《金屬學(xué)原理》課程教學(xué)創(chuàng)新性改革探索

王淑艷 秦亮 張小立 周瑞

摘 ? 要：材料始終是作為科技發(fā)展的基礎(chǔ)與推動(dòng)力，對(duì)國(guó)家工業(yè)發(fā)展和國(guó)民經(jīng)濟(jì)提高起著至關(guān)重要的作用?！督饘賹W(xué)原理》是材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)最重要的基礎(chǔ)課之一，本文主要探索通過(guò)課程體系的改革，增加互動(dòng)式教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)課堂平臺(tái)、課下活動(dòng)等提升課堂趣味性，同時(shí)對(duì)課堂教學(xué)效果有幫助的硬件設(shè)施進(jìn)行更新，與時(shí)代發(fā)展對(duì)接，引入有助于教學(xué)的先進(jìn)技術(shù)。

關(guān)鍵詞：金屬學(xué)原理 ?課程改革 ?課程體系建設(shè) ?互動(dòng)式教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G64 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）07（c）-0233-02

20世紀(jì)70年代，信息、能源、材料被看作人類(lèi)文明的三大支柱產(chǎn)業(yè)。進(jìn)入21世紀(jì)，新材料與信息技術(shù)、生物技術(shù)成為新技術(shù)革命的重要標(biāo)志[1-2]。高校材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)肩負(fù)著為國(guó)家培養(yǎng)材料學(xué)高級(jí)技術(shù)人員的任務(wù)，為了培養(yǎng)滿(mǎn)足社會(huì)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科技進(jìn)步的高素質(zhì)材料科學(xué)工程技術(shù)人才，對(duì)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課進(jìn)行課程改革，以專(zhuān)業(yè)課程理論的基礎(chǔ)化為思想方針，課程教學(xué)模式的創(chuàng)新性改革為途徑，輔以教學(xué)設(shè)備的先進(jìn)化更新，為我國(guó)培養(yǎng)創(chuàng)新型的高技術(shù)人才[3]。

1 ?《金屬學(xué)原理》課程概況

金屬學(xué)原理課程是我校材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)最重要的專(zhuān)業(yè)核心課之一，既是引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入本專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的入門(mén)課程，又是使學(xué)生掌握材料科學(xué)基本原理的理論課程[4]。作為材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生的必修課與入門(mén)課，我校的《金屬學(xué)原理》分Ⅰ和Ⅱ兩部分進(jìn)行教學(xué)，Ⅰ部分著重材料科學(xué)的基礎(chǔ)理論知識(shí)教學(xué)，Ⅱ部分著重金屬學(xué)熱處理知識(shí)的教學(xué)。本文主要圍繞金屬學(xué)原理Ⅰ的教學(xué)進(jìn)行改革性的探索。

《金屬學(xué)原理Ⅰ》是研究材料的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、加工工藝與性能之間關(guān)系變化規(guī)律的一門(mén)學(xué)科，在課程內(nèi)容上，從晶體學(xué)基礎(chǔ)到晶體中的缺陷，以材料變形與再結(jié)晶為例，認(rèn)識(shí)微觀上的位錯(cuò)等晶體缺陷在材料屈服或退火時(shí)的影響機(jī)制，拓展性地引入晶界等界面知識(shí);了解固體材料的微觀結(jié)構(gòu)，以此為基礎(chǔ)學(xué)習(xí)固體中的擴(kuò)散，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)了凝固過(guò)程中的形核與長(zhǎng)大過(guò)程;掌握固態(tài)相變的基本原理，從而能從熱力學(xué)角度去認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)相圖;最后從不同材料的應(yīng)力應(yīng)變行為出發(fā)，探究其變形機(jī)制，從本質(zhì)上理解不同種類(lèi)的材料在力學(xué)性能上差異大的原因。

從具體的學(xué)習(xí)內(nèi)容上，可以看出金屬材料學(xué)課程具有“三多一少”的特點(diǎn)，即：原理、規(guī)律多，課程內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)多，概念、定義多，而理論計(jì)算少。基本概念很容易混淆，同時(shí)《金屬學(xué)原理》的原理規(guī)律有在基礎(chǔ)課程中學(xué)過(guò)的熱力學(xué)三定律，更多的是擴(kuò)散定律、相圖杠桿定律之類(lèi)的新理論?！督饘賹W(xué)原理》“三多一少”的特點(diǎn)讓學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程時(shí)覺(jué)得枯燥、抽象、難以理解。為此，需要在課程教學(xué)上進(jìn)行創(chuàng)新，對(duì)課程的體系建設(shè)、教學(xué)設(shè)計(jì)以及教學(xué)效果進(jìn)行研究，探索出適合《金屬學(xué)原理》的教學(xué)模式，讓學(xué)生能學(xué)有所得，使該課程能真正成為學(xué)生進(jìn)入材料專(zhuān)業(yè)的基石而非攔路石。

2 ?《金屬學(xué)原理》教學(xué)改革方案

2.1 體系建設(shè)：課程基礎(chǔ)化

《金屬學(xué)原理》是一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，本課程在課程設(shè)置上起著承先啟后的作用，它是大學(xué)物理、無(wú)機(jī)化學(xué)以及材料物理化學(xué)等課程中相關(guān)內(nèi)容的深入，又是材料專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)理論的“啟蒙”，為后續(xù)課程的展開(kāi)扮演著基礎(chǔ)鋪墊和專(zhuān)業(yè)引導(dǎo)的角色。因此有必要對(duì)專(zhuān)業(yè)課程進(jìn)行體系化的認(rèn)識(shí)與建設(shè)，使《金屬學(xué)原理》真正的基礎(chǔ)化。

課程體系化建設(shè)由小到大分三步走。第一步，《金屬學(xué)原理》課程內(nèi)部知識(shí)的體系化。教師應(yīng)針對(duì)性的培養(yǎng)學(xué)生總結(jié)歸納知識(shí)體系的能力，不只是每章一總結(jié)，而是在學(xué)完課程后，對(duì)該課程所講所有內(nèi)容，能搭建起知識(shí)框架。例如針對(duì)《金屬學(xué)原理》這門(mén)課，從物質(zhì)由小到大的構(gòu)成，先形成“晶體-相-組織”這樣的知識(shí)樹(shù)干，然后對(duì)于晶體，又有晶體基本分類(lèi)、晶體中的缺陷、晶界等知識(shí)樹(shù)枝，晶體中的缺陷有點(diǎn)缺陷、線(xiàn)缺陷、面缺陷等，關(guān)于線(xiàn)缺陷位錯(cuò)，學(xué)習(xí)了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)、位錯(cuò)的增值及位錯(cuò)的彈性性質(zhì)等等，這些則可稱(chēng)之為知識(shí)樹(shù)葉，形成一定的知識(shí)框架。在形成知識(shí)框圖后，需要在這棵知識(shí)樹(shù)中間進(jìn)行“拉線(xiàn)”，就是將有關(guān)聯(lián)而無(wú)從屬關(guān)系的知識(shí)點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)，讓學(xué)生對(duì)《金屬學(xué)原理》達(dá)到融會(huì)貫通的程度。課程體系化建設(shè)的第二步，是專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)課程的體系化。針對(duì)材料專(zhuān)業(yè)，構(gòu)建“一個(gè)中心，多個(gè)發(fā)散點(diǎn)”的體系，即以《金屬學(xué)原理》為中心課程，其他相關(guān)專(zhuān)業(yè)課程作為發(fā)散點(diǎn)。對(duì)于重疊知識(shí)點(diǎn)，以《金屬學(xué)原理》詳講，其他課程為預(yù)講或補(bǔ)充，同時(shí)適當(dāng)增加課時(shí)。專(zhuān)業(yè)知識(shí)體系的構(gòu)建需要相關(guān)課程老師的配合，對(duì)彼此課程中重復(fù)知識(shí)點(diǎn)要清楚，并安排好講解的詳略，保證既不出現(xiàn)知識(shí)真空，又不至于浪費(fèi)時(shí)間重復(fù)講解某個(gè)知識(shí)點(diǎn)。課程體系化建設(shè)的第三步，是將所學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)納入已有的科學(xué)物質(zhì)觀中。比如關(guān)于物質(zhì)構(gòu)成，中學(xué)的知識(shí)體系是“物質(zhì)-分子/原子-原子核與電子-質(zhì)子與中子-夸克”，在學(xué)習(xí)了材料學(xué)后，在物質(zhì)與原子之間插入晶體、相和組織，從而形成“物質(zhì)-組織-相-晶體-分子/原子……”的科學(xué)物質(zhì)觀。在授課過(guò)程中，教師有必要對(duì)有關(guān)聯(lián)性的其它專(zhuān)業(yè)知識(shí)對(duì)學(xué)生進(jìn)行答疑，讓他們主動(dòng)去對(duì)比專(zhuān)業(yè)與專(zhuān)業(yè)間的交叉和聯(lián)系。

《金屬學(xué)原理》作為一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，課程改革首先要從思想上認(rèn)識(shí)到它的基礎(chǔ)性，教學(xué)體系上梳理貫通，使學(xué)生能在學(xué)完該課程后，對(duì)所學(xué)專(zhuān)業(yè)有清晰的認(rèn)識(shí)，如此便可高屋建瓴，對(duì)后續(xù)更深入的專(zhuān)業(yè)方向的學(xué)習(xí)游刃有余。

2.2 課堂建設(shè)：教學(xué)方式有趣化

《金屬學(xué)原理》課程概念雜、理論難、需要記憶的知識(shí)點(diǎn)多，導(dǎo)致學(xué)生覺(jué)得課程枯燥、抽象、難以理解，為此需要在課堂教學(xué)方式上進(jìn)行創(chuàng)新，使《金屬學(xué)原理》課程的課堂有趣化。

過(guò)去，為保證教學(xué)進(jìn)度，課程的教學(xué)手段單一，基本上是老師“一言堂”式的講解，學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解收效甚微。課堂教學(xué)方式的改革可以從互動(dòng)式教學(xué)開(kāi)始，即改變以往老師講學(xué)生聽(tīng)的方式，在授課教師的引導(dǎo)下學(xué)生之間或?qū)W生與老師之間進(jìn)行專(zhuān)題討論課，但是要避免形成單一的學(xué)生展示環(huán)節(jié)。互動(dòng)式教學(xué)應(yīng)該是這樣的：首先，專(zhuān)題明確。針對(duì)某個(gè)問(wèn)題，進(jìn)行集體討論。上述學(xué)生展示式的上課方式最大的弊端是不同組的學(xué)生分到不同章節(jié)內(nèi)容，每個(gè)組只針對(duì)自己的專(zhuān)題查詢(xún)資料，對(duì)其它內(nèi)容不了解，而且在展示時(shí)只認(rèn)真聽(tīng)自己組的內(nèi)容。因此，互動(dòng)式教學(xué)要有明確統(tǒng)一的主題;其次，互動(dòng)式教學(xué)主題的延拓。不應(yīng)只盯著課本，要放眼于大專(zhuān)業(yè)，去找值得討論的主題。結(jié)合當(dāng)下熱門(mén)的相關(guān)主題進(jìn)行討論，最熱門(mén)的材料以及和材料相關(guān)的制造行業(yè)等等;最后，互動(dòng)式教學(xué)的方式多樣化，對(duì)發(fā)散性專(zhuān)題甚至可以展開(kāi)辯論。例如材料制造技術(shù)中的3D打印技術(shù)，能否在建筑領(lǐng)域推廣。提前將辯題布置，可以讓學(xué)生主動(dòng)去查資料，在整個(gè)互動(dòng)式教學(xué)過(guò)程中，授課教師起到至關(guān)重要的作用，提出可供探討的主題，組織學(xué)生討論或辯論，還要對(duì)學(xué)生提出的知識(shí)點(diǎn)隨時(shí)糾正補(bǔ)充，甚至有些教師不了解的知識(shí)點(diǎn)，被學(xué)生挖掘出來(lái)，這是一次教學(xué)相長(zhǎng)的過(guò)程。

信息化時(shí)代，由于智能手機(jī)、平板電腦、掌上電腦等各種手持式移動(dòng)設(shè)備的迅速普及，使得移動(dòng)學(xué)習(xí)成為可能，并逐步發(fā)展為一種新興的學(xué)習(xí)方式。手機(jī)而非課本成為每個(gè)學(xué)生上課必帶品，教師不一定非強(qiáng)制學(xué)生不能帶手機(jī)進(jìn)課堂，而是可以利用手機(jī)成為網(wǎng)絡(luò)課堂互動(dòng)工具，引導(dǎo)學(xué)生利用移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行學(xué)習(xí)?！督饘賹W(xué)原理》理論體系龐雜，課時(shí)有限，課堂互動(dòng)工具的使用，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)將課前預(yù)習(xí)、課堂互動(dòng)與課后復(fù)習(xí)結(jié)合，對(duì)教師來(lái)說(shuō)將課前簽到、課堂授課和課后反饋結(jié)合，高效地完成了教學(xué)任務(wù)。同時(shí)，這些課堂互動(dòng)工具有效地調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、調(diào)節(jié)課堂氣氛，在增加學(xué)生參與度的同時(shí)還能很好地提高課堂效率。

2.3 硬件建設(shè)：教學(xué)設(shè)備先進(jìn)化

《金屬學(xué)原理》課程中涉及大量的微觀或宏觀結(jié)構(gòu)模型，即使教材圖片豐富，二維的圖也很難展示三維的結(jié)構(gòu)，因此有必要借助模型設(shè)備或其他手段來(lái)方便學(xué)生對(duì)課程的理解。

課程涉及的結(jié)構(gòu)模型有靜態(tài)的，也有動(dòng)態(tài)的。針對(duì)動(dòng)靜態(tài)的模型，采用不同展示手段。對(duì)于靜態(tài)結(jié)構(gòu)，可以搭建模型，例如晶體結(jié)構(gòu)，可以用塑料球和塑料棒搭建不同的布拉菲點(diǎn)陣。另外，動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)則需要制作微視頻，例如螺型位錯(cuò)的三維形態(tài)，以及位錯(cuò)的滑移和攀移等過(guò)程，特別是刃型位錯(cuò)的攀移過(guò)程中，如果能用微視頻展示這個(gè)過(guò)程，空位濃度的變化導(dǎo)致上攀移還是下攀移將一目了然。相圖這一章中，學(xué)生需要分析不同成分下降溫導(dǎo)致的金相組織的變化。對(duì)應(yīng)亞共晶二元合金的降溫凝固過(guò)程，將端際固溶體α和β的先后析出過(guò)程用微視頻展現(xiàn)，學(xué)生對(duì)相圖不同階段的相變化與組織形貌將有更清晰的認(rèn)識(shí)。

通過(guò)搭建模型、制作微視頻等都是為了幫助學(xué)生更好的理解《金屬學(xué)原理》的微觀或宏觀復(fù)雜模型結(jié)構(gòu)，但也要讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到模型與實(shí)際觀察的區(qū)別，因此需要開(kāi)設(shè)現(xiàn)代分析測(cè)試設(shè)備實(shí)驗(yàn)課，學(xué)生通過(guò)SEM或TEM等顯微電鏡觀察物相的實(shí)際顯微形貌，并與模型對(duì)照，從而對(duì)課程涉及的微觀結(jié)構(gòu)有準(zhǔn)確而深入的認(rèn)識(shí)。

3 ?結(jié)語(yǔ)

在以“中國(guó)制造2025”為目標(biāo)的創(chuàng)新性工業(yè)強(qiáng)國(guó)的建設(shè)中，機(jī)械制造、通信、航空航天等領(lǐng)域都需要以材料學(xué)發(fā)展為依托和基礎(chǔ)，在此背景下，如何培養(yǎng)出滿(mǎn)足國(guó)家工業(yè)發(fā)展所需的材料學(xué)高技術(shù)人才，是一個(gè)亟待探索的課題?！督饘賹W(xué)原理》的課程改革以創(chuàng)新型課堂模式為途徑，將重點(diǎn)放在專(zhuān)業(yè)課的深入學(xué)習(xí)與掌握上，力圖培養(yǎng)應(yīng)用型人才的基礎(chǔ)，為國(guó)家材料領(lǐng)域的發(fā)展提供源源不斷的人才。

參考文獻(xiàn)

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