展性的實(shí)驗(yàn)課程體系，建立基礎(chǔ)性與前沿性結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，發(fā)展學(xué)知識與重能力兼顧的實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式，形成系統(tǒng)性與開放性的實(shí)驗(yàn)評價(jià)體系，對調(diào)動任課教師和學(xué)生的積極性，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的應(yīng)用型人才具有至關(guān)重要的作用。

圖1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索措施示意圖

(1)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的優(yōu)化設(shè)置

基于材料科學(xué)與工程專業(yè)培養(yǎng)方案對實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，以材料的結(jié)構(gòu)、制備、性能和應(yīng)用關(guān)系為主線，縱向規(guī)劃相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，避免不同課程之間基本實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的簡單重復(fù)，實(shí)現(xiàn)專業(yè)理論知識應(yīng)用的連續(xù)性與實(shí)驗(yàn)開展過程的經(jīng)濟(jì)性。例如，熱處理是將金屬在固態(tài)下經(jīng)加熱、保溫和冷卻，以改變金屬的內(nèi)部組織和結(jié)構(gòu)，從而獲得所需性能的一種工藝過程?！敖饘俨牧吓c熱處理綜合實(shí)驗(yàn)”就是通過設(shè)計(jì)合理的熱處理工藝（退火、淬火、正火、調(diào)質(zhì)、回火等）改變不同鋼鐵材料與有色金屬的顯微組織結(jié)構(gòu)，從而得到優(yōu)異力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)課程。而“金屬力學(xué)與物理性能實(shí)驗(yàn)”則是專門探究金屬材料常規(guī)力學(xué)性能和物理性能測試的實(shí)踐教育課程，里面包含了“金屬材料與熱處理綜合實(shí)驗(yàn)”中的金屬材料硬度測試，這就造成了實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置里面的部分重疊，造成教學(xué)資源的浪費(fèi)。在教學(xué)過程中可以統(tǒng)籌規(guī)劃兩門實(shí)驗(yàn)課程的開展，讓同學(xué)們綜合對比熱處理前后金屬材料的硬度變化，不僅可以減少重復(fù)實(shí)驗(yàn)的時間浪費(fèi)，還可以加深同學(xué)們對熱處理相關(guān)知識的理解。再比如“材料表面技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)”旨在通過對金屬材料的表面處理和涂覆層制備提高基體材料的綜合性能，在教學(xué)過程中可以將其于“金屬腐蝕性能實(shí)驗(yàn)”相關(guān)聯(lián)，使學(xué)生對比探究金屬腐蝕防護(hù)的重要性。這樣不僅加深學(xué)生對材料成分—工藝—組織—性能之間相互關(guān)系的理解，也節(jié)約了實(shí)驗(yàn)材料，提高了不同理論知識應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)過程的連續(xù)性與延展性。

(2)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的合理分配

在以上實(shí)驗(yàn)課程優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對本專業(yè)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源進(jìn)行整合，根據(jù)學(xué)科特點(diǎn)和專業(yè)優(yōu)勢建立分層次的實(shí)驗(yàn)資源分配方案。第一層次主要包括材料微觀組織結(jié)構(gòu)表征、金相實(shí)驗(yàn)和部分力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)（拉伸、壓縮、硬度）等材料科學(xué)相關(guān)的基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，該部分主要涉及的教學(xué)資源包括光學(xué)顯微鏡、拋光機(jī)、砂紙、拉伸萬能試驗(yàn)機(jī)等，實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)在資源可以充分鍛煉每位同學(xué)的動手能力并加強(qiáng)對基礎(chǔ)問題的理解。第二層次主要涉及腐蝕、摩擦和斷裂等材料領(lǐng)域的綜合性實(shí)驗(yàn)，需要用到摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)、電化學(xué)工作站、三維光學(xué)顯微鏡以及一些專用的化學(xué)藥品等。針對該部分稀缺的教學(xué)資源，可以進(jìn)行分組分階段教學(xué)，通過團(tuán)隊(duì)合作發(fā)揮不同學(xué)生的主觀能動性、創(chuàng)造性，考察學(xué)生應(yīng)對復(fù)雜問題團(tuán)隊(duì)協(xié)作解決問題的能力。第三層次主要針對的是學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)的一些創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，可能會涉及到包括XRD、SEM、TEM、納米壓痕儀、等離子噴涂系統(tǒng)等大型精密設(shè)備，該部分不僅資源稀缺，本科學(xué)生操作難度也高?？赏ㄟ^結(jié)合大學(xué)生創(chuàng)訓(xùn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、學(xué)科競賽和授課教師研究項(xiàng)目，建立科研資源與教學(xué)資源的共享平臺，通過研究生的傳幫帶效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)本科生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

(3)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的科學(xué)設(shè)置

在上述三層次教學(xué)資源分配的基礎(chǔ)上合理安排教學(xué)內(nèi)容。第一層次的基礎(chǔ)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)及認(rèn)知性實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容主要根據(jù)理論課堂教學(xué)知識點(diǎn)的內(nèi)容開展。如鐵碳相圖是研究鐵碳合金在加熱和冷卻時的結(jié)晶過程和組織轉(zhuǎn)變的圖解，是研究鋼鐵鑄造、鍛造和熱處理的重要依據(jù)之一。在進(jìn)行“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程教學(xué)時，可以設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)讓同學(xué)們制備并觀察不同碳含量鋼鐵的典型金相組織，掌握鐵素體、珠光體、滲碳體等形貌特征，對比鐵碳相圖分析不同碳含量下典型碳鋼的金相組織特征與變化規(guī)律。對于第二層次的綜合實(shí)驗(yàn)需要定期更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目和內(nèi)容。授課教師通過查閱文獻(xiàn)，在以往實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上需要把最新的研究理念和研究方法引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。例如，目前對涂層樣品力學(xué)性能的表征實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍是采用截面試樣的顯微硬度測試方法，該方法不僅制樣繁瑣，測試結(jié)果也缺乏精度，而近年來發(fā)展的納米壓痕技術(shù)通過高精度位移載荷傳感器可以實(shí)現(xiàn)小到納米級的壓入深度，可實(shí)現(xiàn)涂層表面硬度的精確測量。針對第三層次的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，鼓勵學(xué)生開放式選題。由授課教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容提出問題，學(xué)生通過文獻(xiàn)調(diào)研自主選題設(shè)計(jì)方案，在授課教師的指導(dǎo)下開展探索式科學(xué)研究，拓展學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。

(4)實(shí)驗(yàn)考核方式的持續(xù)改進(jìn)

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，要根據(jù)實(shí)驗(yàn)前-中-后的表現(xiàn)實(shí)行多元化的考核方式。實(shí)驗(yàn)前的工作包括實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)步驟的設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)材料的準(zhǔn)備等工作，該部分工作授課教師監(jiān)管較難，可實(shí)行團(tuán)隊(duì)之間互評的方式進(jìn)行打分，也可讓團(tuán)隊(duì)內(nèi)部成員之間相互進(jìn)行成績評定工作。實(shí)驗(yàn)中的成績評定部分主要包括操作規(guī)范、安全意識、動手能力以及分工合作等，將各部分之間的成績細(xì)化，充分考察實(shí)驗(yàn)教學(xué)的全流程目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)后的考察部分重點(diǎn)表現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析整理、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的呈現(xiàn)以及表述規(guī)范性。針對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析部分，增加不同團(tuán)隊(duì)之間數(shù)據(jù)的橫向比較，豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高實(shí)驗(yàn)效率。對于部分實(shí)驗(yàn)課程，可要求通過ppt答辯的方式進(jìn)行考核，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，學(xué)習(xí)主動性和表述規(guī)范性。

3.結(jié)語

工程教育專業(yè)認(rèn)證是高等教育質(zhì)量保證體系的重要組成部分，是學(xué)科在國內(nèi)外宣傳的“通行證”。本文從河海大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題出發(fā)，以專業(yè)認(rèn)證為契機(jī)，從教學(xué)體系、教學(xué)資源、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)評價(jià)四個方面出發(fā)，對材料科學(xué)與工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行全面化和系統(tǒng)化的改革探索，不僅可以將本專業(yè)人才的創(chuàng)新實(shí)踐能力提高到一個新的高度，還可以滿足新時期國家對新材料產(chǎn)業(yè)和材料類專業(yè)人才的需求。