冶金材料交叉專(zhuān)業(yè)材料科學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)踐

萬(wàn) 浩，韓桂洪，馬 煒，曹亦俊，劉兵兵

(鄭州大學(xué) 化工學(xué)院，河南 鄭州 450001)

鄭州大學(xué)冶金工程本科專(zhuān)業(yè)依托化工學(xué)院化學(xué)工程與技術(shù)一級(jí)學(xué)科背景設(shè)立，以“化學(xué)工程與工藝”通識(shí)教育為基礎(chǔ)，高度融合礦業(yè)工程、冶金工程、材料科學(xué)與工程等多學(xué)科培養(yǎng)體系，對(duì)高?！靶鹿た啤北尘跋虏煌瑢W(xué)科和專(zhuān)業(yè)的高度交叉、互融及人才培養(yǎng)方面意義重大。冶金工程被認(rèn)為是連接資源相關(guān)學(xué)科和材料學(xué)科，實(shí)現(xiàn)“資源—冶金—材料”多學(xué)科產(chǎn)學(xué)研一體化的橋梁，有利于培養(yǎng)社會(huì)亟需的復(fù)合型人才并推動(dòng)學(xué)校相關(guān)學(xué)科產(chǎn)學(xué)研一體化同步發(fā)展。探究冶金工程專(zhuān)業(yè)中材料科學(xué)基礎(chǔ)課程的教學(xué)實(shí)踐具有重要的意義。

為適應(yīng)河南省關(guān)鍵金屬選冶、分離、純化、材料化的全產(chǎn)業(yè)鏈條的新布局，冶金工程專(zhuān)業(yè)材料科學(xué)基礎(chǔ)的教學(xué)與改革顯得尤為重要。本文以鄭州大學(xué)冶金工程專(zhuān)業(yè)課材料科學(xué)基礎(chǔ)為例，探討礦物加工、冶金與材料專(zhuān)業(yè)交叉背景下的教學(xué)特點(diǎn)及存在的問(wèn)題與對(duì)策，擬進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)科之間的融合，提高本科生教育質(zhì)量。具有冶金、礦物加工、材料多學(xué)科交叉學(xué)習(xí)背景的畢業(yè)生在升學(xué)、擇業(yè)等方面選擇性多、適應(yīng)能力強(qiáng)，可以到礦冶、化工、材料、環(huán)境甚至物理、化學(xué)等相關(guān)行業(yè)或科研院所繼續(xù)從事生產(chǎn)、研發(fā)、管理或進(jìn)一步研究生階段學(xué)習(xí)深造。

1 鄭州大學(xué)冶金工程專(zhuān)業(yè)特色

河南省是中西部地區(qū)資源產(chǎn)業(yè)省份的突出代表，省內(nèi)鋁等十余種有色金屬總產(chǎn)量位居全國(guó)第一。當(dāng)前，在“雙碳”政策下，資源加工與金屬冶煉行業(yè)逐步由單一的選或冶模式向綠色選冶、選冶聯(lián)合或交叉的形勢(shì)發(fā)展，為了更好地服務(wù)下游材料產(chǎn)業(yè)。針對(duì)行業(yè)人才短缺的問(wèn)題，鄭州大學(xué)于2015年調(diào)整已有學(xué)科體系，新增以“資源-冶金-材料”產(chǎn)學(xué)研一體化為特色的冶金工程本科專(zhuān)業(yè)。專(zhuān)業(yè)以“化學(xué)工程與工藝”通識(shí)教育為基礎(chǔ)，高度融合礦業(yè)工程、冶金工程、材料科學(xué)與工程多學(xué)科培養(yǎng)體系，為社會(huì)和產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)急需的復(fù)合型人才。

經(jīng)過(guò)6余年時(shí)間，冶金工程專(zhuān)業(yè)及學(xué)科建設(shè)以初見(jiàn)成效，現(xiàn)具有冶金工程一級(jí)學(xué)科碩士點(diǎn)并成功入選國(guó)家一流本科專(zhuān)業(yè)，教學(xué)團(tuán)隊(duì)入選河南省本科高等學(xué)校優(yōu)秀基層教學(xué)組織。專(zhuān)業(yè)課程方面以冶金原理為基礎(chǔ)，礦物加工學(xué)、有色金屬冶金學(xué)、金屬學(xué)及熱處理、冶金傳輸原理、鋼鐵冶金學(xué)、冶金工廠設(shè)計(jì)等為核心課程，并設(shè)立材料科學(xué)基礎(chǔ)、冶金及材料分析檢測(cè)技術(shù)、冶金電化學(xué)、冶金科技創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)等冶金材料交叉特色專(zhuān)業(yè)拓展課程。

冶金工程專(zhuān)業(yè)學(xué)科交叉的培養(yǎng)模式和課程設(shè)置，一方面?zhèn)魇趯W(xué)生資源加工、冶金、材料的基本科學(xué)原理、工藝及設(shè)備，融合“綠色冶金”和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的理念，另一方面鍛煉學(xué)生科技創(chuàng)新思維與能力，培養(yǎng)理論基礎(chǔ)知識(shí)扎實(shí)、實(shí)踐創(chuàng)新能力強(qiáng)的復(fù)合型人才。近兩年來(lái)，本科畢業(yè)生的就業(yè)去向如下： 其中升學(xué)比例分別達(dá)到73.5%和66.7%，與就業(yè)相關(guān)分別占17.65%、22.22%，其他就業(yè)比例為8.82%、11.11%。升學(xué)目標(biāo)為清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、中南大學(xué)、西安交通大學(xué)、北京科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)等冶金、材料相關(guān)專(zhuān)業(yè)強(qiáng)校；企事業(yè)單位就業(yè)方面，主要去向?yàn)槿照珍撹F有限公司、鞍山鋼鐵集團(tuán)有限公司、衢州華友鈷新材料有限公司、浙江超威動(dòng)力能源有限公司、大冶有色金屬集團(tuán)控股有限公司、河南豫光金鉛集團(tuán)有限責(zé)任公司、萬(wàn)華化學(xué)集團(tuán)股份有限公司、深圳市華星光電技術(shù)有限公司等冶金、材料相關(guān)專(zhuān)業(yè)知名單位。畢業(yè)生就業(yè)去向情況表明本專(zhuān)業(yè)對(duì)復(fù)合型人才培養(yǎng)方面已取得較好的成績(jī)。

2 材料科學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)大綱的修訂

材料科學(xué)基礎(chǔ)是材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的必修課程，同時(shí)也是國(guó)內(nèi)部分高校冶金工程、機(jī)械工程、化學(xué)工程與技術(shù)等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)核心或?qū)I(yè)選修課程。冶金工序涉及礦產(chǎn)資源加工和選冶知識(shí)，其中涵蓋了金屬材料(如金屬化合物)和無(wú)機(jī)材料及相關(guān)科學(xué)基礎(chǔ)。鑒于以上背景，冶金工程專(zhuān)業(yè)材料科學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)首次提出系統(tǒng)糅合金屬材料科學(xué)基礎(chǔ)和無(wú)機(jī)材料科學(xué)基礎(chǔ)相關(guān)內(nèi)容。根據(jù)32總學(xué)時(shí)規(guī)劃，講授內(nèi)容主要包括：①原子結(jié)構(gòu)與鍵合。包含原子的基本結(jié)構(gòu)和鍵合類(lèi)型；②晶體結(jié)構(gòu)。詳細(xì)講授晶體學(xué)基礎(chǔ)、各種金屬晶體和典型無(wú)機(jī)非金屬晶體類(lèi)型，并少量涉及聚合物晶體和準(zhǔn)晶體；③晶體缺陷。重點(diǎn)講授無(wú)機(jī)材料中廣泛存在的點(diǎn)缺陷、金屬材料中的線缺陷(位錯(cuò))及表界面(晶界、相界)等；④非晶態(tài)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)。主要包括熔體的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及玻璃態(tài)；⑤固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng)(擴(kuò)散)。⑥材料的形變和再結(jié)晶。包含彈性變形、塑性變形、回復(fù)與結(jié)晶、熱變形等；⑦相圖及凝固。以上教學(xué)內(nèi)容包含了“資源-冶金-材料”產(chǎn)學(xué)研一體化中涉及材料學(xué)科相關(guān)的主要內(nèi)容。

針對(duì)以前教學(xué)過(guò)程以金屬材料科學(xué)基礎(chǔ)的問(wèn)題，本次教案修訂系統(tǒng)糅合了無(wú)機(jī)材料科學(xué)基礎(chǔ)部分?？紤]到課程性質(zhì)、學(xué)時(shí)安排和鄭州大學(xué)冶金工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)科背景與建設(shè)需求，增加的部分主要是無(wú)機(jī)材料的晶體結(jié)構(gòu)、熔體的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，其中無(wú)機(jī)材料的晶體結(jié)構(gòu)詳細(xì)介紹非金屬單質(zhì)晶體、多種無(wú)機(jī)化合物晶體結(jié)構(gòu)、硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)，并特別介紹無(wú)機(jī)材料科學(xué)基礎(chǔ)中特有的缺陷反應(yīng)和非化學(xué)計(jì)量化合物。礦產(chǎn)資源選冶過(guò)程中的原料、產(chǎn)物大部分為無(wú)機(jī)化合物，因此本次修訂針對(duì)性地增加了無(wú)機(jī)材料的晶體結(jié)構(gòu)部分。同時(shí)，傳統(tǒng)火法冶金工藝包含燒結(jié)焙燒、熔煉等部分，涉及高溫熔體，因此本次教學(xué)大綱中也針對(duì)性地增加了熔體相關(guān)內(nèi)容，旨在更好地服務(wù)于冶金工程寬口徑復(fù)合型創(chuàng)新人才培養(yǎng)和專(zhuān)業(yè)建設(shè)與發(fā)展。

3 材料科學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)

材料科學(xué)基礎(chǔ)課程為鄭州大學(xué)冶金工程專(zhuān)業(yè)選修課。根據(jù)本次課程大綱修訂和專(zhuān)業(yè)建設(shè)方向，本課程由具有冶金工程和材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)教育背景的2名教學(xué)科研型專(zhuān)業(yè)教師擔(dān)任主講教師，有利于教學(xué)過(guò)程中對(duì)冶金工程和材料科學(xué)與工程的融合教學(xué)。同時(shí)，該課程也隸屬于冶金工程專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)課程群，其基本任務(wù)是使學(xué)生了解和掌握材料專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域技術(shù)基礎(chǔ)理論、專(zhuān)業(yè)知識(shí)，是培養(yǎng)復(fù)合型人才的重要課程。

本課程的特點(diǎn)是注重邏輯推理和數(shù)理解析，從原子、分子層面逐步過(guò)渡到材料層面，循序漸進(jìn)地引導(dǎo)學(xué)生加強(qiáng)對(duì)材料科學(xué)知識(shí)體系的建立。課程存在物理概念較抽象、定義多、數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)復(fù)雜等難點(diǎn)。經(jīng)過(guò)數(shù)年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，課程教學(xué)過(guò)程中應(yīng)該深入理解公式推導(dǎo)和物理意義，重視材料科學(xué)的共性問(wèn)題并加強(qiáng)靈活應(yīng)用。

4 學(xué)科交叉背景下教學(xué)存在的問(wèn)題與對(duì)策

傳統(tǒng)材料科學(xué)基礎(chǔ)課程的教學(xué)主要集中于材料科學(xué)共性知識(shí)體系的構(gòu)筑，在課程的多學(xué)科交叉方面有待進(jìn)一步加強(qiáng)。同時(shí)，該課程對(duì)數(shù)理基礎(chǔ)知識(shí)的要求較高，存在“難教”和“難學(xué)”的問(wèn)題，對(duì)于數(shù)理知識(shí)掌握不牢靠和前期專(zhuān)業(yè)知識(shí)不扎實(shí)的學(xué)生學(xué)習(xí)難度較大。另一方面，對(duì)于冶金工程系本科生，本次教學(xué)大綱新增的無(wú)機(jī)材料科學(xué)基礎(chǔ)部分屬于較新的內(nèi)容，在前期本科生課程學(xué)習(xí)和培養(yǎng)過(guò)程中涉及較少。

基于高等教育推進(jìn)“新工科”建設(shè)的要求和鄭州大學(xué)多學(xué)科產(chǎn)學(xué)研一體化建設(shè)的導(dǎo)向，根據(jù)本課程以往的教學(xué)思路和經(jīng)驗(yàn)，主要存在的課程教學(xué)問(wèn)題及初步的對(duì)策探討如下：①進(jìn)一步加強(qiáng)材料科學(xué)基礎(chǔ)課程與冶金工程專(zhuān)業(yè)的融合，加深學(xué)生對(duì)礦物加工過(guò)程和有色金屬冶金過(guò)程中材料科學(xué)知識(shí)的認(rèn)識(shí)和理解，做好課程服務(wù)專(zhuān)業(yè)的任務(wù)。在今后的教學(xué)過(guò)程中，教學(xué)團(tuán)隊(duì)成員自身也要總結(jié)該課程前期的教學(xué)實(shí)踐積累，同時(shí)進(jìn)一步吸納礦物加工學(xué)、金屬學(xué)與熱處理等專(zhuān)業(yè)課程知識(shí)，強(qiáng)化多學(xué)科產(chǎn)學(xué)研一體化的建設(shè)。②加強(qiáng)材料科學(xué)基礎(chǔ)課程思政教育。在講授材料科學(xué)知識(shí)的同時(shí)，也探索到知識(shí)背后蘊(yùn)含的哲理并傳遞正確的“三觀”。③引入材料科學(xué)前沿科研動(dòng)態(tài)案例，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如在講授金屬固溶體材料部分時(shí)，可以結(jié)合單原子金屬材料在化工催化等前沿研究中應(yīng)用的案例，強(qiáng)調(diào)組分調(diào)控對(duì)材料理化性質(zhì)及效能的影響。本科四年級(jí)的大部分學(xué)生面臨著繼續(xù)深造攻讀研究生學(xué)位的情況，適當(dāng)引入前沿科研動(dòng)態(tài)案例，帶領(lǐng)學(xué)生體驗(yàn)材料科學(xué)的樂(lè)趣，一方面能夠提高學(xué)生對(duì)本門(mén)課程的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)也可以進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生對(duì)未來(lái)研究生階段的學(xué)習(xí)興趣。④教師和學(xué)生都需要合理利用網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源。材料科學(xué)處于不斷地發(fā)展過(guò)程中，傳授知識(shí)需要與時(shí)俱進(jìn)。一方面，教師可以利用網(wǎng)絡(luò)資源，學(xué)習(xí)相關(guān)的國(guó)家精品課程，如西北工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)國(guó)家精品課程、武漢理工大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)國(guó)家精品課程等，進(jìn)一步提高本課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)的水平，服務(wù)于教學(xué)。同時(shí)，適當(dāng)引入材料科學(xué)前沿研究的重大發(fā)現(xiàn)或重大更新。此外，建議學(xué)生聽(tīng)取以上部分國(guó)家精品課程的慕課資源，結(jié)合課上講授的內(nèi)容，加深對(duì)重難點(diǎn)知識(shí)的理解。 ⑤在疫情防控期間，鄭州大學(xué)前期采取“線上教學(xué)”的模式，讓本科生通過(guò)網(wǎng)絡(luò)在線學(xué)習(xí)；后期采用“線上線下結(jié)合”的方式靈活教學(xué)。冶金工程系教師利用長(zhǎng)江雨課堂為主、騰訊課堂為輔的模式進(jìn)行本課程的網(wǎng)絡(luò)授課。線上教學(xué)模式具有回放功能，通過(guò)課后的回放，有助于學(xué)生吸收和理解難點(diǎn)知識(shí)，充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)。⑥鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行課前預(yù)習(xí)和課后及時(shí)總結(jié)。鼓勵(lì)學(xué)生做好課前預(yù)習(xí)，更有助于課堂上的交互式教學(xué)，提升教學(xué)效果；另一方面，及時(shí)的課后復(fù)習(xí)和總結(jié)，可以加深學(xué)生對(duì)重難點(diǎn)知識(shí)的理解和掌握，并能進(jìn)一步保證后續(xù)的教學(xué)質(zhì)量。同時(shí)，冶金工程專(zhuān)業(yè)本科生全面推行導(dǎo)師制，為每一個(gè)本科生配備一個(gè)指導(dǎo)教師，全程參與教師的科研項(xiàng)目實(shí)踐，培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際能力，提高科研思維能力和素養(yǎng)。

此外，針對(duì)關(guān)鍵金屬選冶、分離、純化、材料化的全產(chǎn)業(yè)鏈條的新布局，材料科學(xué)基礎(chǔ)課程應(yīng)著重強(qiáng)化金屬材料方面的晶體學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)與理論、材料強(qiáng)度強(qiáng)化理論、材料成型技術(shù)、熱處理基礎(chǔ)、合金相圖基礎(chǔ)、材料表面強(qiáng)化技術(shù)等方面的教學(xué)，為中原關(guān)鍵金屬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與發(fā)展培養(yǎng)專(zhuān)業(yè)的科技人才。

5 結(jié)論

基于培養(yǎng)復(fù)合型人才并服務(wù)于學(xué)校多學(xué)科產(chǎn)學(xué)研一體化，材料科學(xué)基礎(chǔ)對(duì)教學(xué)大綱進(jìn)行了修訂，根據(jù)“新工科”建設(shè)的要求和多學(xué)科產(chǎn)學(xué)研一體化建設(shè)的導(dǎo)向，結(jié)合本課程以往的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)教學(xué)中存在的問(wèn)題及對(duì)策進(jìn)行了初步地探討，提出課程與專(zhuān)業(yè)融合、加強(qiáng)課程思政教育、引入前沿科研動(dòng)態(tài)案例、合理利用網(wǎng)絡(luò)資源等多種對(duì)策，旨在加深學(xué)生對(duì)材料科學(xué)應(yīng)用于礦物加工工程、冶金工程領(lǐng)域的理解，將有利于冶金工程寬口徑復(fù)合型創(chuàng)新人才培養(yǎng)和專(zhuān)業(yè)建設(shè)。