冯 婷，赵婧鑫，薛彦鹏，张 颖

（北京科技大学a.冶金工程国家级实验教学示范中心；b.国家材料服役安全科学中心，北京 100083）

0 引言

随着我国进入新发展阶段，创新作为主要新发展理念，关键核心技术成为发展制约因素。为推动“中国制造”到“中国创造”的转型升级，提高专业人才培养质量，高校的实验教学作为实践育人的主体组成部分，承担着举足轻重的作用［1-2］。高校实验教学应以国家战略需求和科技发展需要为导向，坚持以学生为中心，鼓励学生主动发现问题、深入思考问题、大胆提出设想，充分发挥学生的创造力和想象力［3-5］；强化科研育人功能，积极探索实验教学新理念、新方法、新内容，充分激发学生的主观能动性，提高学生解决实际问题能力与科研创新能力［6-8］，助力科技创新领军人才培养建设。

冶金工程专业作为我校的优势特色学科，在“新工科”建设背景下更加注重更新教学理念，改革教学模式，注重科研实践，强化对学生综合素质、创新意识与科研能力的培养。在“一流学科”建设过程中，冶金工程专业依托冶金工程国家级实验教学示范中心平台，为本科生开设“冶金工程实验技术”专业必修课程，目的在于培养实践能力强，具有创新精神和实践能力，适应社会、经济和科学技术发展需要的高水平研究型创新人才［9］。然而，传统的实验教学模式以验证性实验为主，分为14 个相对独立、分散的实验项目，缺乏“以学生为中心”的统筹连贯性培养规划；并且主要的授课模式是教师课前发放实验讲义，学生进入实验室后在教师指导下开始固定方案的实验教学，无法有效达到激发学生兴趣、锻炼学生科研思维的培养目标［10-12］。结合学校深入推进“双一流”建设、深化教育教学改革目标，加强学生科学思维方法训练，以教师为主的传统实验授课方式亟待创新改革，应当以学生为主体，基于冶金工程专业一流学科特色优势，把研究性教学理念融入本专业学科实验教学过程，激发学生科研兴趣，强化学生能力培养，培育一流学生。现以“钢样表面的耐腐蚀性能研究”研究性实验项目为例，依托冶金专业特色，将专业领域前沿研究内容融入实验教学，优化整合实验项目，探索研究性实验教学模式，从课程理念、内容、方法几个方面进行教学课程改革探索，使学生了解本学科的研究热点，熟悉专业常用研究方法，掌握相关分析测试技术的工作原理与操作方法，有效提高学生自主科研、创新实践的能力。

1 实验项目设计理念

在高校的本科实验教学过程中，应注重激发学生的学习兴趣和求知欲，致力于提高学生的科研创新能力与实践动手能力［13］，以此为培养目的探索实验教学改革模式。现有的《冶金工程实验技术》专业必修课由14 个独立的实验项目组成，多数实验的教学模式是验证性实验，即教师充分做好实验之前的准备工作，并为学生讲解清楚理论、步骤以及实验现象，学生听完后按照实验讲义以及教师所讲述实验步骤进行操作。这种教学模式会限制、束缚学生的手脚，使得学生思维僵化，在这个过程中学生是被动的操作者，难以调动学生的实验积极性和对实验的主动思考。从实验评价考核方式角度，学生未认真完成14 份独立实验报告的撰写，能够真正做到从实验数据中找出问题并分析问题的学生屈指可数，多数都是按部就班地完成实验目的、实验步骤、实验结果等内容。因此，学生往往只是单纯机械地完成某一项实验及其实验报告，无法理解和掌握实验课程的真正目的与内容，无法系统地了解所做实验项目间的相互联系与规律；更加无法激发学生主动思考与参与科学研究的热情。

为更好满足当前学校“双一流”人才培养的需要，基于现有专业特点和实验项目条件，融合专业前沿领域的科研技术优势，探索以学生为主体的研究性实验教学模式。以“钢样表面的耐腐蚀性能研究”实验项目为例，钢铁材料的腐蚀防护作为冶金专业的一个主要研究方向，相应的表征分析技术是冶金专业本科生的实验教学重点，腐蚀材料的常规评价方法为电化学行为研究和表面表征分析。该实验项目把专业教师的科学研究成果融入实验教学，优化整合冶金电化学综合实验项目和光电子能谱表面分析实验项目，引导学生以问题为导向，通过课前文献调研、课中实验方案选择、课后实验结果分析等方式综合评价钢铁材料的耐腐蚀性能。着力培养学生的分析问题、解决问题能力，打破实验教学和科学研究的壁垒，有利于提升高年级本科生的科研创新能力。

2 研究性实验教学内容设计

2.1 设立课程研究任务

为有效指导研究性实验开展，编制实验项目指导书，并准备相关文献资料，于课前发放于学生。选取常用钢铁材料碳钢和经表面处理后的不锈钢作为未知的实验对象，并提前做好样品镶嵌工作，作为教学实验用电极样品；同时制备平行样品作为表面分析研究对象，均以实验教学样品1#、2#命名。实验课前布置课程任务：通过不同的实验技术手段分析研究不同钢样的耐腐蚀性能，并由此判定两种钢的性质。学生明确实验任务后，在实验前通过预习实验讲义、查阅相关文献熟悉实验目的和仪器操作，讨论制定可行实验方案。在这个过程中，学生由被动的知识接受者变为主动的资料搜集与探究者，在预习必备知识和寻找解决方案的过程中，有效提高主动思考的能力，为培养其科研能力创造条件。

腐蚀评价常用的电化学分析方法是一种传统公认的快速、灵敏、准确的微量和痕量分析方法，在冶金工程学科中发展成熟，具有举足轻重的作用。传统的方法固然重要，然而现在科学技术发展日新月异，随着冶金工程学科的发展，研究水平不断提高，学生对学科前沿领域的知识需求也越来越高，学生在学校不仅学习经典的基础理论，更应该汲取新的知识营养，了解学科最新的发展动向。因此，引入现代科学技术和先进实验方法在专业实验教学中的应用就显得尤为重要。

冶金工程学科作为优势特色学科，拥有大量先进大型仪器设备，X射线光电子能谱仪则是其中之一，作为一种无损检测技术，它利用X 射线激发样品表面元素的内层能级电子信号，通过电子能谱仪检测光电子的动能及强度，进而确定元素的种类及价态等信息。主要用于研究材料表面的元素及元素不同价态组成。在“钢样表面的耐腐蚀性能研究”实验项目过程中引入专业前沿科研精密设备，可以使学生在原有电化学评价材料耐腐蚀性能的认知基础上，再从材料元素组成的微观角度分析实验对象耐腐蚀性能的优劣机制，使学生对钢铁表面耐腐蚀层具有更深刻、直观的认知。在实验教学过程中激发本科生对专业前沿技术的学习兴趣，开拓专业视野，既能让学生掌握电化学测试的基础知识，又能帮助学生建立科研探究型思维方式，深入分析实验现象与本质的关系。可在实现研究性实验教学模式的同时，培养本科生提前树立科研创新思维，有助于“冶金+”新工科学科体系人才培养建设。

2.2 电化学测试表征

实验教学过程中，学生以3～5 人自由分组，首先对试样进行传统的电化学测试，包括开路电位测试、极化曲线实验。电化学实验采用三电极体系，以实验钢样为工作电极，参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂电极，0.05 mol/L 的NaHSO4溶液为电解液。学生通过课前预习，相互讨论后自行设计、搭建实验线路，处理工作电极，设置实验参数等条件。图1 所示为2种不同钢样的极化曲线图，极化曲线中自腐蚀电位可以反映钢样的腐蚀倾向，自腐蚀电位值越高，腐蚀倾向越低；而腐蚀电流密度与腐蚀速度相关，腐蚀电流密度越小，腐蚀速度越慢，耐蚀性能越好。从极化曲线可看出，2#样品自腐蚀电位较1#样品更高，且2#样品腐蚀电流密度更低，说明2#钢样的耐腐蚀性能更好。

图1 不同钢样在0.05 mol/L硫酸氢钠溶液的极化曲线图

电化学测量体系的组建是电化学实验教学实施过程中的易错点，学生经常会遇到因三电极体系搭建错误而产生异常测试结果。教师作为引路人指出可能的问题所在，再由学生小组讨论观察、排除原因、重新测试，尝试解决所遇到的问题。在这个过程中，学生作为实验的主导者，通过在问题中主动寻找原因、总结经验，有利于对电化学基本知识点更直观、形象的理解和掌握，有效提高学生动手能力和问题解决能力。

2.3 光电子能谱表面结构表征

在电化学测试结果基础上，小组学生继续对平行组实验样品完成光电子能谱表面微观测试与分析。图2 所示为对应实验样品的光电子能谱宽谱及窄谱图，1#钢样的宽谱图［见图2（a）］显示其表面主要成分为Fe、O、C、Na、Cl 等元素，而2#钢样的宽谱图［见图2（b）］表明，该样品表面由Ni、Fe、Cr、O、C等元素组成。由于2#钢样表面有Ni、Cr 等合金元素，结合学生所学专业理论知识，可以得知2#样品是不锈钢所制钢样，而1#样品则为碳钢所制钢样，因此，不锈钢比碳钢具有更好的耐腐蚀性，与电化学的实验结果相互印证。

通过光电子能谱的宽谱图初步识别钢样表面元素之后，引导学生根据文献预习情况，将窄谱谱图结果与文献报道进行对比，进一步分析样品表面的微观结构特征。例如，1#样品的Fe 2p窄谱图显示Fe 元素的峰位位于710.9 eV，如图2（a），说明1#钢样表面的Fe元素以Fe2O3形式存在；2#样品的Ni 2p 窄谱图显示Ni元素峰位位于852.8eV，归属于Ni 的金属态，而Fe 2p、Cr 2p窄谱图显示Fe、Cr元素分别以氧化态和还原态两种形式存在。在实际教学过程中，对于学有余力并具有很高研究热情的学生，会引导他们通过专业软件进行数据分析，探索钢样的元素价态组成，进一步探究钢铁的耐腐蚀性能机理。在基础实验课程中实现分层次教学，可以解决有科研兴趣和能力的学生“吃不饱”的问题，也为其今后进行科学研究打下良好基础。

2.4 结果分析与教学评价

基于研究任务导向，学生通过查阅文献、制定实验方案、开展实验内容，得到实验结果后进行综合分析，进行钢样腐蚀性能的评判，最终完成教学实验闭环。学生在此过程中，可利用电化学技术测试钢样的腐蚀电位和电流，评价不同实验样品的耐腐蚀性能；同时通过光电子能谱技术研究钢样表面的结构组成，阐释耐腐蚀性能良好的根本原因，从宏观与微观、现象与本质方面综合评价不同钢种的性质。该教学模式有助于实现冶金专业理论和实践的融会贯通，实现教学与科研的深度融合；有利于拓宽学生思考问题的方法与深度，不断培养学生的科研信心，增加创新的好奇心，提高学生整体性思维，激发学生实验积极性和主动性。

为了提高、完善研究性实验教学质量，每次实验教学课程结束之后会及时对教学质量进行评价。学生通过考查学生预习情况——文献查阅能力、实验操作过程——动手能力、分组讨论实验结果——科研分析能力、实验报告——综合理解与表述能力等方面，综合评价学生的实验教学过程；教师通过学生评教、教师互评、专家督导评价等方法综合考评实验课程质量。最后，由实验教师进行教学复盘，对教学过程进行经验总结，并提出研究性实验教学改进方案。

3 微课模式教学，提高学生实验兴趣

微课指将相关教学内容聚焦于某个知识点或教学环节，以微视频为主要载体开展的教学过程［14］。作为一种新型的教学方式，可以支持翻转学习、混合学习、移动学习、碎片化学习等多种个性化学习方式，与传统教学方式相比，具有形象生动、直观有趣等特点，在各类教学实践中已有应用，可以有效提高学生的学习兴趣与参与度，有利于更高层次的学习活动［15-16］。在冶金专业研究性实验教学课堂中引入微课教学，可以让学生在实验课程前学习实验相关内容，有助于增加课程的趣味性和体验性，让学生更容易掌握所讲内容，从“以教师为中心”转变为“以学生为中心”，充分体现学生作为学习主体的主动性、积极性和参与性。

本课程自主设计制作部分实验内容的动画视频（见图3），并于实验课前发放给学生，可以让学生提前预习实验教学内容，掌握实验基本操作，熟悉实验设备与试剂，有利于在实验教学过程中引导学生设计实验方案，掌握实验的重点与难点。与此同时，相较于静态单一的实验讲义，课前的微课教学更加直观生动、形式有趣多样，也更容易让学生接受并印象深刻。通过微课教学，学生对实验课的参与积极性、对课堂知识点的掌握程度、对教学实验的顺利开展程度均有较大提高。

图3 微课教学制作动画视频

4 结语

依托冶金工程国家级实验教学示范中心特色优势，开展研究性实验教学，改革传统的教学方法，是提高冶金工程专业实验课教学效果的有效途径。通过引入专业教师的科研成果、结合精密大型设备的分析技术优势与专业实验教学特点，优化整合实验内容，拓展实验教学方法，将原来简单的单一实验升级为研究性实验，把专业理论知识点和相关实验内容紧密连贯，实现内容充实化、设备多元化，突出学生主体地位，为学生提供一个自主学习的平台。学生在这样的研究性综合实验中能够体会到使用截然不同的实验技术手段可以达到“殊途同归”的乐趣，能够引起学生更多的思考、更多的创新以及更大的兴趣，使学生做实验不再盲目跟从、千篇一律，有利于培养学生的独立思考和分析能力，激发主观能动性。在未来的教学实验中，将持续推进研究性实验教学项目的拓展，有效提升学生科学研究和科技创新能力，促进科研与教学互动，为培养创新型、复合型、应用型人才奠定基础。