研究生材料熱力學課程的教學探索與實踐

朱利安+張虹+李順+葉益聰

[摘 要]作為材料科學與工程專業(yè)研究生的專業(yè)基礎(chǔ)核心課程，材料熱力學的根本任務在于培養(yǎng)研究生將熱力學基本原理應用于材料科研實踐中的能力。以國防科技大學研究生課程材料熱力學為例，可以從教學設(shè)計及實踐的革新入手，對課程的教學內(nèi)容、教學方法和考核等進行探索和實踐，以提高研究生專業(yè)核心課程材料熱力學的教學效果。

[關(guān)鍵詞]材料熱力學；研究生；教學探索

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）04-0096-02

材料熱力學對于材料類專業(yè)的學生來說是一門理論性和應用性都很強的專業(yè)基礎(chǔ)課程。材料熱力學對學生以后相關(guān)專業(yè)的學習以及研究有重要的作用。材料熱力學是利用熱力學原理來研究材料問題的科學。具體來說，它是研究基于經(jīng)典熱力學和統(tǒng)計熱力學研究材料在制備、加工及相變過程中的相和組織的形成規(guī)律。材料熱力學課程具有理論性突出、應用性強、概念抽象及公式繁多等特點。在我校的課程體系設(shè)計中，該課程為材料科學與工程專業(yè)研究生的專業(yè)基礎(chǔ)核心課程，其根本任務在于培養(yǎng)學生將熱力學基本原理應用于材料科研實踐中的能力。針對上述目標，研究生課程應當從教學設(shè)計到實踐進行相應的探索和革新，以實現(xiàn)研究生理論水平及科研實踐能力的雙重提升。為此，本文從教學內(nèi)容、教學方法和課程考核等方面進行教學探索和實踐，以提高研究生專業(yè)核心課程材料熱力學的教學效果。

一、教學內(nèi)容

（一）內(nèi)容設(shè)計固基礎(chǔ)重提升

我校材料科學與工程專業(yè)研究生生源多樣，本科專業(yè)涉及應用化學、材料物理、材料化學及材料加工工程等。因此，在材料熱力學的教學中既要考慮學生的專業(yè)差異，鞏固不同專業(yè)學生的熱力學基礎(chǔ)，又要注重內(nèi)容的提升，使學生在進一步掌握熱力學理論的基礎(chǔ)上初步具備從事材料熱力學研究的能力。為此，在教學內(nèi)容的設(shè)計上，我們將內(nèi)容劃分為上、下兩個篇章。第一篇章為基礎(chǔ)篇，包括熱力學第一定律、熱力學第二定律和附加函數(shù)等章節(jié)，重點講解熱力學三大定律及熱力學性質(zhì)和函數(shù)間的關(guān)系，目的是鞏固和強化材料熱力學的基礎(chǔ)理論。第二篇章為應用篇，包括純物質(zhì)相平衡、溶體熱力學、二組元材料相平衡、相變熱力學、界面熱力學及材料設(shè)計與熱力學等章節(jié)，重點講解材料熱力學在處理純物質(zhì)及溶體的相平衡、相變及表界面問題中的應用，目的是提升學生利用材料熱力學理論解決實際問題的能力。

（二）教材選取博采眾長

為了服務于上述教學內(nèi)容，我們在教材的選取上博采眾長。課程以David R. Gaskell主編的《Introduction to the Thermodynamics of Materials》為主要參考教材。該書知識結(jié)構(gòu)完整，內(nèi)容翔實，系統(tǒng)嚴謹，且實例豐富，兼具實用性和趣味性。[1]同時以郝士明主編的《材料熱力學》、徐祖耀主編的《材料熱力學》和西澤泰二編寫的《微觀組織熱力學》為輔助參考教材，三本教材各有所長。郝士明主編的《材料熱力學》偏重溶體熱力學知識的介紹，對自由能近似和相關(guān)模型的講述全面系統(tǒng)，且包含與科研實踐緊密聯(lián)系的計算相圖熱力學方面的內(nèi)容，尤其重視選材的新穎和解說的例證性。[2]徐祖耀主編的《材料熱力學》是材料科學與工程專業(yè)的研究生教材，注重基礎(chǔ)知識和相關(guān)理論的深化和提升，其中有關(guān)界面熱力學和相變熱力學的介紹系統(tǒng)深入，理論性強。[3]西澤泰二編寫的《微觀組織熱力學》著眼于應用熱力學理論解釋材料微觀組織變化的規(guī)律，案例豐富、圖解直觀、闡述系統(tǒng)。[4]教學時我們根據(jù)不同章節(jié)的特點合理選取上述參考教材，集眾家之所長。

（三）教學案例突出應用

針對材料熱力學理論性強、概念抽象等特點，我們在授課時以應用為牽引，將重點放在運用熱力學基本原理解決材料科學問題上。通過分析日常生活、科研生產(chǎn)中的實際案例，講解重要理論及關(guān)鍵抽象概念的理解及其在材料研究中的應用，在讓學生在理解這些理論及抽象概念的同時，掌握運用它們解決材料研發(fā)問題的能力，從而激發(fā)學生的學習興趣。[5]例如在講解化學勢的定義和意義時，介紹上坡擴散現(xiàn)象及其原因，讓學生認識元素擴散的根本驅(qū)動力；在講解熵的統(tǒng)計表達時，介紹高熵合金的發(fā)現(xiàn)和研究現(xiàn)狀；在講解界面熱力學時，介紹采用計算高溫難熔金屬熔體界面能的方法解決超高溫下液態(tài)材料界面能測量困難的問題等。

（四）實踐教學服務科研

為了突出材料熱力學服務科研的功能和作用，幫助研究生掌握使用材料熱力學原理解決材料科研問題的方法，我們在教學中特別注重實踐教學環(huán)節(jié)的設(shè)置。通過課程前期建設(shè)，我們引進了包含Nb基合金數(shù)據(jù)庫的PANDAT相圖計算軟件。該軟件是一款用于計算多元合金相圖和熱力學性能的集成工具，面向工業(yè)、研究及教學的初中高級用戶，具有功能強大、簡單易學的特點。利用該相圖計算和應用操作平臺來指導學生上機學習和操作，可以使其親身體驗熱力學原理如何指導材料研究，了解理論對實踐的重要指導作用。實踐教學增加了學生的感性認識，使其對所學知識理解得更加透徹，同時也讓他們初步具備運用CALPHAD（熱力學計算相圖）方法指導科研實踐的能力，為其將來從事相關(guān)研究打下基礎(chǔ)。

二、教學方法

（一）板書為主，多媒體為輔

材料熱力學的課程教學涉及的公式多、符號種類多且符號標注復雜、信息量大，宜采用板書的形式進行熱力學公式和例題的推導、講解。板書的優(yōu)點是講解速度適中、邏輯性強，學生在做筆記的同時能加深對定義、公式和各種符號的理解和記憶，同時能緊跟教師講解思路，有利于促進知識的消化吸收。[6]針對復雜圖示，如三元相圖的解剖分析等，可采用多媒體課件輔助呈現(xiàn)，這能在節(jié)約教師板書和畫圖時間的同時，提高講課效率。

（二）討論式教學

我們在教學中挑選章節(jié)的重點和難點內(nèi)容設(shè)置討論式教學環(huán)節(jié)，以加深學生對重難點問題的理解，同時培養(yǎng)學生的參與意識與問題意識。[7]一般在課程結(jié)束后我們會布置相關(guān)的思考題，讓學生自由分組，并在下次上課時派代表上臺講解，各組學生針對講解內(nèi)容進行提問和討論并進行互評，最后由教師進行點評和總結(jié)。[8]例如在講解自由能平衡判據(jù)時，我們以《生物體中球狀蛋白有序構(gòu)型形成的熱力學解釋》為題設(shè)置討論思考題，以加深學生對自由能平衡判據(jù)的理解。

（三）階段性總結(jié)答疑

針對個別章節(jié)理論性強、公式多的特點，適時設(shè)置總結(jié)答疑課，對章節(jié)重點內(nèi)容進行梳理和總結(jié)，幫助學生掌握重點概念、理論和公式，為后續(xù)章節(jié)的講解打好理論基礎(chǔ)。此外，期中和期末組織集中學習和答疑，通過對重要知識點的梳理、總結(jié)、凝練，制成表格，幫助學生更快更好地消化所學知識。

三、課程考核

考核內(nèi)容的設(shè)計與教學內(nèi)容相呼應，分別采用閉卷考試、上機考試和課程綜合設(shè)計作業(yè)三種考核方式。其中，閉卷考核占比60%，題型以與實際應用密切相關(guān)的問答題和計算題為主，主要考核學生對材料熱力學基本概念和理論的掌握情況。上機考試占比20%，主要考核學生對Calphad方法的理解和對熱力學數(shù)據(jù)庫的運用能力。課程綜合設(shè)計作業(yè)占比20%，主要考核學員利用所學知識解決實際問題的綜合能力。考核時以組為評價單位，每組3-4人，小組采取自由組合的方式，每組題目各不相同，采用抽簽的方式從題庫中選定。在課程綜合設(shè)計作業(yè)的完成過程中，學員間積極討論交流，進一步加深了對所學知識的理解。同時，這也培養(yǎng)和鍛煉了學生查閱文獻、撰寫科技文章的能力及團隊合作協(xié)作意識，有益于他們即將開展的課題及論文研究工作。從學生們的反饋看，學生對這種考核形式很有興趣且很重視，我們也取得了理想的核效果。

四、結(jié)束語

作為研究生專業(yè)核心課程，材料熱力學是一門注重理論和實踐相結(jié)合的課程。課程教學的目標是培養(yǎng)學生掌握熱力學基本原理，并將其靈活應用于材料科研實踐中。針對該目標，我們在近幾輪的教學實踐中著力從教學內(nèi)容、教學方法和課程考核等方面進行教學探索和實踐。從課堂教學情況、學員反饋和考試結(jié)果來看，上述措施增強了學生的學習興趣，提高了教學效果，提升了學生解決實際問題的能力。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] David R. Gaskell. Introduction to the Thermodynamics of Materials [M]. 4th edition. Abingdon： Taylor & Francis， 2003.

[2] 郝士明.材料熱力學[M].北京： 化學工業(yè)出版社，2004.

[3] 徐祖耀，李麟.材料熱力學[M].北京：科學出版社，2004.

[4] 西澤泰二.微觀組織熱力學[M].北京：化學工業(yè)出版社，2006.

[5] 楊琪，林文松.如何提高《材料熱力學》的教學效果[J].教育教學論壇，2013（41）.

[6] 楊琪.材料熱力學教學中提高學生興趣的探討[J].科教文匯，2013（13）.

[7] 李青春，常國威，陳淑英，岳旭東.“材料熱力學”課程教學改革探索和實踐[J].中國電力教育，2014（2）.

[8] 楊琪.材料熱力學教學中提高學生興趣的探討[J].科教文匯（上旬刊），2013（5）.

[責任編輯：陳 明]