《材料科學(xué)導(dǎo)論》課程的教改探索與實(shí)踐

范圣男，楊振國(guó)

摘要：《材料科學(xué)導(dǎo)論》課程是復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系面向本系三個(gè)專(zhuān)業(yè)及上海第二軍醫(yī)大學(xué)的臨床醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)生開(kāi)設(shè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)必修課程。本文結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，就課程教學(xué)難點(diǎn)、教學(xué)實(shí)踐、教學(xué)效果與評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行了一定的探討和分析。

關(guān)鍵詞：《材料科學(xué)導(dǎo)論》；教學(xué)模式；教學(xué)方法；案例教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）45-0094-04

一、引言

從石器時(shí)代到信息時(shí)代，人類(lèi)的文明史就是利用材料的歷史，每一種新材料的發(fā)現(xiàn)和利用，都會(huì)將人類(lèi)的物質(zhì)文明和精神文明推進(jìn)一大步。新材料、信息技術(shù)和生物技術(shù)是21世紀(jì)的三大主要發(fā)展領(lǐng)域，其中，新材料又是汽車(chē)、航空航天、電子通訊、家用電器、信息技術(shù)、生物醫(yī)藥、國(guó)防工業(yè)、新型能源、城市建設(shè)等領(lǐng)域的物質(zhì)基礎(chǔ)。為此，我國(guó)許多高校都設(shè)立了材料學(xué)院或材料科學(xué)系或材料工程系，以適應(yīng)新材料的研發(fā)和基礎(chǔ)材料應(yīng)用的人才之需。

復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系的學(xué)科方向主要是以功能材料為特色，本科階段分別設(shè)有“材料物理”、“材料化學(xué)”、“電子科學(xué)與技術(shù)（功能材料）”三個(gè)專(zhuān)業(yè)[1]。為了使學(xué)生系統(tǒng)地掌握材料科學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，具備應(yīng)有的專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)，材料科學(xué)系于2010年起開(kāi)設(shè)了面向三個(gè)專(zhuān)業(yè)的平臺(tái)基礎(chǔ)課《材料科學(xué)導(dǎo)論》。本文根據(jù)該門(mén)課程開(kāi)設(shè)六年來(lái)的教學(xué)實(shí)踐情況及教學(xué)過(guò)程中來(lái)自學(xué)生的反饋信息，對(duì)該課程的實(shí)踐與改革進(jìn)行總結(jié)，期望能推動(dòng)課程的進(jìn)一步完善和提高，適應(yīng)材料學(xué)科日新月異的發(fā)展要求。

二、教學(xué)難點(diǎn)淺析

《材料科學(xué)導(dǎo)論》作為一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，涉及內(nèi)容廣，涵蓋了原子基本結(jié)構(gòu)、晶體學(xué)理論、材料熱力學(xué)理論、材料結(jié)晶與生長(zhǎng)、原子擴(kuò)散和遷移、材料基本性能、新材料應(yīng)用等專(zhuān)業(yè)知識(shí)[2]，同時(shí)涉及相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程。材料科學(xué)的主要特點(diǎn)是概念多、內(nèi)容廣、涉及面寬、概念抽象、內(nèi)容缺少連慣性、材料之間缺少必然聯(lián)系，尤其是材料性能煩瑣枯燥，缺乏理論依托，理論知識(shí)又難以應(yīng)用于實(shí)踐，故學(xué)生在學(xué)習(xí)材料科學(xué)過(guò)程中對(duì)于吃不透的理論知識(shí)普遍存在學(xué)得快、忘得快的現(xiàn)象。例如課程難點(diǎn)材料熱力學(xué)及相圖部分，許多學(xué)生不求甚解，課后習(xí)題只比照例題“湊”出結(jié)果，并沒(méi)有真正掌握讀相圖的能力，自然很快就會(huì)忘記相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)。此外，該課程內(nèi)容多，理論性強(qiáng)，教學(xué)課時(shí)吃緊，許多學(xué)生在學(xué)期初就會(huì)產(chǎn)生畏難情緒。若不能及時(shí)解決，會(huì)嚴(yán)重影響其后續(xù)材料學(xué)專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)。對(duì)此，我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中主要推行了一些新的教改措施，并取得了良好的教學(xué)效果。

三、教學(xué)模式探索

1.重視案例教學(xué)。受傳統(tǒng)觀念的影響，很多學(xué)科教學(xué)中都存在重理論、輕實(shí)踐的問(wèn)題，為了優(yōu)化教學(xué)效果，我們?cè)诶碚撔暂^強(qiáng)的基礎(chǔ)課中，加入切合教學(xué)內(nèi)容的相關(guān)生產(chǎn)、生活及科研的實(shí)例，讓學(xué)生在真實(shí)情境中體會(huì)材料學(xué)知識(shí)的實(shí)用性及重要性。比如，講解聚合物材料特性時(shí)，特別舉出生活中無(wú)處不在的、常用的七種塑料：1號(hào)PET、2號(hào)HDPE、3號(hào)PVC、4號(hào)LDPE、5號(hào)PP、6號(hào)PS及7號(hào)PC，并將生活中隨處可見(jiàn)的這7種塑料制品帶到課堂，讓同學(xué)們親自觀察、比較，同時(shí)啟發(fā)學(xué)生思考為何不同的塑料品種必須選用不同的塑料種類(lèi)，并進(jìn)一步歸納總結(jié)材料選用的基本依據(jù)和設(shè)計(jì)方法。又比如，固體材料的變形和滑移的知識(shí)點(diǎn)較為抽象，通過(guò)講解泰坦尼克號(hào)豪華游輪因冰山撞擊而發(fā)生開(kāi)裂失效的故事，指出該船是由體心立方碳鋼板制成的，除材料內(nèi)部存在夾雜物外，碳鋼由于滑移面內(nèi)滑移線少使塑性變形變得困難，斷裂韌性就低，因而一旦受到?jīng)_擊載荷的作用就會(huì)在沿Miller指數(shù)標(biāo)定的原子密排面上先發(fā)生開(kāi)裂，然后因疲勞開(kāi)裂、擴(kuò)展而最終失效，學(xué)生從而就清楚地理解了Miller指數(shù)、滑移面、滑移線等基本概念的物理含義及其實(shí)際用途。再比如，結(jié)合自身課題組近期開(kāi)展的我國(guó)最大的1000MW超臨界發(fā)電機(jī)組雙相不銹鋼（2205）循環(huán)水泵發(fā)生異常斷裂的重大失效分析案例，用實(shí)際構(gòu)件發(fā)生意外斷裂的斷口形貌和金相組織，講解了角焊縫顯微組織的特點(diǎn)及特征，同時(shí)引伸到雙相組織（鐵素體和奧氏體）的不匹配性和微觀結(jié)構(gòu)的脆化問(wèn)題，再談到法蘭和接管連接時(shí)焊接工藝參數(shù)和表面處理工藝是如何影響了焊縫顯微組織的均勻性和匹配性，進(jìn)而談到如何有效控制和優(yōu)化材料的顯微組織。學(xué)生能夠通過(guò)這一案例直觀地了解加工工藝和表面處理是如何影響材料的斷裂韌性和抗疲勞性能，學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)新材料和改善材料性能的一些實(shí)用技術(shù)及工藝訣竅，將一系列知識(shí)點(diǎn)有機(jī)地串聯(lián)起來(lái)，融會(huì)貫通，并且印象十分深刻。

通過(guò)生活中隨處可見(jiàn)的材料、大家耳熟能詳?shù)墓适乱约翱蒲袑?shí)例，激發(fā)學(xué)生的興趣，順理成章地引入基本理論，已經(jīng)成為本課程最普遍的教學(xué)模式。實(shí)踐表明[3]，案例教學(xué)不但可以開(kāi)闊學(xué)生的視野，豐富教學(xué)內(nèi)容，而且還能激發(fā)學(xué)生的求知欲，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)及創(chuàng)新能力。

2.設(shè)置課程實(shí)驗(yàn)。材料學(xué)科同時(shí)也是一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué)，材料學(xué)中有許多重要規(guī)律的發(fā)現(xiàn)是來(lái)自于實(shí)驗(yàn)，因此實(shí)驗(yàn)課是本課程的必要內(nèi)容。配合材料的各種性能的課程，設(shè)置了與固體材料的基本性能相配套的三個(gè)綜合性的實(shí)驗(yàn)課：（1）磁控濺射法制備透明導(dǎo)電氧化物ITO薄膜；（2）橡膠材料的拉伸試驗(yàn)；（3）偏光顯微鏡法觀測(cè)聚苯烯的球晶形態(tài)。通過(guò)三個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練，學(xué)生對(duì)材料的組成、制備、結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用有了更好地理解和把握，學(xué)生觀摩和自行操作實(shí)驗(yàn)后，心得體會(huì)多、收獲大、感受強(qiáng)，通過(guò)理論與實(shí)際相結(jié)合，理解了一些原先比較模糊的概念和原理，有效地訓(xùn)練了他們的動(dòng)手能力、觀察能力、理解能力、分析能力和創(chuàng)新能力。對(duì)于本科階段的學(xué)生而言，除了基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生沒(méi)有太多走進(jìn)尖端實(shí)驗(yàn)室參與研究的機(jī)會(huì)，首次接觸到上述實(shí)驗(yàn)中很多新穎的設(shè)備給他們留下了深刻的印象，激起了學(xué)生們的科研熱情。

3.完善教學(xué)課件。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，人們的思維方式也在發(fā)生著深刻的變革。計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（CAI）已在一定程度上得到了普及[4]。采用多媒體可視化教學(xué)，不僅可以提高單位時(shí)間內(nèi)的信息量，而且可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的感知系統(tǒng)。對(duì)于一些僅用語(yǔ)言無(wú)法講清楚的新材料，如碳60、碳納米管的原子構(gòu)型、量子點(diǎn)內(nèi)電子波函數(shù)等，在PPT中加入了三維動(dòng)畫(huà)視頻，從三維視角理解新材料的特性?？梢暬虒W(xué)不僅能幫助學(xué)生理解，同時(shí)可以引發(fā)學(xué)生對(duì)新材料的興趣。學(xué)生反映，通過(guò)電子課件，對(duì)一些較抽象的概念、理論及特性有比較透切地領(lǐng)悟，記得也更牢。課程組針對(duì)課程內(nèi)容制作了十多個(gè)多媒體電子課件用于課堂教學(xué)，并上傳課程網(wǎng)站供學(xué)生自由借閱。課件制作完成后并沒(méi)有安于現(xiàn)狀“炒冷飯”，而是與時(shí)俱進(jìn)，年年修訂教學(xué)課件，適時(shí)介紹新材料的進(jìn)展。主講教師每年都有國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)會(huì)議的大會(huì)報(bào)告，在日常授課過(guò)程中見(jiàn)縫插針，把邀請(qǐng)報(bào)告的PPT內(nèi)容有選擇地講授給學(xué)生，使學(xué)生能夠了解到新材料、新工藝、新方法、新技術(shù)、新進(jìn)展等，增長(zhǎng)見(jiàn)識(shí)，開(kāi)拓視野，同時(shí)促進(jìn)學(xué)生的自主思考和探索，有效地激發(fā)和培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新能力。endprint

4.優(yōu)化課程體系。在課堂講授中，教材選擇是否合適直接關(guān)系到教學(xué)效果，課程組以國(guó)外經(jīng)典的英文教材作為參考[5-7]，結(jié)合多年積累的優(yōu)秀教學(xué)大綱與教學(xué)經(jīng)驗(yàn)制作課件、講義，立足于基本物理化學(xué)原理的講授和理解，同時(shí)拓展學(xué)生對(duì)習(xí)題和范例的實(shí)際應(yīng)用。例如，國(guó)外近年出版的教科書(shū)都已經(jīng)把基礎(chǔ)材料分成了五類(lèi)，即金屬、陶瓷、聚合物、復(fù)合材料和半導(dǎo)體，我國(guó)則仍然停留在前三類(lèi)基礎(chǔ)材料的介紹上。雖然從化學(xué)角度根據(jù)原子鍵合方式區(qū)分前三類(lèi)基礎(chǔ)材料比較容易，也符合邏輯，但把復(fù)合材料和半導(dǎo)體材料依據(jù)其特殊用途從三大基礎(chǔ)材料中分離出來(lái)進(jìn)行介紹是必要的，也符合實(shí)際，更能體現(xiàn)出它們?cè)诟呖萍碱I(lǐng)域中應(yīng)用的重要性和先進(jìn)性。對(duì)于國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)的教科書(shū)不盲從，參考國(guó)外最新的教材與科研成果，提出問(wèn)題與學(xué)生進(jìn)行有效地互動(dòng)，鼓勵(lì)學(xué)生在上課過(guò)程中提出質(zhì)疑，激發(fā)他們的思考積極性。課后習(xí)題也是經(jīng)過(guò)多年的反復(fù)篩選、考量，注重問(wèn)題的思考性與創(chuàng)新性，減少需要死記硬背的題型。許多學(xué)生能夠根據(jù)課后習(xí)題的問(wèn)題與助教展開(kāi)討論，甚至利用課間時(shí)間積極向講師發(fā)問(wèn)，對(duì)于提高學(xué)生的成績(jī)有很大的幫助。經(jīng)過(guò)多年的課程建設(shè)，本課程在課程大綱、課件、實(shí)驗(yàn)、教學(xué)模式、習(xí)題與考試等各方面已經(jīng)形成了成熟的教學(xué)體系，并能夠緊跟專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)和材料發(fā)展的趨勢(shì)，及時(shí)補(bǔ)充新的教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生的知識(shí)、能力、素質(zhì)等能夠滿足當(dāng)前和未來(lái)的需求。

5.開(kāi)設(shè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。課程組非常重視網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的建設(shè)，在學(xué)校精品課程網(wǎng)站上，《材料科學(xué)導(dǎo)論》課程的主頁(yè)內(nèi)容豐富詳實(shí)，條理清晰，學(xué)生可以查看課程簡(jiǎn)介，下載教學(xué)課件、視頻和相關(guān)的參考資料，就相關(guān)問(wèn)題展開(kāi)專(zhuān)題討論，為師生交流建立有效的教學(xué)信息反饋渠道。凡是與課程相關(guān)的信息都可以在網(wǎng)站上迅速的獲得，有些在課堂上來(lái)不及講授的延伸性?xún)?nèi)容也會(huì)放在網(wǎng)站上供學(xué)有余力的學(xué)生自行下載學(xué)習(xí)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)建設(shè)還可以積累教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和素材，進(jìn)行廣泛的校際交流，帶動(dòng)教學(xué)方式的全面轉(zhuǎn)變，提高學(xué)科建設(shè)的信息化水平，提高材料學(xué)科的綜合影響力。

四、教學(xué)效果評(píng)價(jià)

隨著教學(xué)時(shí)間的推移和閱歷的豐富，憑借教師充滿激情的授課和切實(shí)有效的教學(xué)方法，獲得了學(xué)生的一致好評(píng)和歡迎，在每年的學(xué)生盲評(píng)中都名列前茅。在課程網(wǎng)站上，有學(xué)生留言真誠(chéng)地表達(dá)了自己的感想：“如果用一個(gè)比喻來(lái)形容楊振國(guó)教授的《材料科學(xué)導(dǎo)論》，我想將其比作為材料學(xué)課程中的‘清明上河圖。這幅全景式‘構(gòu)圖將金屬、陶瓷、聚合物、復(fù)合材料和半導(dǎo)體材料等五大基礎(chǔ)材料一一呈現(xiàn)在學(xué)生的眼前，全‘圖結(jié)構(gòu)嚴(yán)密、活潑簡(jiǎn)潔，構(gòu)‘圖起伏有序，講授生動(dòng)傳神?！辈⒂袑W(xué)生結(jié)合自身經(jīng)歷進(jìn)行評(píng)價(jià)：“在上課期間，根據(jù)楊老師課堂闡釋的原理，我提出了一種制備手機(jī)屏幕加硬貼膜的方法，這種方法的原理源自于楊老師講的復(fù)合材料的設(shè)計(jì)以及性能，它有效地解決了手機(jī)屏幕耐刮擦的性能，該項(xiàng)目獲得了3M公司校園創(chuàng)新大賽第二名，并且應(yīng)邀參加第一財(cái)經(jīng)創(chuàng)業(yè)大賽‘天使愛(ài)上誰(shuí)，取得了不錯(cuò)的成績(jī)?！北菊n程自開(kāi)設(shè)以來(lái)，受到校內(nèi)外專(zhuān)家及校內(nèi)教學(xué)督導(dǎo)組很高的評(píng)價(jià)，2012年獲評(píng)復(fù)旦大學(xué)校級(jí)精品課程，2015年獲評(píng)上海市精品課程。上海交通大學(xué)材料學(xué)院的李明教授在評(píng)審意見(jiàn)中肯定了本課程組的教學(xué)工作，并指出“復(fù)旦大學(xué)材料系的學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)扎實(shí)，專(zhuān)業(yè)知識(shí)系統(tǒng)寬廣，這與楊老師開(kāi)設(shè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課有很大的關(guān)系?！边@些學(xué)生和同行教授的反饋留言肯定了課程組多年來(lái)的努力工作，也是我們繼續(xù)前進(jìn)、不斷完善課程建設(shè)的動(dòng)力。

五、結(jié)語(yǔ)

提高自主創(chuàng)新能力，建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家是國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的核心，培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神的大學(xué)生是其中的關(guān)鍵[8]?！恫牧峡茖W(xué)導(dǎo)論》課程講授方式新穎實(shí)用，深入淺出，集知識(shí)性、思想性、趣味性、邏輯性、前瞻性和實(shí)用性為一體，寓樂(lè)于教，又寓教于樂(lè)，讓學(xué)生在輕松、愉快的教學(xué)氛圍中學(xué)習(xí)了掌握基礎(chǔ)材料的基本內(nèi)容，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，使學(xué)生不僅能夠從理論上掌握一些難懂的基礎(chǔ)理論知識(shí)點(diǎn)，更懂得了這些知識(shí)點(diǎn)的實(shí)際用途，有效地訓(xùn)練和培養(yǎng)了他們的綜合能力和創(chuàng)新能力。高等院校不僅需要培養(yǎng)出具有良好基礎(chǔ)科學(xué)研究能力的學(xué)生，更需要培養(yǎng)大量具有實(shí)際工作能力、創(chuàng)新意識(shí)和批判性思維能力的高素質(zhì)人才[9]。因此，我們?cè)诮虒W(xué)中不僅要注重塑造學(xué)生具有良好的專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)和解決問(wèn)題的實(shí)際能力，同時(shí)也要注重激發(fā)學(xué)生對(duì)材料科學(xué)的學(xué)習(xí)熱情和對(duì)新材料研究的向往，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中能夠充分感受到基礎(chǔ)材料和新材料的重要價(jià)值與作用，為其后續(xù)進(jìn)一步學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)課奠定重要的基礎(chǔ)。

致謝：感謝上海市教委對(duì)本文的大力支持。

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