杨金水 尹昌平 邢素丽

摘要：本文结合材料科学与工程专业教学的实践，探讨了以理论教学、虚拟仿真教学、综合实验教学和实践教学等四要素为基本单元的“论拟验践”四面体教学模式，对材料科学与工程专业教学和创新能力培养模式进行了思考和探索。

关键词：材料科学与工程；教学模式；论拟验践

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）47-0127-03

“论拟验践”四面体教学模式：“论”即理论教学；“拟”即虚拟仿真教学，利用虚拟实验室在有限的课堂授课时间和实验条件下建立基础理论与实践的关系，加深学生对理论知识的理解；“验”即综合实验教学，例如通过综合实验设计完成材料教学六个基本单元“观察材料行为-材料行为模型化-结构单元分析-结构分析-结构设计-构件制造”的闭环教学实践；“践”即实践教学，例如利用科研项目、研究竞赛、企业合作等机会和案例，在综合实验基础上，进行科研训练和实践教学。“论拟验践”的四面体关系如图1所示。

“论拟验践”四个方面的教学，既是一个“四面体”的关系，又是层层递进的关系。理论教学和实践教学之间，有实验教学作为过渡，实验教学有虚拟和综合相互补充，构成一个整体，从而有助于提高学生的综合能力。笔者长期从事复合材料专业教学工作，对“论拟验践”四面体教学模式的探索和实践，有些微体会。

一、理论教学

理论教学通常以课堂讲授为主，重点和核心是知识体系和教学内容。构建知识框架，优化教学内容，体现材料科学的核心和科学逻辑，教学知识模块应综合考虑以下几点：

1.材料科学与工程四要素的内在联系。材料科学与工程的四要素[1]分别是组成、制备、结构、性能。组成包括原子、分子、配比、组份等；制备工艺有固相法、液相法和气相法，也可分为化学法和物理法；结构分为微观结构和宏观结构，而宏观结构取决于微观结构，微观结构包括原子的排列方式，理想的完整结构、不完整结构、原子和分子的运动、材料的变形和回复、再结晶等；性能包括本征性能和使用性能。四要素中制备工艺取决于组成成分，组成和制备决定组织结构，而性能取决于组成、制备和结构，基本关系可用四面体结构进行描述如图2所示。

构建理论教学知识框架，精选和优化教学内容，遵循的基本原则即是材料科学与工程四要素的内在联系。以材料科学基础课程为例，以材料成分—组织结构—制备工艺—性能之间的关系作为主线，提炼出材料的共性规律（如相变规律），并辅以包括晶体结构、晶体缺陷、金属凝固、二元和三元合金相图、金属材料中的塑性变性与断裂、回复与再结晶、扩散、金属固态相变等的相关内容[2]，适当地增加与课程内容相关的材料实例来进一步阐明材料的成分、组织结构、制备工艺和性能之间的内在联系，增强学生的理解能力[3]。

2.“热—力—界面—老化”科学问题。材料科学与工程的基本科学问题，总结起来无外乎“热、力、界面、老化”等四个方面的科学问题。构建理论教学知识框架，精选和优化教学内容，以四要素为主线，重点阐明“热-力-界面-老化”科学问题、科学规律和科学本质。培养学生综合应用热学知识、力学知识、界面物理化学知识和老化理论知识分析材料科学与工程的科学规律，揭示材料学规律，培养材料新技术创新意识和能力。

3.前沿理论和技术。材料学科理论教学的知识体系和教学内容，除了系统性、科学性和逻辑性之外，必须始终紧跟学科前沿，结合本学科特色，精选与本学科知识体系密切相关的学术成果，实时更新并补充到教学内容中。例如，本学科彭超义副教授近期在《Nature Materials》上发表的关于超疏水复合材料的相关理论和技术，补充到表面物理化学基础课程内容里，既可以提高学生学习兴趣，又可以拓展学生视野，培养学生创新思维能力和创新自信。

二、虚拟仿真教学

虚拟实验室的概念是1989年由美国弗吉尼亚大学William Wolf提出的，是除理论与实验之外的第3种设计手段和形式，是基于虚拟现实技术所生成的虚拟仿真环境实验室，该环境虽然是虚拟环境，但具备逼真的視、听和触觉，就像热门游戏界面，用户能够与虚拟实验室中的虚拟空间、仪器设备、材料工装等交互，从而在虚拟仿真环境中完成实验设计、操作、验证、运行、测试、表征和评估等实验环节，达到实验教学目的。虚拟仿真教学的突出特点是：（1）无时空限制，机动灵活；（2）教学成本低，节能高效；（3）非真实接触，安全可靠；（4）体验式教学，直观自主；（5）“教—学—做”一体，教学效果好。缺点是某些环节缺乏真实感，操作过于机械，有待于虚拟仿真技术的进一步提高[4，5]。

我国于2013年正式启动国家级虚拟仿真实验教学中心的建设，许多高校根据自身科研和教学的需求，开发虚拟仿真实验项目和建立虚拟实验室，例如清华大学、上海交通大学和国防科技大学等通过建设虚拟仿真实验教学中心，推进实验教学信息化，提高实验教学的教学效果。对于高危（放射性、易污染等）、高成本（长周期以及高消耗型）、极端条件（高温、高压）实验，虚拟仿真教学可以达到接近现场实体实验的效果，并可无限制、无污染、无浪费、安全高效地重复操作，节约教学资源，实现绿色实验教学[6]。

材料科学是一门实验性很强的学科，实验教学是培养材料学科高素质人才的重要实践性环节。有些实验设备，由于成本和场地的限制，多数高校不具备，例如航空航天复合材料构件成型的热压罐设备及其工艺条件。采用虚拟实验室却可实现仿真实验教学，不仅如此，还可以同时进行成型过程中的热力耦合仿真模拟分析，了解热压罐成型过程中的热力学行为变化规律。

虚拟仿真教学作为传统实验教学的补充，已成为实验教学的重要组成部分，实现了理论教学到实验教学之间的可视化过渡，将来势必在工业仿真、军事模拟、城市规划、三维游戏、教育教学等领域得到更加广泛的应用和发展。

三、综合实验教学

实验教学是教学活动中的关键环节之一[7]，如果说理论教学是抽象思维、逻辑思维和科学思维的培养，那么实验教学则是感性认知、实践验证和检验理论的重要途径，这对培养学生的实践创新能力和解决实际问题能力具有重要意义。材料科学与工程的综合实验教学可以分為三个层次：基础认知实验、专业基础实验和专业综合设计实验[8，9]。

基础认知实验目的是让学生掌握基本工具、常见仪器仪表的使用及基本操作技能的训练，使学生对工程实际建立一种初步的感性认识，对本专业的领域、范围、社会分工等有初步的了解，学会自主学习和运用实验方法，为今后学习打好基础。典型的实验如大学化学、有机无机化学、分析化学及物理化学实验中的基本操作和金工实习中的工艺实验。

专业基础实验目的是使学生通过独立实验操作和各种能力训练，掌握材料制备、加工、表征及性能测试的基本实验方法和现代分析技术原理。典型的实验如化学合成（如精细化工）、材料制备与加工（如复合材料成型、金属材料机械加工）、材料性能测试与表征（如力学性能测试）、材料结构表征与分析（如SEM分析）等实验。

专业综合设计实验目的是培养学生设计和研究能力，做到学以致用。内容以设计性和研究性实验为主，指导学生选择合适的原材料、优化制备工艺和确定检测分析方法，自选题目、设计实验方案、选择实验仪器、完成实验操作，独立完成整个实验设计，加强学生对原始数据分析处理、归纳总结的能力。典型的实验如复合材料成型综合设计实验，让学生分工协作，分别完成复合材料结构设计、原材料选择与分析、模具设计与制备、成型工艺选择与工艺方案设计、复合材料的制备、复合材料性能测试与分析等实验步骤，从而实现一个闭环的综合设计实验。

实验教学是理论与实践、知识与能力相结合的重要教学活动，目的是培养出知行合一的人才。

四、实践教学

实践教学是培养学生解决实际工程问题、提高就业和职业资格的重要教学环节。国内外高校历来重视实践教学，产学研合作、科研训练、科研竞赛、创新比赛、企业实习、SRTP（Student Research Training Program）项目和创业平台等实践教学方式蓬勃发展。这些实践教学方式可归纳为三大类：工程应用实践、科研创新实践和创业实践[8，9]。

工程应用实践是指依托各类产学研平台、工程中心、实习基地等，培养解决工程实际问题的能力，提升工程技能和素养。例如通过工艺改造优化项目、科技发明与制作、自主研发项目、横向课题开发、企业实习等形式进行工程应用实践教学，与企业产学研合作，依托产学研平台，联合培养高素质技术应用型人才。

科研创新实践是综合实验教学的进一步发展模式，针对某一领域某实际问题，自选题目并通过文献调研了解国内外研究现状，明确选题依据和意义，提炼创新点，设计研究技术路线和技术方案，搭建实验平台或利用现有平台的仪器设备，优选原材料，自主开展研究和技术攻关，总结和撰写技术报告或学术论文，发表交流，直至完成一项科研创新实践。典型的方式如科研训练、科研竞赛（如挑战杯）、毕业设计等，通过一个完整的科研实践过程，培养学生发现问题、提出问题和解决问题的能力，掌握信息调研、科技查新、技术攻关、研究总结、学术交流等创新技能，进而提高学生创新能力[10]。

创业实践教学，顾名思义，高校通过推出创业项目，鼓励学生进行创业实践，是近年来比较热门的实践教学方式。

五、结语

“论拟验践”四面体教学模式，将理论教学、虚拟仿真教学、实验教学和实践教学融合为一个整体，这对加强学生对理论知识的理解，提高学生的动手操作能力和利用理论知识解决实际问题的能力，培养创新意识、科学意识和探索精神，提高学生综合素质和创新能力具有重要意义。为学生今后走向社会、服务社会，充分发挥自身价值奠定良好基础。

参考文献：

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[3]王香，佟运祥，周惠敏，李新林，孙志洁.“材料科学基础”课程教学内容优化和教学方法的探讨[J].教育教学论坛，2016，（38）：172-173.

[4]高圆，席生岐，孙巧艳，郑巧玲，高义民.虚拟仿真技术在材料实验教学中的应用探讨[J].中国现代教育装备，2016，（237）：94-98.

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[7]吕东莉，张涛.虚拟仿真技术在材控专业综合实验中的应用[J].教育教学论坛，2015，46：226-227.

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[9]陈前赫.材料科学与工程专业立体实践教学改革研究[J].高师理科学刊，2016，36（3）：90-92.

[10]陈松，朱德贵，楚龙晟.材料科学与工程专业学生实践教学质量改善途径探讨[J].中国现代教育装备，2016，（243）：60-63.