《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程教學(xué)的實(shí)踐與探索*

任艷蓉，劉保英，王延鵬，房曉敏，徐元清，徐 浩，張文凱，丁 濤

(河南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，河南 開封 475004)

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《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程教學(xué)的實(shí)踐與探索*

任艷蓉，劉保英，王延鵬，房曉敏，徐元清，徐 浩，張文凱，丁 濤

(河南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，河南 開封 475004)

《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程是材料學(xué)專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。根據(jù)目前教學(xué)中存在的困難和問題, 結(jié)合本校材料學(xué)專業(yè)課程設(shè)置的實(shí)際情況, 本文從教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化、教學(xué)手段的綜合應(yīng)用、課后學(xué)習(xí)與課堂講解的相互輔助等方面探討了該課程教學(xué)模式。強(qiáng)調(diào)學(xué)生自覺能動地學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生對材料科學(xué)研究和探索的興趣，從而達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生綜合學(xué)習(xí)能力的目的。

材料科學(xué)基礎(chǔ)；教學(xué)改革；教學(xué)模式

《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程是材料類專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)理論課，系統(tǒng)全面地闡述了金屬材料、無機(jī)非金屬材料、高分子等不同材料的成分、結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系及其變化規(guī)律，涉及材料的固態(tài)結(jié)構(gòu)、晶體缺陷、擴(kuò)散、形變、再結(jié)晶和相圖等內(nèi)容。它既包含大量抽象的概念和定義、復(fù)雜的原理和規(guī)律，又涉及諸多工程實(shí)踐應(yīng)用，知識體系十分龐雜[1]。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中很難抓住學(xué)習(xí)的要點(diǎn)，掌握正確的學(xué)習(xí)方法。因此，學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課程的過程中積極性不高，缺乏主動思維，甚至產(chǎn)生厭學(xué)的情緒。為切實(shí)解決這些問題，提高教學(xué)質(zhì)量，必須改革教學(xué)內(nèi)容和方式、優(yōu)化教學(xué)手段，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，激發(fā)他們對材料科學(xué)研究的熱情。

1 教學(xué)中出現(xiàn)的問題[2]

《材料科學(xué)基礎(chǔ)》是本科學(xué)生由基礎(chǔ)理論課轉(zhuǎn)向?qū)I(yè)課學(xué)習(xí)過程中接觸的第一門專業(yè)基礎(chǔ)理論課，包含大量的專業(yè)知識與概念，涉及的專業(yè)知識十分廣泛，而且?guī)缀跛械恼鹿?jié)與內(nèi)容都是學(xué)習(xí)的重點(diǎn)。作為一門承上啟下的專業(yè)基礎(chǔ)理論課，這門課程學(xué)習(xí)的好壞，關(guān)系到學(xué)生在以后的專業(yè)課程學(xué)習(xí)中的理解和掌握。但是在與學(xué)生的交流過程中發(fā)現(xiàn)，不少學(xué)生認(rèn)為該課程內(nèi)容枯燥乏味，抽象的概念和原理短時間內(nèi)很難理解透徹；重點(diǎn)內(nèi)容應(yīng)接不暇，還在消化前面學(xué)習(xí)的內(nèi)容時，新的知識點(diǎn)又接踵而至，有時難免顧此失彼；在掌握知識要點(diǎn)時，只關(guān)注到具體內(nèi)容，沒有思索為什么提出這些問題又能解決什么問題，機(jī)械的學(xué)習(xí)與記憶造成許多不良后果，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，聽課走神，學(xué)習(xí)效率低下。可見，這是一門難教又難學(xué)的課程，要想提高教學(xué)效率，必須在教和學(xué)兩方面多下功夫。

2 圍繞教學(xué)目的優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容[3]

現(xiàn)有的教學(xué)內(nèi)容，從材料的微觀結(jié)構(gòu)到宏觀性質(zhì)，詳細(xì)闡述了材料的成分、結(jié)構(gòu)、相態(tài)之間的結(jié)合與變化。在有限的課時內(nèi)，既要涉及材料科學(xué)的方方面面又要保證一定的深度，難度較大?！恫牧峡茖W(xué)基礎(chǔ)》的教學(xué)旨在使學(xué)生們掌握材料科學(xué)的基本概念、基本原理和基礎(chǔ)理論知識，建立起成分、結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系的思維模式；另一方面，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，新材料、新技術(shù)、新工藝不斷涌現(xiàn)，使得傳統(tǒng)的《材料科學(xué)基礎(chǔ)》在教學(xué)內(nèi)容上出現(xiàn)許多落后和不合時宜的情況，在教學(xué)時需要對此作出適當(dāng)調(diào)整。從以上兩個方面著手優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容。

2.1 根據(jù)專業(yè)課程設(shè)置，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容

我校使用的參考教材是上海交通大學(xué)出版社出版的胡庚祥、蔡珣、戎詠華等編著的《材料科學(xué)基礎(chǔ)》。這本教材在許多章節(jié)中都設(shè)計到高分子材料。這與同期開設(shè)的《高分子化學(xué)》、《高分子物理》課程有許多重復(fù)性內(nèi)容，因此在授課時不再特別介紹高分子材料，而是在介紹三大材料的通性和區(qū)別的時候和學(xué)生一起復(fù)習(xí)討論相關(guān)內(nèi)容。

2.2 與時俱進(jìn)，增添與課程密切相關(guān)的內(nèi)容

新材料、新技術(shù)不斷發(fā)展，使一些初淺的內(nèi)容與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展不相適應(yīng)，需要補(bǔ)充。如在介紹第三章晶體缺陷時，只用少量篇幅介紹了表面及界面，而許多新材料正是在此基礎(chǔ)上建立起來的。量子點(diǎn)是一種新興的功能材料，其表面效應(yīng)突出，具有不同于一般納米材料和塊體材料的特性，表面缺陷會嚴(yán)重影響這種材料的光學(xué)性能；復(fù)合材料一直是制備高性能、多功能材料的有效手段，性能的好壞與微觀結(jié)構(gòu)中不同相態(tài)之間的界面情況息息相關(guān)?？梢姳砻婕敖缑嬖诂F(xiàn)代材料的研發(fā)過程中不容小覷。因此在講解該部分內(nèi)容時，增添了相關(guān)的理論和研究動態(tài)。

2.3 快慢結(jié)合，突出教學(xué)重點(diǎn)

《材料科學(xué)基礎(chǔ)》的內(nèi)容十分豐富，在教學(xué)前期適當(dāng)放慢速度，讓學(xué)生在剛接觸這門課程的時候，接受它不同于以往基礎(chǔ)理論課的事實(shí)，擺正態(tài)度，認(rèn)真對待這門課程。同時，給學(xué)生充足的時間掌握材料學(xué)一些基礎(chǔ)的概念和理論，為之后的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。特別是第三章晶體的缺陷對學(xué)生們來說是一種全新的理論，這部分的教學(xué)內(nèi)容承上啟下，即和固體結(jié)構(gòu)有關(guān)，又是材料產(chǎn)生變形、再結(jié)晶的理論基礎(chǔ)。弄懂學(xué)習(xí)好這部分的內(nèi)容才能更好地學(xué)習(xí)后面章節(jié)的內(nèi)容。但是在這部分內(nèi)容當(dāng)中，概念多而抽象(如刃型位錯、螺型位錯、全位錯、不全位錯等)，理論繁雜(柏氏矢量的反應(yīng)、面角位錯等)，很容易使學(xué)生感到困惑、枯燥無味。因此在講解這部分內(nèi)容時，需要反復(fù)講解，耐心指引學(xué)生學(xué)習(xí)掌握這部分內(nèi)容。

3 綜合應(yīng)用教學(xué)手段提高課堂教學(xué)質(zhì)量

《材料科學(xué)基礎(chǔ)》的教學(xué)任務(wù)重，課時緊，難免出現(xiàn)“滿堂灌、填鴨式”的教學(xué)方式，學(xué)生在學(xué)習(xí)時比較被動，容易產(chǎn)生消極怠慢的情緒，缺乏學(xué)習(xí)的動力。如何在教學(xué)過程中提高學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生對材料科學(xué)學(xué)習(xí)和研究的興趣，是必須思考的問題。在教學(xué)中通過觀察學(xué)生們的行為發(fā)現(xiàn)，每當(dāng)老師提及一些相關(guān)事件、人聞趣事、科研動態(tài)，或者展示圖片和視頻時，都會不同程度的引起學(xué)生們的注意力。在這一段時間內(nèi)，學(xué)生們能夠較快地理解和掌握學(xué)習(xí)要點(diǎn)，并積極主動地提出問題，思考問題。

3.1 靈活使用多媒體[4]

材料科學(xué)中，從微觀到宏觀，許多知識都和空間結(jié)構(gòu)有關(guān)，需要豐富的空間想象能力。學(xué)生僅僅依靠書本上的平面圖很難了理解。多媒體教學(xué)可以利用計算機(jī)技術(shù)，通過計算機(jī)制作課件，將三維動畫引入課堂，立體直觀地為學(xué)生展現(xiàn)各種空間結(jié)構(gòu)，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)理解。如講解金屬的晶體結(jié)構(gòu)時，利用三維圖形，能夠幫助學(xué)生直觀的分析出原子半徑、晶胞內(nèi)原子數(shù)、配位數(shù)、間隙等晶體學(xué)特征；在講解位錯時，能夠幫助學(xué)生了解位錯如何運(yùn)動、增殖、反應(yīng)等；在講解三元相圖時，立體剖析相圖，能夠幫助學(xué)生快速掌握單相、兩相、三相和四相區(qū)的界限及相圖中點(diǎn)、線、面的真正含義。這種形象的教學(xué)手段，視覺上的沖擊效果顯著，可以立刻抓住學(xué)生的注意力，幫助學(xué)生克服學(xué)習(xí)過程中的障礙，使晦澀的概念理論變得生動有趣，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。同時，解決了老師在語言和板書上的欠缺，提高了課堂教學(xué)效率。

3.2 引入人聞趣事[5]

材料發(fā)展的歷史就是人類文明發(fā)展的歷史，在課堂中引入學(xué)生熟知的人聞趣事，拉近學(xué)生與深奧的材料理論之間的距離，使學(xué)生更深刻的體會到材料科學(xué)就在我們身邊，加深對材料科學(xué)的印象和親切感，從而提高學(xué)習(xí)興趣。如在講到合金時，向?qū)W生展示越王勾踐劍的圖片。越王勾踐的故事學(xué)生們耳熟能詳，對他佩帶的寶劍懷有一定的親切感和好奇心。當(dāng)學(xué)生被問到“這把劍為什么歷經(jīng)千年依然華美如新，鋒利無比”時，自然能夠引起他們積極主動地思考。有困惑就會尋求解答，學(xué)生帶著疑問進(jìn)行學(xué)習(xí)時，注意力大幅提高。此時，通過適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，配合講解與合金有關(guān)的合金強(qiáng)化、溶質(zhì)元素的作用等內(nèi)容，學(xué)生聽得津津有味，也更深刻地理解該部分內(nèi)容的科學(xué)涵義。

3.3 與科研實(shí)踐相結(jié)合

在第一章晶體學(xué)基礎(chǔ)中有一小部分內(nèi)容為學(xué)生介紹了倒易點(diǎn)陣的知識，這部分內(nèi)容涉及數(shù)學(xué)推導(dǎo)，由數(shù)學(xué)推導(dǎo)出來的點(diǎn)陣與真實(shí)的點(diǎn)陣的差異性容易使學(xué)生暈頭轉(zhuǎn)向，很難理解這部分內(nèi)容到底在講些什么，又能做什么。此時為學(xué)生介紹X射線衍射技術(shù)，在學(xué)生了解倒易點(diǎn)陣的神奇之處、感嘆科學(xué)家的聰明才智時，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)激情。在第四章介紹柯肯達(dá)爾效應(yīng)時，為學(xué)生介紹柯肯達(dá)爾在研究固體中原子的擴(kuò)散規(guī)律時，如何設(shè)計的實(shí)驗(yàn)方案，來證明固體中的非互易擴(kuò)散。同時，這種實(shí)驗(yàn)技術(shù)雖然發(fā)明的較早，但至今仍被用來制備功能性的納米空心球，散發(fā)著新的活力。讓學(xué)生明白，即使是早期的理論知識也可以“為今所用”。不能因?yàn)槔碚撔纬傻哪甏眠h(yuǎn)，就認(rèn)為是“過時的，無用的”，不認(rèn)真學(xué)習(xí)。

3.4 充分利用網(wǎng)絡(luò)資源

信息技術(shù)發(fā)展至今，極大的豐富了人們的視野，也為許多企業(yè)廠礦提供了展示自己的平臺。通過網(wǎng)絡(luò)視頻，許多工業(yè)信息技術(shù)能夠直達(dá)普通民眾的視野。尤其一些與材料加工相關(guān)的視頻資源，對于不能開設(shè)金屬材料類實(shí)驗(yàn)課程的高校來說更加難得。通過尋找合適的資源，將遠(yuǎn)離校園的生產(chǎn)實(shí)踐近距離地展現(xiàn)在學(xué)生面前，使學(xué)生更加真實(shí)、生動地了解到材料科學(xué)中的原理、規(guī)律在實(shí)際生產(chǎn)過程中的指導(dǎo)意義?！翱吹靡姟⑾氲玫?、用得上”的材料科學(xué)才能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)習(xí)效果。如在互聯(lián)網(wǎng)上可以找到許多關(guān)于“軸”的加工的視頻資源，小到自行車軸，大到發(fā)電機(jī)軸。不同的軸加工過程大相徑庭，但里面涉及的鋼鐵材料的熔煉、澆筑、鍛壓、回火、退火、表面處理等原理卻是一樣的。學(xué)生通過觀看視頻，可以更好的理解這些知識，并對材料科學(xué)在生產(chǎn)實(shí)踐當(dāng)中的應(yīng)用有一些初步的認(rèn)識。

4 課堂教學(xué)與課后自學(xué)相結(jié)合

《材料科學(xué)基礎(chǔ)》難教難學(xué)、教學(xué)時數(shù)有限，在有限的時間內(nèi)要使學(xué)生學(xué)到更多的材料科學(xué)知識，除在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段下功夫，還要盡可能地發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。布置課后習(xí)題是幫助學(xué)生自學(xué)的有效手段。學(xué)生必須對相關(guān)的知識有所掌握，才能順利的完成課后習(xí)題。同時，教師還能從課后習(xí)題的完成情況了解到學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握情況，對錯誤較多，理解偏差加大的內(nèi)容再講解。除了布置課后習(xí)題外，還可以根據(jù)課程內(nèi)容，設(shè)置小論文。優(yōu)秀的科研和學(xué)位論文是很好的輔助教材，讓學(xué)生在調(diào)研論文過程中，對所學(xué)的內(nèi)容加強(qiáng)認(rèn)識，并了解什么是材料學(xué)科的科研。用先進(jìn)的科技，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)《材料科學(xué)基礎(chǔ)》和從事材料科學(xué)研究的熱忱。

5 結(jié) 語

人類文明和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對材料提出越來越多的要求，作為材料專業(yè)的學(xué)生必須適應(yīng)這樣的新要求。因此，需要改革現(xiàn)有的《材料科學(xué)基礎(chǔ)》教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的興趣和欲望，提高學(xué)習(xí)熱情，充分調(diào)動學(xué)生參與學(xué)習(xí)的主動性。為后續(xù)各專業(yè)課的學(xué)習(xí)奠定堅實(shí)基礎(chǔ)，為材料行業(yè)培養(yǎng)合格的研發(fā)人才，促進(jìn)材料行業(yè)的快速發(fā)展。

[1] 王晴,冉坤,賈竟航,等.材料科學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報:社會科學(xué)版, 2012,14(2):214-217.

[2] 張橋,鄢國平,李亮,等.材料化學(xué)專業(yè)《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程改革與實(shí)踐[J].廣州化工, 2015, 43(1):167-168.

[3] 鄧景泉.《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課堂教學(xué)體會[J].考試周刊, 2010(7):207-208.

[4] 王永懂,王振廷,李柏茹,等.《材料科學(xué)基礎(chǔ)》多媒體課件教學(xué)應(yīng)用研究[J].廣州化工, 2012, 40(4):110,112.

[5] 賀哲豐, 姜海.名人典故在材料科學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)中的作用[J].中國冶金教育, 2011(5):38-40.

Teaching Reform and Practice onFundamentalsofMaterialsScience*

RENYan-rong,LIUBao-ying,WANGYan-peng,FANGXiao-min,XUYuan-qing,XUHao,ZHANGWen-kai,DINGTao

(College of Chemistry and Chemical Engineering, Henan University, Henan Kaifeng 475004, China)

FundamentalsofMaterialsScienceis an important basic specialty course.There are some problems and difficulty in teaching.Suitable teaching methods were discussed according for the teaching contents, ways and study after classes.These were helpful for the students to take the initiative to learn this course and had more interest in materials science.The purpose to improve teaching effects and develop students’ specialty and integration ability will be accomplished.

FundamentalsofMaterialsScience; teaching reform; teaching methods

河南省科技發(fā)展計劃項目(No:142300410122)。

任艷蓉(1977-)，女，講師，主要從功能高分子材料研究和應(yīng)用。

丁濤(1972-)，男，教授，主要從有機(jī)功能高分子材料研究和應(yīng)用。

TQ914.1

A

1001-9677(2016)019-0170-03