中美高校材料科學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)比較

張聰惠 王耀勉 肖桂枝 宋薇

摘要：通過對比美國俄亥俄州立大學(xué)（OSU）和國內(nèi)某高校材料科學(xué)基礎(chǔ)的本科課程體系，從專業(yè)課程、實(shí)踐教學(xué)、課堂教學(xué)方法和考核體系四個方面，對兩校存在的教學(xué)差異進(jìn)行了分析，提出了改善國內(nèi)某高校材料科學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)的思路與建議。

關(guān)鍵詞：美國俄亥俄州立大學(xué)；材料科學(xué)基礎(chǔ)；課程體系

中圖分類號：G40-059.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）24-0052-02

美國俄亥俄州立大學(xué)（OSU）是一所歷史悠久的研究型高等學(xué)府，為十大聯(lián)盟Big Ten Conference成員，被譽(yù)為“公立常春藤”大學(xué)之一。OSU開設(shè)的專業(yè)幾乎涵蓋了所有的學(xué)術(shù)領(lǐng)域，很多專業(yè)在全美名列前茅。

OSU工程學(xué)院材料科學(xué)與工程系由地質(zhì)、采礦及冶金系和粘土、陶瓷系合并而成，許多教師在國際相關(guān)研究領(lǐng)域享有很高的聲譽(yù)。系里擁有一棟辦公樓和兩棟試驗(yàn)樓，擁有很多具有國際先進(jìn)水平的儀器和設(shè)備，其研究方向覆蓋了金屬、陶瓷等電子、生物、超導(dǎo)、傳感器、金屬間化合物、先進(jìn)復(fù)合材料、涂層、薄膜材料等的加工、組織及其化學(xué)、物理、力學(xué)性能的研究。

國內(nèi)某高校（以下稱A高校）是一所以土木建筑、環(huán)境市政、材料冶金及其相關(guān)學(xué)科為特色，以工程技術(shù)學(xué)科為主體，工、理、文、管、法、經(jīng)、藝等學(xué)科協(xié)調(diào)發(fā)展的多科性大學(xué)。該高校冶金工程學(xué)院由冶金工程、材料成型與控制工程、金屬材料工程、化學(xué)工藝與工程4個專業(yè)組成。其研究方向覆蓋表面納米化處理、超細(xì)晶材料制備、涂層材料、電池材料、鋼鐵材料、金屬間化合物等領(lǐng)域。

OSU的材料科學(xué)與工程系和A高校的冶金工程學(xué)院都設(shè)置有材料科學(xué)基礎(chǔ)課程，且都立足培養(yǎng)材料加工類專業(yè)理論應(yīng)用型人才。因此，對這兩所大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)類課程的教學(xué)方法進(jìn)行比較研究是可行的。通過比較研究，對國內(nèi)高校材料專業(yè)乃至其他理工類專業(yè)的教育教學(xué)改革和課程體系建設(shè)具有一定的啟示和借鑒作用。

一、課程體系

OSU的本科教育旨在培養(yǎng)學(xué)生對專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生獲得應(yīng)對現(xiàn)代社會挑戰(zhàn)所需要的知識和能力。OSU將每學(xué)年分為Winter、Spring、Summer、Autumn四個學(xué)期。除了Summer Quarter，其他學(xué)期都安排了材料科學(xué)基礎(chǔ)的相關(guān)課程，其專業(yè)課設(shè)置均為專業(yè)基礎(chǔ)課，即精心為學(xué)生設(shè)計(jì)的入門課程，主要目的是給學(xué)生展示該學(xué)科涉及哪些方面的內(nèi)容，哪些內(nèi)容可以在今后的學(xué)習(xí)中進(jìn)行深入學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生完成從高中向大學(xué)階段的過渡[1]。

OSU材料科學(xué)基礎(chǔ)相關(guān)主要課程有：MSE564——材料微觀組織和力學(xué)性能、MSE342——材料的微觀組織和特性、MSE741——透射電鏡、MSE205——材料科學(xué)與工程簡介、MSE361——材料的力學(xué)性能簡介、MSE605——材料科學(xué)原理、MSE765——材料的力學(xué)性能。這些課程共分為三個體系，205、605講授的是材料科學(xué)基礎(chǔ)和原理，注重介紹各類材料的組織、結(jié)構(gòu)、性能、加工工藝與其應(yīng)用之間的關(guān)系，講授金屬材料、陶瓷、聚合物、化合物等材料的組織結(jié)構(gòu)對其力學(xué)等性能的影響以及分別采取哪種工藝改變材料的結(jié)構(gòu)獲得預(yù)期性能。361、564、765主要講授了材料的宏觀力學(xué)性能，例如陶瓷、金屬材料、聚合物、化合物等材料的拉伸、疲勞、斷裂、蠕變等宏觀力學(xué)性能，并闡述了材料組織結(jié)構(gòu)對其變形行為的影響。342和741講授了材料微觀組織結(jié)構(gòu)分析與表征，主要通過XRD、SEM、EBSD、TEM等分析方法對材料的位錯、織構(gòu)等微觀組織結(jié)構(gòu)的分析與表征。課程體系安排由淺及深，比如605是205的深化版，對相關(guān)理論進(jìn)行了深入講解，重點(diǎn)對位錯、擴(kuò)散、鋼的熱處理部分進(jìn)行了擴(kuò)充。765是361、564這兩門課程的深化版。學(xué)生可以自主的根據(jù)自己的掌握程度以及興趣選擇基礎(chǔ)課程或者深化課程，完善自己的理論知識體系。

A高校實(shí)施以通識教育為基礎(chǔ)的專業(yè)教育，培養(yǎng)德、智、體、美、勞全面發(fā)展的高水平高素質(zhì)人才。該高校材料科學(xué)基礎(chǔ)相關(guān)課程主要包括金屬學(xué)、材料化學(xué)、材料組織結(jié)構(gòu)的表征、材料性能學(xué)、材料加工原理和材料綜合實(shí)驗(yàn)，體現(xiàn)“組織決定性能，性能決定用途”的知識核心。此外，該高校設(shè)有材料塑性力學(xué)、凝固理論、軋制技術(shù)、沖壓成型等課程，旨在幫助學(xué)生形成一個從材料合成到后續(xù)加工的完整知識體系，但是理論基礎(chǔ)課程設(shè)置較少，學(xué)生對基礎(chǔ)理論的掌握程度有待深入。

二、實(shí)踐教學(xué)

實(shí)驗(yàn)是課程的重要組成部分，也是學(xué)生學(xué)習(xí)掌握材料組織性能、材料檢測方法的重要手段[2]。OSU采用分時(shí)段的實(shí)驗(yàn)室管理方法，即將每次參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生分成四組，四組學(xué)生在50分鐘內(nèi)交換使用實(shí)驗(yàn)儀器，大大提高了實(shí)驗(yàn)效率，也能夠讓每個學(xué)生親自參與到實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，并從中得到鍛煉與知識的理解與鞏固。學(xué)院也會設(shè)計(jì)一些趣味實(shí)驗(yàn)，MSE361課程就設(shè)置了一個“Egg Drop”項(xiàng)目，就是讓學(xué)生開動腦筋，采用奇思妙想確保雞蛋從5層樓上扔下來而不破裂，要想成功完成這個項(xiàng)目，學(xué)生需要發(fā)揮團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，綜合運(yùn)用材料力學(xué)知識，選取有效材料對雞蛋進(jìn)行保護(hù)，并采用有限元進(jìn)行模擬分析。A高校的材料科學(xué)基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)屬于驗(yàn)證性技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，一共包含三個內(nèi)容，分別為金相樣品的制備及顯微鏡使用，F(xiàn)e3C-Fe平衡組織分析以及金屬塑性變形與再結(jié)晶實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用集中安排的形式，安排在具體的某周某節(jié)課，由教師動手操作，學(xué)生圍在周圍學(xué)習(xí)，然后分組完成實(shí)驗(yàn)操，每個學(xué)生的親身經(jīng)歷比較少，通過實(shí)驗(yàn)獲得的專業(yè)知識也會減弱。

三、課堂教學(xué)方法

課堂教學(xué)方法是在一定的理論指導(dǎo)下，為實(shí)現(xiàn)既定教學(xué)目標(biāo)而采用的課堂教學(xué)形式。教師應(yīng)該了解和掌握多種教學(xué)方法，根據(jù)具體的教學(xué)情境和教學(xué)目標(biāo)運(yùn)用不同的教學(xué)方法。

OSU所有的教室基本都配備有投影設(shè)施，在講課過程中，教師可以用電子筆在PPT上勾畫、講解。另外教師在授課過程中，可根據(jù)需要設(shè)置一些問題，學(xué)生通過手中的clicker，按鍵給出自己的判斷，答題結(jié)束后，屏幕上很快顯示出統(tǒng)計(jì)結(jié)果，教師會據(jù)此了解學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握情況。

OSU課堂多采用以激發(fā)學(xué)生潛能為目標(biāo)的“案例教學(xué)”、“交互教學(xué)”和“小組討論”。案例教學(xué)通過教師講解實(shí)例向?qū)W生介紹材料組織及性能的相關(guān)理論知識，然后學(xué)生再利用網(wǎng)絡(luò)、書籍等資料，運(yùn)用所學(xué)的知識對自選材料進(jìn)行分析；交互式教學(xué)方法，構(gòu)建了一個平等和互相尊重的學(xué)習(xí)氛圍，實(shí)現(xiàn)了師生之間的相互溝通和加深對新概念的理解；在小組討論與匯報(bào)過程中，教師對每個學(xué)生都十分重視，盡量讓每個學(xué)生都有表現(xiàn)的機(jī)會，強(qiáng)調(diào)讓每個人都分擔(dān)一部分工作。在展示成果時(shí)，每人都要匯報(bào)自己做了什么，并談?wù)勛约邯?dú)到的見解。有些課程在課程講授完之后，會要求學(xué)生分小組完成一個項(xiàng)目設(shè)計(jì)，這樣可以培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識、創(chuàng)新精神和社會責(zé)任感，使其學(xué)會如何收集資料，也使概念的記憶和問題的解決迅速化。

A高校目前的課堂以講述為主導(dǎo)，案例教學(xué)和交互教學(xué)方法逐漸加以應(yīng)用，這樣的做法對學(xué)生自己構(gòu)建知識體系有重要意義。但是在構(gòu)建知識體系的過程中，教師相對傳統(tǒng)的講述方式、作業(yè)布置等情況，導(dǎo)致對學(xué)生知識結(jié)構(gòu)方向的糾偏作用比較小。學(xué)生在不知道問題的已知條件的由來的時(shí)候，往往難于形成自己的知識體系。課堂互動的效果與美國的課堂氣氛差異很大，在美國課堂上，只要教師提出了問題，學(xué)生會馬上有激烈的反應(yīng)，若是有討論的話，教室里馬上就會活力四射；但是在中國課堂上，教師提出問題，大多數(shù)學(xué)生會選擇沉默，教師需要用“點(diǎn)將”的方式實(shí)現(xiàn)互動。

OSU將更多的時(shí)間留給了學(xué)生，讓學(xué)生有更多的作業(yè)時(shí)間和創(chuàng)新時(shí)間。A高校則在課堂教學(xué)上花了更多的時(shí)間，教師和學(xué)生的創(chuàng)新思路和時(shí)間將受到限制。

四、考核體系

OSU將考試成績分散在日常學(xué)習(xí)中，根據(jù)學(xué)生的到課率、課堂答題情況、作業(yè)完成情況、小測驗(yàn)、期中考試、期末考試、實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)和出勤）、實(shí)驗(yàn)評估和項(xiàng)目等綜合決定。所以從頭至尾，學(xué)生需要認(rèn)真學(xué)習(xí)才能取得理想的成績。

A高校的成績由期末考試和平時(shí)成績來決定，期中、期末考試占70%，平時(shí)成績占30%。平時(shí)成績包括實(shí)驗(yàn)、出勤和作業(yè)全部。因此，學(xué)生就會只注重最終的學(xué)習(xí)結(jié)果，而不注重期間學(xué)習(xí)的過程。這對學(xué)生人生觀，價(jià)值觀的形成有重要的影響。

五、啟示與借鑒

通過對俄亥俄州立大學(xué)和國內(nèi)A高校材料科學(xué)基礎(chǔ)相關(guān)專業(yè)的課程設(shè)置、實(shí)踐教學(xué)、教學(xué)方法和考核體系進(jìn)行對比，分析了A高校在教育教學(xué)過程中存在的問題。為提高材料科學(xué)基礎(chǔ)課程的教學(xué)水平和人才培養(yǎng)質(zhì)量，一方面要在實(shí)施通識教育的基礎(chǔ)上加強(qiáng)自然科學(xué)、人文社科教育，拓寬學(xué)科范圍，適當(dāng)增加選修課程的數(shù)量，提高課程的綜合性，增加學(xué)生學(xué)習(xí)知識面和課程選擇的自主性；另一方面，材料科學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)內(nèi)容要緊跟學(xué)科前沿，使學(xué)生了解到材料領(lǐng)域的高新技術(shù)，并應(yīng)涉及各種材料工藝的計(jì)算機(jī)模擬[3]；同時(shí)，實(shí)踐教學(xué)要從教學(xué)計(jì)劃和實(shí)驗(yàn)室管理兩方面進(jìn)行改進(jìn)，更新實(shí)驗(yàn)室管理辦法，維護(hù)設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，使每個學(xué)生都可以參與其中。

參考文獻(xiàn)：

[1]左治江.中美材料加工類課程的教學(xué)方法比較研究[J].國際觀察，2014，10（5）：122-126.

[2]張玉平.中美高校材料科學(xué)與工程課程體系比較初探[J].高等理科教育，2010，93（5）：73-76.

[3]李強(qiáng)，陳文哲.美國和歐洲的材料科學(xué)與工程教育（二）[J].高等理科教育，2003，47（1）：44-49.