黄雪飞　叶金文　王文武　冯庆芬　严群

［摘 要］金相样品的制备及金相组织观察是材料科学与工程专业本科生必备的基本实验技能。组织全校大学生金相技能大赛、带队参加国家级及省级大学生金相技能大赛，能够促进实验教学同行的交流与学习。课题组以金相技能大赛为引领，对材料科学基础实验课程进行教学改革，因材施教，探索出了材料科学基础实验课程教学的新方法，显著提高了学生的动手能力、探索能力，激发了学生学习材料科学的热情，培养了学生精益求精、追求卓越的工匠精神和在科学研究中勇于克服困难与挫折的意志。同时，也促进了任课教师对材料类实验教学的反思与改进，优化了实验课程设置，促进了课堂知识与工程实践的结合，实现了“以赛促教、以赛促学”的良好效果。

［关键词］金相技能；实验教学；金相技能大赛；材料科学基础；教学改革

［中图分类号］ G642.423 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）20-0033-03

材料科学是研究材料的成分、工艺、组织、性能之间相互联系的科学[1]。其中，材料的显微组织是材料科学研究的核心，对材料制备工艺的控制和性能的调控都需要以材料的显微组织为依据。对材料不同尺度显微组织的表征一般需要使用金相（光学）显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜或其他显微分析仪器，其中金相组织观察是研究材料显微结构特征的最基本的表征手段，对材料更深入细致的显微组织的观察往往都以金相组织为参考。因此，金相样品的制备及金相组织观察是金属材料工程专业乃至材料科学与工程专业学生必备的基本实验技能，金相样品的制备和金相显微镜的使用是全国大多数材料类专业本科生必修的基本实验项目之一。为了提高材料类专业本科生的金相样品制备及金相组织鉴别能力、培养大学生的工匠精神，在2012年，清华大学、北京科技大学等全国知名院校联合发起了全国大学生金相技能大赛。2015年8月，教育部高等学校材料类专业教学指导委员会正式发文，决定作为全国大学生金相技能大赛的主办单位对大赛的组织工作进行具体指导。全国大学生金相技能大赛得到了教育部的认可，并于近年来成功跻身全国普通高校学科竞赛排行榜内的竞赛项目[2]。

四川大学（以下简称我校）从第三届全国大学生金相技能大赛开始组队参赛，此后每一届大赛均未缺席，并以组织、带队参加金相技能大赛为契机，持续对我校材料科学与工程专业的实验教学进行改革，探索出了一条有特色的材料科学与工程专业实验教学之路。本文拟介绍我校以金相技能大赛为引领开展的实验教学改革思路和举措，以及由此产生的对实验教学的作用及对大学生综合素质培养的影响。

一、金相实验教学的现状

在我校的课程设置中，金相样品的制备及金相组织观察实验一般安排在原金属材料工程专业材料科学基础课带实验中，每一届参与实验的专业人数在70人左右。从2018年开始，为顺应国家新工科的发展要求，我校对本科专业进行改革，将原有的金属材料工程、材料物理、材料化学、无机非金属材料工程专业合并为材料科学与工程专业；在专业改革和合并后，金相样品的制备及金相组织观察实验安排在专门的实验课程——材料科学与工程专业实验-1中。由于每届参与实验的学生人数较多，而实验学时安排较少，学生在实验过程中对金相制样技能和金相组织的认识难以达到较高的水准。同时，现有的课程教学中仅讲授了金相技术相关的内容，没有将金相组织与材料科学基础的课堂知识有机联系起来，存在一定的脱节现象。而且，课堂中没有引入工程案例，导致学生对金相样品制备技术在工业生产和科学研究中的重要性认识还不够充分。此外，实验课程教师并不是金相技能大赛指导教师，这导致学生对金相技能比赛的理解面不足、重要性认识不充分，这也间接导致我校金相技能比赛的参与度不高，参加全国比赛的成绩不够理想。同时，我校机械工程学院材料成型及控制工程专业、空天科学与工程学院相关专业课程也涉及金相组织观察及鉴别的相关知识和理论，但缺少系统的课程支撑，这也限制了这些专业学生對金相相关知识和技能的了解和掌握。

二、金相实验教学的改革举措

基于我校金相实验教学的现状和存在的问题，近年来，我校以全国大学生金相技能大赛为契机，持续对材料科学专业基础实验课程进行改革，特别注重从课堂教学内容、课程—赛训结合、教师团队组建等方面进行改革，主要改革举措如下。

（一）改进实验课教学形式，增强课堂知识教学的基础性和拓展性

金属材料学涉及的课程知识面广，包括材料科学基础、金属材料学、金属材料相变及热处理、材料力学性能以及相关联的技能实验等。根据金相技能大赛的要求和多次比赛的经验，教师们认识到金相技能比赛不仅可以考查学生的实验技能，也要求学生有深入扎实的理论知识，因此须加强基础知识和实验技能教学，使学生明白实验技能训练是获得材料相关知识的重要途径。在教学中应使学生清晰认识到实验的目的和要解决的问题是什么，即为什么要做和怎么做。在材料科学与工程专业实验中，将金相样品的制备、金相组织的观察、Fe?C二元合金的平衡组织观察、金属的变形与再结晶组织观察、合金凝固与铸锭组织观察等与金相组织观察及辨识密切相关的实验项目有机结合，使学生更充分认识到金相样品的制备及金相组织观察的重要意义。

（二）引入材料金相实验相关的国家标准和应用的教学

金相技能实验不仅需要动手操作能力，还要求有一定的规范性和标准性。因此，学生不仅要深入理解材料专业的基础知识和基本理论，还应明晰工程实际中应遵守的国家标准和规范。实验技能及规范要求在传统教学中是缺位的，我校以组织参加金相技能大赛为契机，在课堂上讲解如《金相学术语》（GB/T 30067—2013）《金属显微组织检验方法》（GB/T 13298—2015）《钢的游离渗碳体、珠光体和魏氏组织的评定方法》（GB/T 13299—2022）等相关的国家标准，并结合这些国家标准在行业的应用案例讲解来达到实验技能规范性教学目标，使工程类的学生能够更深入理解金相技能相关规范及其在工业中的应用。

（三）基础性实验教学与个性化教学相结合

在基础性、大众化教学的基础上，组建专门的金相技能比赛训练队伍，通过对参赛的初选人员进行专门的个性化训练和指导，使有兴趣有能力参赛的学生的材料类专业知识水平、实验技能水平、标准化意识水平得到进一步提高。对于金相技能特别优秀的学生，可以引导其参与先进金属结构材料相关研究领域教师的科研项目、将金相技能充分应用于科学研究中，激发他们的研究兴趣和创新意识。通过因材施教、个性化培养，能够显著提升参赛学生对金属材料专业的研究兴趣，很多参加金相技能大赛的学生在大四期间被免试推荐攻读研究生，继续选择金属材料相关的专业方向进行深造。

（四）加深学生对金相技能的认识，夯实学生的基本功

我校通过组织和参与金相技能大赛，借助金相研究协会在学生中进行赛前宣讲，并在金相课堂及实验教学中讲解大赛的流程和制样标准，使学生清楚地认识到所学知识的有用性和实验遵循的标准性，提高他们对金相技能及相关材料理论的认识和参与实验的主动性。通过校赛和省赛，提高了学生对金相技能的认知度和参与度，也使学生在实验中更加认真，在训练中更加刻苦和规范，对技能的掌握更加扎实稳定，培养了勤学苦练、追求卓越、精益求精的工匠精神，练就了扎实的基本功。

（五）组建固定的指导教师团队，加强专业交流与沟通

我校机械工程学院、空天科学与工程学院相关专业课程中也涉及金相组织的观察及鉴别的相关知识。通过组建金相技能大赛集训队伍和指导教师团队、联合举办校内选拔赛、共同带队参加省赛和国赛等方式，不同专业的教师之间的交流和切磋得以加强，金相样品的制备和组织观察的经验更加丰富，形成了稳定的金相参赛队伍的指导机制。

三、实验教学改革的效果与思考

通过以上改革举措，教师以培养学生的工匠精神、科研探索與创新能力、工程实践能力为目标和着眼点，稳步提高参赛学生的水平，积极提升实验课程的教学质量，取得了良好的参赛和教学成绩。

（一）激发了学生参与实验课程的兴趣与探索精神

通过组织和参与金相技能大赛，提升了学生对材料显微组织观察与研究的兴趣，也提升了材料科学与工程专业实验的课堂参与度与活跃度。特别是学生通过动手实验，亲自揭示材料的显微组织特征如铁素体、珠光体、晶粒、位错、树枝晶、夹杂物等后，真切感受到了理论课堂中的范式和概念，加深了对专业基础的认识，对金属材料的研究产生了浓厚的兴趣。特别是实验选用的样品并非完全是理想样品，甚至包括一些随机的工程用零部件样品，制样过程中也会存在各种缺陷，这些缺陷对现象的影响能够促使学生去不断思考，追根溯源，不断分析实验过程对制样效果的影响，推测材料的制备工艺等，锻炼学生独立思考的能力，并为以后的研究生生涯打下坚实的基础。同时，这也在一定程度上培养了学生在材料专业工程应用中的失效分析技能。

（二）培养了学生的工程实践意识和工匠精神

相对于以往实验课程中仅强调对学生金相组织的基础知识和制样技能方面的培养，实验改革引入了金相样品制备及金相组织鉴别相关国家标准的讲解，建立了金相组织的相关知识与生产实践的有机联系，使学生意识到所学知识的有用性。同时，在实验过程中培养了学生精益求精、追求卓越、不怕困难与吃苦的精神。众所周知，制备金相样品涉及预磨、抛光、腐蚀和金相显微镜的观察等多个环节，如果上一环节准备不充分，必然会对下一环节产生负面影响。因此，金相样品的制备流程是环环相扣的。这使得学生在倒角的准备、不同号码砂纸的切换、抛光膏的涂抹、腐蚀的时间及腐蚀液浓度等方面都特别小心，积累了熟练控制样品组织的经验，最终制备的金相样品质量、成功率都有了显著的提高，这极大锻炼了学生的抗挫折能力和坚韧不拔的意志。同时，金相技能比赛强调实验操作过程的规范性和实验后设备的归位及场地的清理，培养了学生的责任意识。

（三）形成了稳定的指导教师团队，提高了实验课堂教学质量

我校组建了金相技能大赛指导教师团队和学生集训队，队伍中新老结合，既促进了金相相关知识和指导经验的传承，也加强了不同学院、不同背景教师之间在金相领域的相互交流和切磋，丰富了教师的教学经验，使得实验课程教学相对以往在课程的参与度、活跃度等方面都有了显著提升。同时，以金相显微组织知识为依托，提高了其他相关实验项目甚至是整个实验课程的教学质量，使学生的获得感、参与度更高，为打造材料科学与工程专业实验课程“金课”打下了良好的基础。

四、结语

全国大学生金相技能大赛对促进材料类专业本科生基础知识和基本技能水平的提升具有重要的意义。参与金相技能大赛不仅是对基础实验学科的传承，也是培养学生探索和创新精神的重要途径。我校以全国大学生金相技能大赛为契机，在实验课程设置、课程内容、教师队伍交流及大赛准备等方面开展了多项改革举措，在有限的实验教学学时下充分发挥了金相知识和技能教学的育人作用，使学生在规则意识、责任意识、专业基础知识、工匠精神、意志品格等方面都得到了很好的锻炼和提高。未来，随着教育部新工科教育的实施和推广[3-5]，金相实验课程教学的实施也应进一步考虑与新科技革命的融合，思考金相组织知识在材料科学与工程专业和其他专业学科的交叉作用。材料科学与工程专业实验课程的内容和形式改革应随着国际、国内科技变革及工业发展形势的变化而变化。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 教育部高等学校教学指导委员会.普通高等学校本科专业类教学质量国家标准：上[M].北京：高等教育出版社，2018.

[2] 中国高等教育学会发布“学科竞赛排行榜”和“教师教学竞赛分析报告”[J].中国高教研究，2020（3）：111.

[3] 钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[4] 金东寒.深化拓展新工科建设 培养新时代卓越工程师[J].中国高等教育，2022（12）：12-14.

[5] 吴岩.勇立潮头，赋能未来：以新工科建设领跑高等教育变革[J].高等工程教育研究，2020（2）：1-5.

［责任编辑：周侯辰］