“材料性能學(xué)”課程的教學(xué)改革與實(shí)踐

陳建清 江靜華 楊東輝 宋丹 馬愛斌

摘要：“材料性能學(xué)”是材料科學(xué)與工程一級學(xué)科主干專業(yè)基礎(chǔ)課程。針對“材料性能學(xué)”課程的教學(xué)現(xiàn)狀，并考慮材料學(xué)科的發(fā)展趨勢、學(xué)校特色及高等教育改革的基本要求，從教學(xué)體系調(diào)整和教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化著手，以培養(yǎng)學(xué)生的知識應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力為目標(biāo)，對課程進(jìn)行了教學(xué)改革和實(shí)踐。采用案例教學(xué)結(jié)合小組研討等方式豐富課堂，結(jié)果表明這種教學(xué)改革的嘗試是成功的，收效很大。

關(guān)鍵詞：材料性能學(xué);課程改革;實(shí)踐

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）43-0104-03

教書育人是高校的基本功能之一，教學(xué)質(zhì)量關(guān)系到培養(yǎng)人才的質(zhì)量，是高校賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著社會的發(fā)展，高等教育改革與發(fā)展的深化，學(xué)科之間的交叉、重組和優(yōu)化，以前針對某個專業(yè)開設(shè)的一些課程已經(jīng)不能滿足科技發(fā)展的要求，必須進(jìn)行改革。

一、課程性質(zhì)與特點(diǎn)

“材料性能學(xué)”課程是材料科學(xué)與工程專業(yè)主干課程，是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，是學(xué)生專業(yè)素質(zhì)和專業(yè)基礎(chǔ)的重要組成部分，對于學(xué)生的就業(yè)和進(jìn)一步深造都有著重要的影響。很多材料專業(yè)都開設(shè)了相關(guān)課程[1，2]。我校“材料性能學(xué)”課程的前身是“無機(jī)材料性能”，講授對象是無機(jī)非金屬材料專業(yè)的本科生。根據(jù)教育部提出的拓寬專業(yè)口徑，按專業(yè)大類進(jìn)行人才培養(yǎng)的基本思路，我校從2005年開始按一級學(xué)科專業(yè)“材料科學(xué)與工程”招生培養(yǎng)。根據(jù)培養(yǎng)方案，原“無機(jī)材料性能”變更為“材料性能學(xué)”。“材料性能學(xué)”是聯(lián)系材料微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能的一門重要課程，既是材料科學(xué)與工程學(xué)科的重要研究內(nèi)容，也是材料生產(chǎn)和應(yīng)用的重要基礎(chǔ)，是材料科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生的必修課程。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生具備以下能力：根據(jù)材料的性能參數(shù)判斷材料的優(yōu)劣，立足材料的性能正確選擇和使用材料，改變材料的性能從而探索新材料、新性能、新工藝，為最終實(shí)現(xiàn)建立材料結(jié)構(gòu)—性能—制備—應(yīng)用之間的關(guān)系——這一材料學(xué)科研究的最終目標(biāo)打下理論基礎(chǔ)。在教學(xué)過程中，注重培養(yǎng)學(xué)生的研究能力、工程素質(zhì)和綜合應(yīng)用能力，創(chuàng)新實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)合作能力，以及應(yīng)用專業(yè)知識和技能解決材料科學(xué)與工程領(lǐng)域復(fù)雜問題的能力。

本課程具有如下特點(diǎn)。

1.內(nèi)容廣泛，學(xué)科交叉性強(qiáng)?！安牧闲阅軐W(xué)”不再是針對某一種材料，而是針對材料大類，涉及材料種類眾多，同時涉及的性能也是多方面的，有力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能等。力學(xué)性能內(nèi)容廣泛自不必說，很多學(xué)校的材料力學(xué)性能是一門單獨(dú)的課程;物理性能涉及熱、光、電、介電、磁等性能;化學(xué)性能包括耐腐蝕性、抗氧化性、化學(xué)穩(wěn)定性等。涉及物理、化學(xué)、力學(xué)、材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料研究方法、材料工藝等[3]。

2.與工程實(shí)際聯(lián)系緊密，同時兼具敘述性與理論性?！安牧闲阅軐W(xué)”課程是介紹材料各種主要性能的基本概念、物理本質(zhì)、影響因素、變化規(guī)律、性能指標(biāo)的工程意義以及測試、評價及應(yīng)用。各種性能的物理本質(zhì)和變化規(guī)律與材料的化學(xué)成分及基本結(jié)構(gòu)間的關(guān)系較為抽象，理論性較強(qiáng)，同時，由于涉及的性能眾多，各性能的指標(biāo)、測試、評價與應(yīng)用等具有一定的敘述性。

3.理論與實(shí)際相結(jié)合，實(shí)踐性強(qiáng)。材料的各種性能都有一定的應(yīng)用場合，或者根據(jù)不同的應(yīng)用要求，需要特定的性能，因此，無論是材料各種性能本身的測試和研究還是和工程實(shí)際相結(jié)合都具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。

二、課程存在的問題和改革的必要性

1.專業(yè)拓寬的影響。我國的高等教育最初照搬蘇聯(lián)模式，培養(yǎng)“專業(yè)”人才，但是隨著社會的發(fā)展和科學(xué)的進(jìn)步，交叉學(xué)科和新興學(xué)科興起，原來狹窄的專業(yè)模式已難以適應(yīng)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，更阻礙了科技的進(jìn)步。因此，教育部于1998年進(jìn)行了大范圍的本科專業(yè)目錄調(diào)整，我校的材料專業(yè)也于2005年按材料科學(xué)與工程一級學(xué)科專業(yè)招生，相應(yīng)的課程也改為“材料性能學(xué)”，但是教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)大綱仍然沿用了過去“無機(jī)材料物理性能”課程的教學(xué)體系，講授的內(nèi)容變化不大。

2.課程教學(xué)本身存在的問題。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)以教師講授為主，教學(xué)方法相對單一，而“材料性能學(xué)”課程具有理論性較強(qiáng)和講授的概念較為抽象的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的講授方法很難讓學(xué)生迅速而有效地理解教學(xué)內(nèi)容。因此，如何把抽象和艱深的理論內(nèi)容深入淺出地展現(xiàn)給學(xué)生，讓學(xué)生迅速有效地理解教學(xué)內(nèi)容是一個難點(diǎn)，同時也是課堂教學(xué)的重點(diǎn)。目前，雖然采用了多媒體課件，但是大多是用PowerPoint制作的簡單課件，其表現(xiàn)力仍有限，在教學(xué)效果上力不從心。

3.由于條件限制，目前我校的“材料性能學(xué)”課程只有理論教學(xué)環(huán)節(jié)，而沒有實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。但該課程本身是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，缺少實(shí)踐教學(xué)使得學(xué)生在接受教學(xué)內(nèi)容上產(chǎn)生了一定的困難?！拔衣犨^就忘了，我看見就記住了，我做了就理解了”是華盛頓兒童博物館上的格言，這不單對幼兒適用，對剛剛邁入成年的大學(xué)生也是適用的。因此，要想辦法創(chuàng)造條件開展實(shí)踐教學(xué)。

三、教學(xué)改革措施

1.課程體系和教學(xué)內(nèi)容改革。我校“材料性能學(xué)”課程的前身是“無機(jī)材料物理性能”，側(cè)重點(diǎn)是無機(jī)非金屬材料物理性能，隨著專業(yè)面的拓寬和人才培養(yǎng)模式的調(diào)整，調(diào)整后的“材料性能學(xué)”，從材料種類來說不能再拘泥于單一的無機(jī)非金屬材料，而要整合金屬材料、無機(jī)非金屬材料、高分子材料等相關(guān)性能;從性能上來說要從物理性能拓寬到力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。對這些內(nèi)容進(jìn)行綜合優(yōu)化，形成系統(tǒng)理論。課程內(nèi)容要涵蓋主要材料主要性能的基本知識和理論，同時要緊跟學(xué)科前沿，涵蓋新模型、新概念和新技術(shù)。在目前條件下，應(yīng)選用合適的教材，同時爭取重新編寫教材以切合課程體系。課程體系的調(diào)整，使得課程涵蓋內(nèi)容大幅增加，但目前大學(xué)本科教育的趨勢是課時大幅減少，我?！安牧闲阅軐W(xué)”課程為48學(xué)時，課時大幅壓縮，要想涵蓋全部內(nèi)容存在很大難度，在內(nèi)容的廣度和深度上存在矛盾。在這種背景下，課程體系和教學(xué)內(nèi)容的改革是重點(diǎn)也是難點(diǎn)。在課程內(nèi)容的設(shè)計上，以“寬口徑、強(qiáng)基礎(chǔ)、重實(shí)踐”為指導(dǎo)思想，培養(yǎng)具有扎實(shí)基礎(chǔ)理論和較強(qiáng)實(shí)踐能力的復(fù)合型人才為目標(biāo)。教學(xué)重點(diǎn)與學(xué)校實(shí)際情況相結(jié)合，根據(jù)材料專業(yè)的實(shí)際情況確定課程的內(nèi)容和要求，分清主次，哪些是必須的，以“必須、夠用”為度?！安牧闲阅軐W(xué)”課程主要包括如下七個模塊：材料的力學(xué)性能、熱學(xué)性能、電學(xué)性能、介電性能、磁學(xué)性能、光學(xué)性能和化學(xué)性能。在各個模塊中，以每種性能的基本概念—物理（化學(xué)）本質(zhì)—影響因素—性能指標(biāo)的工程意義—指標(biāo)的測試、評價及應(yīng)用為主線貫穿始終[3]。同時，教學(xué)內(nèi)容需體現(xiàn)科技的發(fā)展，適時講授相關(guān)領(lǐng)域的研究動態(tài)和發(fā)展前沿，保持教學(xué)前瞻性，拓寬學(xué)生的視野，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識。

2.教學(xué)方法和教學(xué)手段改革。傳統(tǒng)的教學(xué)模式是一根粉筆加一本教科書貫穿一堂課，現(xiàn)在用上了多媒體[4]，但很多時候只是把板書搬到了PPT上，仍然是教師講、學(xué)生聽，對于抽象的概念和理論，學(xué)生難于理解和掌握。在教學(xué)方法上，要改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，綜合運(yùn)用啟發(fā)式、討論式、案例式等多種教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。

在教學(xué)手段上，一要完成多媒體課件制作：充分運(yùn)用文字、圖形、圖像、聲音、動畫、影像等多種媒體素材，制作多媒體課件，把抽象、復(fù)雜的理論內(nèi)容生動形象、深入淺出地展示給學(xué)生，加大課堂教學(xué)的信息量，一定程度上降低課時壓縮的影響;二要建立網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境：利用網(wǎng)絡(luò)平臺，建立和完善課程網(wǎng)站，利用課后延伸環(huán)節(jié)，為學(xué)生的自主性學(xué)習(xí)提供條件。

3.實(shí)踐環(huán)節(jié)建設(shè)。實(shí)踐是工科教育的靈魂，教學(xué)中實(shí)踐環(huán)節(jié)的設(shè)置有利于學(xué)生的學(xué)習(xí)和理解，有利于學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)造性的培養(yǎng)。本課程由于條件的限制，目前并沒有實(shí)踐環(huán)節(jié)。因此，一方面要積極向?qū)W院、學(xué)校申請資源，努力爭取建立基本實(shí)踐條件，同時在目前條件下，充分利用現(xiàn)有的條件，探索開展實(shí)踐教學(xué)的方法。

四、教學(xué)改革實(shí)踐示例及效果

材料對電場的響應(yīng)主要有兩種，一種是帶電粒子的長程運(yùn)動，稱為電導(dǎo)，一種是帶電粒子的短程運(yùn)動，稱為極化，內(nèi)容很多也很復(fù)雜。以往的教學(xué)中要分別介紹電子電導(dǎo)、離子電導(dǎo)、半導(dǎo)體、介質(zhì)極化等[5]，這些內(nèi)容理論性強(qiáng)，學(xué)生不容易理解，也很難產(chǎn)生興趣。因此，在教學(xué)中采用“應(yīng)用先行”的辦法，以生活中和高科技領(lǐng)域中的應(yīng)用為引子，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)材料的獨(dú)特性能，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣;發(fā)現(xiàn)了材料的獨(dú)特性能后，引導(dǎo)學(xué)生分析研究其中的原理、機(jī)制和物理本質(zhì);然后再從物理本質(zhì)出發(fā)，分析影響材料該性能的因素，從影響因素出發(fā)，進(jìn)一步分析討論改進(jìn)、提高材料性能的方法和實(shí)現(xiàn)手段;再從性能出發(fā)，分析材料可能的其他應(yīng)用，啟發(fā)學(xué)生的發(fā)散思維和創(chuàng)新精神。實(shí)踐示例：材料的熱敏特性教學(xué)。材料的熱敏特性是指材料對溫度變化具有響應(yīng)的特性，材料的熱敏特性在許多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，是許多功能材料的基礎(chǔ)。對于這個特性，首先從家庭日常使用的電飯煲出發(fā)。為什么電飯煲能夠自動把飯煮好？這個問題引起了同學(xué)的興趣，同學(xué)紛紛發(fā)言：有的說通過電加熱把飯煮熟，教師追問電飯鍋怎么知道熟了，既不會夾生也不會焦掉？有同學(xué)說那應(yīng)該是有傳感器，教師追問會是什么樣的傳感器呢？帶著這一系列的問題和各色各樣的答案，教師對問題進(jìn)行總結(jié)：電飯煲煮飯是把適量的水和米混合在一起，通過電加熱，水的溫度逐漸升高直至沸騰。沸騰后，由于水的沸點(diǎn)在一定的大氣壓下是恒定的，在我們生活的低海拔地區(qū)基本上可以認(rèn)為是保持100℃不變，因此鍋底的溫度一直保持100℃不變。隨著時間的延長，一部分水分被大米吸收，另外一部分水分慢慢蒸發(fā)，直到飯熟后，鍋底沒有了液態(tài)水，鍋底溫度升高，此時電飯鍋就需要停止加熱，否則飯要燒焦了。這一點(diǎn)電飯鍋是如何做到的呢？此時該我們的主角——熱敏材料閃亮登場了。有一類材料他們的電阻隨溫度升高而顯著地變化，飯沒熟，溫度在100℃時，材料的電阻比較小，線路導(dǎo)通，發(fā)熱元件工作;當(dāng)溫度超過100℃達(dá)到103℃時，電阻突然上升幾個數(shù)量級，此時線路斷開，停止加熱，這種材料稱為“正溫度系數(shù)（PTC）熱敏陶瓷”，可以作為恒溫發(fā)熱元件，電阻突變的點(diǎn)稱為“居里點(diǎn)”。不同材料的居里點(diǎn)不同，通過調(diào)整材料的成分和結(jié)構(gòu)可以調(diào)整居里點(diǎn)，做成各種各樣不同的元器件，應(yīng)用于不同的場合。這時引入科學(xué)的概念，進(jìn)行課堂核心內(nèi)容講授——PTC效應(yīng)的機(jī)理及影響因素，介紹熱敏材料及其應(yīng)用，介紹相關(guān)的知識點(diǎn)。除了PTC效應(yīng)，還有NTC效應(yīng)——負(fù)溫度系數(shù)等。核心知識點(diǎn)講授完成后，進(jìn)一步發(fā)散，除了電阻對溫度變化的響應(yīng)，還有材料的其他性能如介電常數(shù)、電流、磁化強(qiáng)度等都對溫度變化有響應(yīng)，如介電常數(shù)—溫度敏感的鐵電材料、電流—熱量敏感的熱釋電材料、磁化強(qiáng)度—溫度敏感的磁性陶瓷等。介紹相關(guān)特性，布置小組討論作業(yè)：介電常數(shù)—溫度敏感、電流—熱量敏感、磁化強(qiáng)度—溫度敏感的機(jī)理、影響因素及應(yīng)用等，引導(dǎo)學(xué)生利用學(xué)校圖書館的數(shù)據(jù)庫，查閱科技文獻(xiàn)，了解相關(guān)問題的最新研究發(fā)展動態(tài)。學(xué)生每4～5人分為一組，選擇感興趣的內(nèi)容進(jìn)行研討，利用教材和參考書對每一個主題所涉及的性能的基本概念、物理本質(zhì)和影響因素進(jìn)行分析，查閱科技文獻(xiàn)了解材料的應(yīng)用領(lǐng)域及最新研究方向和成果。每個小組提交一份研討報告，同時準(zhǔn)備演講PPT，進(jìn)行演講匯報。演講過程中，學(xué)生積極提問、質(zhì)疑、討論，形成了良好的學(xué)習(xí)氛圍，培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、創(chuàng)新能力及領(lǐng)導(dǎo)力。

“材料性能學(xué)”是材料專業(yè)的一門主干課程，隨著專業(yè)的調(diào)整以及課程本身的特點(diǎn)，必須對其教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法進(jìn)行改革。文中提及的一些思路，有些已經(jīng)實(shí)施，也取得了較好的效果，有些仍需創(chuàng)造條件進(jìn)行實(shí)踐，在教學(xué)實(shí)踐中不斷完善。學(xué)生掌握材料各種主要性能的基本概念、物理本質(zhì)、變化規(guī)律、性能指標(biāo)及其工程意義;了解影響材料性能的主要因素，材料性能與化學(xué)組成、組織結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，從而為判斷材料優(yōu)劣、正確選擇和使用材料，改變材料性能、探索新材料、新性能、新工藝打下理論基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生的知識應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)：

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[5]賈德昌，宋桂明.無機(jī)非金屬材料性能[M].北京：科學(xué)出版社，2008.

Instructional Reform and Practice in "Properties of Materials" Course

CHEN Jian-qing，JIANG Jing-hua，YANG Dong-hui，SONG Dan，MA Ai-bin

（College of Mechanics and Materials，Hehai University，Nanjing，Jiangsu 210098，China）

Abstract：The course of "Properties of Materials" has an important role in the course construction and is one of the major required courses for the students major in Materials Science and Engineering. According to the characteristics of Hohai University and requirements in higher education reform，and with the aim to develop the knowledge application and cultivating the innovation ability of the students，the instructional system and contents are adjusted based on the present situation，achievements and problems of the "Properties of Materials" teaching and the development tendency of materials discipline. Case-based instruction and group study were used in the instructional reform practice successfully and obtained satisfactory results.

Key words：Properties of Materials;instructional reform;practice