楊金水 尹昌平 邢素麗

摘要：本文結(jié)合材料科學與工程專業(yè)教學的實踐，探討了以理論教學、虛擬仿真教學、綜合實驗教學和實踐教學等四要素為基本單元的“論擬驗踐”四面體教學模式，對材料科學與工程專業(yè)教學和創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式進行了思考和探索。

關(guān)鍵詞：材料科學與工程；教學模式；論擬驗踐

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）47-0127-03

“論擬驗踐”四面體教學模式：“論”即理論教學；“擬”即虛擬仿真教學，利用虛擬實驗室在有限的課堂授課時間和實驗條件下建立基礎(chǔ)理論與實踐的關(guān)系，加深學生對理論知識的理解；“驗”即綜合實驗教學，例如通過綜合實驗設(shè)計完成材料教學六個基本單元“觀察材料行為-材料行為模型化-結(jié)構(gòu)單元分析-結(jié)構(gòu)分析-結(jié)構(gòu)設(shè)計-構(gòu)件制造”的閉環(huán)教學實踐；“踐”即實踐教學，例如利用科研項目、研究競賽、企業(yè)合作等機會和案例，在綜合實驗基礎(chǔ)上，進行科研訓練和實踐教學?！罢摂M驗踐”的四面體關(guān)系如圖1所示。

“論擬驗踐”四個方面的教學，既是一個“四面體”的關(guān)系，又是層層遞進的關(guān)系。理論教學和實踐教學之間，有實驗教學作為過渡，實驗教學有虛擬和綜合相互補充，構(gòu)成一個整體，從而有助于提高學生的綜合能力。筆者長期從事復(fù)合材料專業(yè)教學工作，對“論擬驗踐”四面體教學模式的探索和實踐，有些微體會。

一、理論教學

理論教學通常以課堂講授為主，重點和核心是知識體系和教學內(nèi)容。構(gòu)建知識框架，優(yōu)化教學內(nèi)容，體現(xiàn)材料科學的核心和科學邏輯，教學知識模塊應(yīng)綜合考慮以下幾點：

1.材料科學與工程四要素的內(nèi)在聯(lián)系。材料科學與工程的四要素[1]分別是組成、制備、結(jié)構(gòu)、性能。組成包括原子、分子、配比、組份等；制備工藝有固相法、液相法和氣相法，也可分為化學法和物理法；結(jié)構(gòu)分為微觀結(jié)構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)，而宏觀結(jié)構(gòu)取決于微觀結(jié)構(gòu)，微觀結(jié)構(gòu)包括原子的排列方式，理想的完整結(jié)構(gòu)、不完整結(jié)構(gòu)、原子和分子的運動、材料的變形和回復(fù)、再結(jié)晶等；性能包括本征性能和使用性能。四要素中制備工藝取決于組成成分，組成和制備決定組織結(jié)構(gòu)，而性能取決于組成、制備和結(jié)構(gòu)，基本關(guān)系可用四面體結(jié)構(gòu)進行描述如圖2所示。

構(gòu)建理論教學知識框架，精選和優(yōu)化教學內(nèi)容，遵循的基本原則即是材料科學與工程四要素的內(nèi)在聯(lián)系。以材料科學基礎(chǔ)課程為例，以材料成分—組織結(jié)構(gòu)—制備工藝—性能之間的關(guān)系作為主線，提煉出材料的共性規(guī)律（如相變規(guī)律），并輔以包括晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷、金屬凝固、二元和三元合金相圖、金屬材料中的塑性變性與斷裂、回復(fù)與再結(jié)晶、擴散、金屬固態(tài)相變等的相關(guān)內(nèi)容[2]，適當?shù)卦黾优c課程內(nèi)容相關(guān)的材料實例來進一步闡明材料的成分、組織結(jié)構(gòu)、制備工藝和性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，增強學生的理解能力[3]。

2.“熱—力—界面—老化”科學問題。材料科學與工程的基本科學問題，總結(jié)起來無外乎“熱、力、界面、老化”等四個方面的科學問題。構(gòu)建理論教學知識框架，精選和優(yōu)化教學內(nèi)容，以四要素為主線，重點闡明“熱-力-界面-老化”科學問題、科學規(guī)律和科學本質(zhì)。培養(yǎng)學生綜合應(yīng)用熱學知識、力學知識、界面物理化學知識和老化理論知識分析材料科學與工程的科學規(guī)律，揭示材料學規(guī)律，培養(yǎng)材料新技術(shù)創(chuàng)新意識和能力。

3.前沿理論和技術(shù)。材料學科理論教學的知識體系和教學內(nèi)容，除了系統(tǒng)性、科學性和邏輯性之外，必須始終緊跟學科前沿，結(jié)合本學科特色，精選與本學科知識體系密切相關(guān)的學術(shù)成果，實時更新并補充到教學內(nèi)容中。例如，本學科彭超義副教授近期在《Nature Materials》上發(fā)表的關(guān)于超疏水復(fù)合材料的相關(guān)理論和技術(shù)，補充到表面物理化學基礎(chǔ)課程內(nèi)容里，既可以提高學生學習興趣，又可以拓展學生視野，培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維能力和創(chuàng)新自信。

二、虛擬仿真教學

虛擬實驗室的概念是1989年由美國弗吉尼亞大學William Wolf提出的，是除理論與實驗之外的第3種設(shè)計手段和形式，是基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)所生成的虛擬仿真環(huán)境實驗室，該環(huán)境雖然是虛擬環(huán)境，但具備逼真的視、聽和觸覺，就像熱門游戲界面，用戶能夠與虛擬實驗室中的虛擬空間、儀器設(shè)備、材料工裝等交互，從而在虛擬仿真環(huán)境中完成實驗設(shè)計、操作、驗證、運行、測試、表征和評估等實驗環(huán)節(jié)，達到實驗教學目的。虛擬仿真教學的突出特點是：（1）無時空限制，機動靈活；（2）教學成本低，節(jié)能高效；（3）非真實接觸，安全可靠；（4）體驗式教學，直觀自主；（5）“教—學—做”一體，教學效果好。缺點是某些環(huán)節(jié)缺乏真實感，操作過于機械，有待于虛擬仿真技術(shù)的進一步提高[4，5]。

我國于2013年正式啟動國家級虛擬仿真實驗教學中心的建設(shè)，許多高校根據(jù)自身科研和教學的需求，開發(fā)虛擬仿真實驗項目和建立虛擬實驗室，例如清華大學、上海交通大學和國防科技大學等通過建設(shè)虛擬仿真實驗教學中心，推進實驗教學信息化，提高實驗教學的教學效果。對于高危（放射性、易污染等）、高成本（長周期以及高消耗型）、極端條件（高溫、高壓）實驗，虛擬仿真教學可以達到接近現(xiàn)場實體實驗的效果，并可無限制、無污染、無浪費、安全高效地重復(fù)操作，節(jié)約教學資源，實現(xiàn)綠色實驗教學[6]。

材料科學是一門實驗性很強的學科，實驗教學是培養(yǎng)材料學科高素質(zhì)人才的重要實踐性環(huán)節(jié)。有些實驗設(shè)備，由于成本和場地的限制，多數(shù)高校不具備，例如航空航天復(fù)合材料構(gòu)件成型的熱壓罐設(shè)備及其工藝條件。采用虛擬實驗室卻可實現(xiàn)仿真實驗教學，不僅如此，還可以同時進行成型過程中的熱力耦合仿真模擬分析，了解熱壓罐成型過程中的熱力學行為變化規(guī)律。

虛擬仿真教學作為傳統(tǒng)實驗教學的補充，已成為實驗教學的重要組成部分，實現(xiàn)了理論教學到實驗教學之間的可視化過渡，將來勢必在工業(yè)仿真、軍事模擬、城市規(guī)劃、三維游戲、教育教學等領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。

三、綜合實驗教學

實驗教學是教學活動中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[7]，如果說理論教學是抽象思維、邏輯思維和科學思維的培養(yǎng)，那么實驗教學則是感性認知、實踐驗證和檢驗理論的重要途徑，這對培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力和解決實際問題能力具有重要意義。材料科學與工程的綜合實驗教學可以分為三個層次：基礎(chǔ)認知實驗、專業(yè)基礎(chǔ)實驗和專業(yè)綜合設(shè)計實驗[8，9]。

基礎(chǔ)認知實驗?zāi)康氖亲寣W生掌握基本工具、常見儀器儀表的使用及基本操作技能的訓練，使學生對工程實際建立一種初步的感性認識，對本專業(yè)的領(lǐng)域、范圍、社會分工等有初步的了解，學會自主學習和運用實驗方法，為今后學習打好基礎(chǔ)。典型的實驗如大學化學、有機無機化學、分析化學及物理化學實驗中的基本操作和金工實習中的工藝實驗。

專業(yè)基礎(chǔ)實驗?zāi)康氖鞘箤W生通過獨立實驗操作和各種能力訓練，掌握材料制備、加工、表征及性能測試的基本實驗方法和現(xiàn)代分析技術(shù)原理。典型的實驗如化學合成（如精細化工）、材料制備與加工（如復(fù)合材料成型、金屬材料機械加工）、材料性能測試與表征（如力學性能測試）、材料結(jié)構(gòu)表征與分析（如SEM分析）等實驗。

專業(yè)綜合設(shè)計實驗?zāi)康氖桥囵B(yǎng)學生設(shè)計和研究能力，做到學以致用。內(nèi)容以設(shè)計性和研究性實驗為主，指導學生選擇合適的原材料、優(yōu)化制備工藝和確定檢測分析方法，自選題目、設(shè)計實驗方案、選擇實驗儀器、完成實驗操作，獨立完成整個實驗設(shè)計，加強學生對原始數(shù)據(jù)分析處理、歸納總結(jié)的能力。典型的實驗如復(fù)合材料成型綜合設(shè)計實驗，讓學生分工協(xié)作，分別完成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計、原材料選擇與分析、模具設(shè)計與制備、成型工藝選擇與工藝方案設(shè)計、復(fù)合材料的制備、復(fù)合材料性能測試與分析等實驗步驟，從而實現(xiàn)一個閉環(huán)的綜合設(shè)計實驗。

實驗教學是理論與實踐、知識與能力相結(jié)合的重要教學活動，目的是培養(yǎng)出知行合一的人才。

四、實踐教學

實踐教學是培養(yǎng)學生解決實際工程問題、提高就業(yè)和職業(yè)資格的重要教學環(huán)節(jié)。國內(nèi)外高校歷來重視實踐教學，產(chǎn)學研合作、科研訓練、科研競賽、創(chuàng)新比賽、企業(yè)實習、SRTP（Student Research Training Program）項目和創(chuàng)業(yè)平臺等實踐教學方式蓬勃發(fā)展。這些實踐教學方式可歸納為三大類：工程應(yīng)用實踐、科研創(chuàng)新實踐和創(chuàng)業(yè)實踐[8，9]。

工程應(yīng)用實踐是指依托各類產(chǎn)學研平臺、工程中心、實習基地等，培養(yǎng)解決工程實際問題的能力，提升工程技能和素養(yǎng)。例如通過工藝改造優(yōu)化項目、科技發(fā)明與制作、自主研發(fā)項目、橫向課題開發(fā)、企業(yè)實習等形式進行工程應(yīng)用實踐教學，與企業(yè)產(chǎn)學研合作，依托產(chǎn)學研平臺，聯(lián)合培養(yǎng)高素質(zhì)技術(shù)應(yīng)用型人才。

科研創(chuàng)新實踐是綜合實驗教學的進一步發(fā)展模式，針對某一領(lǐng)域某實際問題，自選題目并通過文獻調(diào)研了解國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，明確選題依據(jù)和意義，提煉創(chuàng)新點，設(shè)計研究技術(shù)路線和技術(shù)方案，搭建實驗平臺或利用現(xiàn)有平臺的儀器設(shè)備，優(yōu)選原材料，自主開展研究和技術(shù)攻關(guān)，總結(jié)和撰寫技術(shù)報告或?qū)W術(shù)論文，發(fā)表交流，直至完成一項科研創(chuàng)新實踐。典型的方式如科研訓練、科研競賽（如挑戰(zhàn)杯）、畢業(yè)設(shè)計等，通過一個完整的科研實踐過程，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題和解決問題的能力，掌握信息調(diào)研、科技查新、技術(shù)攻關(guān)、研究總結(jié)、學術(shù)交流等創(chuàng)新技能，進而提高學生創(chuàng)新能力[10]。

創(chuàng)業(yè)實踐教學，顧名思義，高校通過推出創(chuàng)業(yè)項目，鼓勵學生進行創(chuàng)業(yè)實踐，是近年來比較熱門的實踐教學方式。

五、結(jié)語

“論擬驗踐”四面體教學模式，將理論教學、虛擬仿真教學、實驗教學和實踐教學融合為一個整體，這對加強學生對理論知識的理解，提高學生的動手操作能力和利用理論知識解決實際問題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識、科學意識和探索精神，提高學生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力具有重要意義。為學生今后走向社會、服務(wù)社會，充分發(fā)揮自身價值奠定良好基礎(chǔ)。

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