《材料熱力學(xué)》課程信息化教學(xué)模式初探①

谷萬(wàn)里 方曉英 朱光明 秦聰祥

摘? 要：該文對(duì)《材料熱力學(xué)》課程的信息化教學(xué)改革進(jìn)行了探討。主要內(nèi)容包括：嘗試?yán)没ヂ?lián)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)來(lái)實(shí)現(xiàn)教學(xué)互動(dòng);在網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)作業(yè)布置、答疑解惑和討論以幫助學(xué)生理解，讓學(xué)生之間相互討論以加深對(duì)重點(diǎn)知識(shí)的理解;鼓勵(lì)學(xué)生用發(fā)散式思維來(lái)理解問(wèn)題，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性。近些年的教學(xué)實(shí)踐表明，上述這些教學(xué)改革嘗試收到了比較好的效果。

關(guān)鍵詞：材料熱力學(xué)? 信息化教學(xué)? 教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）07（c）-0075-02

材料科學(xué)已經(jīng)成為目前科技發(fā)展的一個(gè)重要的基礎(chǔ)學(xué)科并受到廣泛的重視。近年來(lái)，為了提高材料科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生的理論水平，很多院校開(kāi)設(shè)了《材料熱力學(xué)》這門專業(yè)基礎(chǔ)課。這表明了該課程已經(jīng)在材料類專業(yè)具有了一定的地位和作用。從本科生課程設(shè)置來(lái)看，多數(shù)學(xué)校都將其設(shè)定為最先開(kāi)設(shè)的專業(yè)課之一，因此，該課程也具有引領(lǐng)學(xué)生走入材料科學(xué)領(lǐng)域的向?qū)ё饔?。該課程還是很多后續(xù)專業(yè)課程的基礎(chǔ)。從這個(gè)意義上講，該課程的教學(xué)質(zhì)量在一定程度上決定了整個(gè)專業(yè)人才培養(yǎng)的成敗，隨著近年來(lái)信息化教學(xué)被越來(lái)越重視，對(duì)該課程信息化教學(xué)改革方面的探討具有十分重要的意義。

1? 目前的課程設(shè)置現(xiàn)狀和教學(xué)中存在的問(wèn)題

目前國(guó)內(nèi)各高校材料類專業(yè)所設(shè)置的《材料熱力學(xué)》課程基本是以物理專業(yè)的熱力學(xué)作為基礎(chǔ)，將物理專業(yè)熱力學(xué)課程中的基本理論進(jìn)行介紹，然后再添加一部分材料科學(xué)的相關(guān)知識(shí)。應(yīng)該說(shuō)，這種設(shè)置是基本合理的，也恰好與課程的名稱是相符的，但是，據(jù)我們多年來(lái)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，這種設(shè)置還是存在一定的問(wèn)題。主要問(wèn)題在于：在物理專業(yè)，熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理是傳統(tǒng)的四大力學(xué)之一，在學(xué)習(xí)這門課程之前，學(xué)生要首先學(xué)習(xí)包括熱學(xué)在內(nèi)的普通物理的課程，從數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上看，物理專業(yè)的學(xué)生還要學(xué)習(xí)數(shù)理方程，這些都是學(xué)習(xí)四大力學(xué)的基礎(chǔ)。然而，對(duì)于材料專業(yè)的學(xué)生而言，它們只是在高中和大學(xué)物理里面掌握了一些熱力學(xué)前期的所需知識(shí)，這與物理專業(yè)的學(xué)生相比存在著巨大的差距，這也就造成了學(xué)習(xí)《材料熱力學(xué)》這門課程的先天不足。

由于該課程的理論性較強(qiáng)，學(xué)生的前期知識(shí)儲(chǔ)備不足。所需要的一些物理與化學(xué)知識(shí)超出了目前《大學(xué)物理》等前期課程的知識(shí)范圍，這就使學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)面臨著很大的困難。例如，在學(xué)習(xí)熱力學(xué)第一定律時(shí)涉及到的焓的概念，學(xué)習(xí)熱力學(xué)第二定律時(shí)涉及到的熵的概念以及隨后的吉布斯自由能、亥姆霍茲自由能等概念，都屬于熱力學(xué)基本概念，而這些概念對(duì)于工科學(xué)生來(lái)說(shuō)理解起來(lái)都具有一定的困難，很多概念要反復(fù)多次才能有個(gè)基本理解。另一方面，由于數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的不足，在進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算時(shí)也會(huì)帶來(lái)比較多的困難。

在這種情況下，與傳統(tǒng)的教學(xué)模式相比，信息化教學(xué)模式就有了明顯的優(yōu)勢(shì)。信息化教學(xué)作為一種近年來(lái)出現(xiàn)的教學(xué)手段，目前已在眾多的教學(xué)領(lǐng)域被不斷嘗試，從高等教育[1]、職業(yè)教育[2]到中小學(xué)[3，4]的各個(gè)階段都有眾多的老師在嘗試著利用信息化教學(xué)，也取得了較好的教學(xué)效果。信息化教學(xué)最大的優(yōu)勢(shì)在于教與學(xué)的互動(dòng)性，傳統(tǒng)模式下，教師在課堂上講解，學(xué)生在下邊聽(tīng)，如果學(xué)生對(duì)哪個(gè)問(wèn)題沒(méi)有理解清楚，要想再找老師請(qǐng)教相對(duì)來(lái)說(shuō)比較困難，很多學(xué)生出于各種原因很少和老師交流，這樣就使得沒(méi)有在課堂上消化的知識(shí)一直無(wú)法真正弄懂，學(xué)習(xí)效果就大打折扣了。而信息化教學(xué)恰好彌補(bǔ)了這個(gè)缺陷。

2? 教學(xué)改革中的一些嘗試

針對(duì)以上情況。近年來(lái)，筆者在教學(xué)過(guò)程中進(jìn)行了一些嘗試。

筆者利用學(xué)校教務(wù)處的網(wǎng)上教學(xué)平臺(tái)，首先把全部課件上傳到了網(wǎng)上，讓學(xué)生可以在課后進(jìn)一步學(xué)習(xí)課程內(nèi)容有了方便條件。隨后又開(kāi)通了在線討論，每講授一個(gè)內(nèi)容后讓學(xué)生在網(wǎng)上進(jìn)行討論，哪些概念能理解、哪些概念還不能充分理解都可以在網(wǎng)上提出來(lái)，很多時(shí)候，都是學(xué)生之間通過(guò)討論加強(qiáng)了對(duì)概念的理解。事實(shí)表明，這種互動(dòng)式教學(xué)往往可以起到事半功倍的效果，這一點(diǎn)也是被眾多的信息化教學(xué)的實(shí)踐者所證實(shí)的[5，6]。

網(wǎng)上討論還有一個(gè)非常明顯的優(yōu)勢(shì)，那就是對(duì)于一些比較抽象的概念，這種討論更方便用比較通俗的語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行講解。例如，由于學(xué)生缺少必要的熱力學(xué)知識(shí)，對(duì)焓、熵、自由能等概念的認(rèn)識(shí)比較困難。在涉及到這類概念時(shí)筆者就進(jìn)行了很多通俗化的處理。在討論為何提純材料的純度越高越困難時(shí)，筆者一方面介紹當(dāng)雜質(zhì)的含量很低時(shí)，對(duì)熵的影響很大;另一方面給學(xué)生舉例，假如已知在某個(gè)公共場(chǎng)所有100個(gè)賊，抓到50個(gè)的時(shí)候應(yīng)該是比較容易的，越往后抓越困難，如果最后還剩3個(gè)賊，抓起來(lái)的難度可能比前面那97個(gè)還困難。這就表明雜質(zhì)剩得越少清除越困難。雖然這兩者之間跨度較大，但二者之間也是有一定內(nèi)在聯(lián)系的，事實(shí)表明，通過(guò)這種生活中常見(jiàn)的事例來(lái)講解可以讓學(xué)生比較容易對(duì)那些抽象概念進(jìn)行理解。

這種用生活中的事情來(lái)類比材料科學(xué)中的熱力學(xué)問(wèn)題的方法在網(wǎng)上討論時(shí)經(jīng)常會(huì)用到，由于生活中的事例都是常見(jiàn)的、容易理解的，而很多人則沒(méi)有對(duì)其背后隱藏的科學(xué)性進(jìn)行思考，因此，如果將其背后的科學(xué)性和一些真正的科學(xué)問(wèn)題相類比往往會(huì)起到幫助理解科學(xué)問(wèn)題的作用。例如，講解熱力學(xué)的穩(wěn)定狀態(tài)與亞穩(wěn)狀態(tài)時(shí)，一個(gè)典型的實(shí)例就是鐵碳相圖的二重性問(wèn)題，從理論上講，就是熱力學(xué)條件和動(dòng)力學(xué)條件這對(duì)矛盾統(tǒng)一體的相互協(xié)調(diào)問(wèn)題，我們?cè)谡n堂上也是這樣講解的，這本身當(dāng)然無(wú)可厚非。然而，很多學(xué)生還是對(duì)為何在熱力學(xué)上不占優(yōu)勢(shì)的亞穩(wěn)態(tài)可以存在而表示不理解，在網(wǎng)上討論的時(shí)候很多學(xué)生就表現(xiàn)出了困惑。

為了幫助學(xué)生理解這個(gè)概念，筆者在網(wǎng)上請(qǐng)學(xué)生先考慮一個(gè)生活中的例子，先請(qǐng)同學(xué)考慮在廣場(chǎng)上混亂分布著兩個(gè)學(xué)院的學(xué)生，然后下集合令要求相同學(xué)院的學(xué)生要聚在一起。問(wèn)學(xué)生一個(gè)問(wèn)題：是要兩個(gè)學(xué)院的學(xué)生完全形成聚集容易還是只形成了部分聚集容易呢（所謂部分聚集是只在一個(gè)區(qū)域中某一個(gè)學(xué)院的學(xué)生數(shù)量比平均數(shù)多，但還有一些另外學(xué)院的學(xué)生未來(lái)得及撤出）？學(xué)生回答當(dāng)然是部分聚集容易一些。再啟發(fā)學(xué)生，這兩種情況哪個(gè)需要更長(zhǎng)的時(shí)間呢？很顯然也是完全聚集需要更長(zhǎng)的時(shí)間。借著這一問(wèn)題我們考慮鐵碳合金，當(dāng)鐵原子和碳原子混合在一起的時(shí)候，如果其中的碳要形成石墨結(jié)構(gòu)，就必須使這一區(qū)域形成只有碳原子的完全聚集的情況，而要形成滲碳體，則只需在該區(qū)域中形成碳原子的相對(duì)富集，這一過(guò)程顯然要比前者更容易實(shí)現(xiàn)。再回到熱力學(xué)的問(wèn)題，形成石墨是熱力學(xué)最穩(wěn)定的狀態(tài)，但動(dòng)力學(xué)上比較困難，形成滲碳體是熱力學(xué)上亞穩(wěn)狀態(tài)，但動(dòng)力學(xué)上比較容易。這種熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的矛盾統(tǒng)一就構(gòu)成了材料形態(tài)的千姿百態(tài)。筆者又進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)生，從上面操場(chǎng)集合的例子來(lái)看，要形成石墨結(jié)構(gòu)，應(yīng)該具備兩個(gè)條件，一方面，要給碳原子的富集留有足夠的時(shí)間，這就要求有比較慢的冷卻速度。另一方面，當(dāng)冷卻速度一定時(shí)，碳原子的活動(dòng)能力越大，形成完全富集的可能性也越大，就相當(dāng)于給定時(shí)間的情況下，學(xué)生跑的速度越快，達(dá)到完全聚集狀態(tài)的可能性越大。同時(shí)，碳原子的含量越高，形成完全富集的可能性也越大。這就表明，含碳量高的鐵碳合金中易形成石墨，而在整個(gè)冷卻過(guò)程中，高溫階段也比低溫階段更容易形成石墨結(jié)構(gòu)。這也就解釋了為何高溫階段的石墨化比低溫階段容易完成的原因。

事先給學(xué)生布置一些思考問(wèn)題，在網(wǎng)上增加師生的互動(dòng)也是筆者近年來(lái)嘗試的一個(gè)重點(diǎn)。為了增強(qiáng)學(xué)生發(fā)散式思維方式的培養(yǎng)，筆者尤其鼓勵(lì)學(xué)生用教材之外的知識(shí)來(lái)思考問(wèn)題。鼓勵(lì)學(xué)生用表面上完全不相干的事情來(lái)解釋課程中出現(xiàn)的問(wèn)題。例如，在學(xué)習(xí)枝晶長(zhǎng)大問(wèn)題時(shí)，布置學(xué)生思考為何有些晶粒會(huì)出現(xiàn)異常長(zhǎng)大。有學(xué)生將其與改革開(kāi)放初期讓一部分人先富起來(lái)相聯(lián)系，說(shuō)大多數(shù)人是在舊體制中束縛著，一少部分人脫離了這一束縛，再加上政策扶植和個(gè)人努力就先富起來(lái)了，這兩件事情之間雖然距離較遠(yuǎn)，但本質(zhì)確實(shí)有著相同之處，對(duì)這樣的回答筆者給予了充分的肯定。再例如，在學(xué)習(xí)回復(fù)和再結(jié)晶問(wèn)題時(shí)，有的同學(xué)說(shuō)，回復(fù)過(guò)程中只是位錯(cuò)進(jìn)行了重新排列，這相當(dāng)于舊體制下的小變革，可以緩解一些社會(huì)矛盾。再結(jié)晶則是無(wú)畸變的新晶粒替代變形晶粒，這相當(dāng)于一個(gè)新的社會(huì)體系代替舊的社會(huì)體系，是對(duì)舊體制的一種徹底摧毀。而之前的變形所儲(chǔ)存的能量就相當(dāng)于社會(huì)矛盾，很顯然，只有社會(huì)矛盾積累到一定程度后才會(huì)出現(xiàn)新舊社會(huì)的更新，這就是需要有較大的畸變能才會(huì)出現(xiàn)再結(jié)晶的原因。再結(jié)晶需要形核，只有超過(guò)一定臨界尺寸的晶核才能長(zhǎng)大，這相當(dāng)于新勢(shì)力要形成一定規(guī)模才能和舊勢(shì)力對(duì)抗，新勢(shì)力的先進(jìn)性就相當(dāng)于相變驅(qū)動(dòng)力。

從前期的教學(xué)實(shí)踐來(lái)看，充分利用互聯(lián)網(wǎng)，采用信息化教學(xué)方式是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式的一個(gè)有益的補(bǔ)充，它可以更好地發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，讓學(xué)生充分參與到教學(xué)過(guò)程中來(lái)，一方面提高了教學(xué)效果，另一方面也更好地提高了學(xué)生的語(yǔ)言組織能力和表達(dá)能力。一些學(xué)生在開(kāi)始階段比較膽怯，尤其是其考慮的問(wèn)題與教材相差較遠(yuǎn)時(shí)會(huì)有顧慮，當(dāng)這類思考不僅沒(méi)被打擊反而還得到贊賞的時(shí)候，會(huì)加大其對(duì)自身能力的認(rèn)知，也會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)其發(fā)散式思維方式的培養(yǎng)，從而在教學(xué)中形成一種良性循環(huán)。

3? 結(jié)語(yǔ)

近幾年的教學(xué)改革實(shí)踐表明，利用互聯(lián)網(wǎng)對(duì)傳統(tǒng)的教學(xué)過(guò)程可以起到補(bǔ)充的作用，這種模式更方便采用類比的方法和師生互動(dòng)的方法，可以讓學(xué)生比較迅速地掌握一些復(fù)雜的理論。鼓勵(lì)學(xué)生采用發(fā)散式思維將不同學(xué)科的知識(shí)相互聯(lián)系能有效拓展學(xué)生的思維方式，這方面在前期教學(xué)實(shí)踐中收到了一定效果，今后還將進(jìn)行更多的嘗試。

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