基于材料科學(xué)與工程專業(yè)在新工科背景下《材料性能學(xué)》教學(xué)改革與探索

＊何秦川 王益群

（成都理工大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)院 四川 610059）

1.引言

材料是高新技術(shù)的基礎(chǔ)和先導(dǎo)，新材料是國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的核心和支柱。成都理工大學(xué)材料科學(xué)與工程本科專業(yè)是教育部本科高等學(xué)校卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃專業(yè)，2018年通過(guò)中國(guó)工程教育協(xié)會(huì)專業(yè)認(rèn)證，2019年入選四川省首批一流本科專業(yè)建設(shè)點(diǎn)，是四川省高等教育新世紀(jì)教改工程省級(jí)材料類(lèi)本科人才培養(yǎng)基地。

隨著我國(guó)高等工程教育改革的進(jìn)行和發(fā)展，高等教育學(xué)界逐漸出現(xiàn)了一個(gè)“新工科”的概念。“新工科”是指在新時(shí)代科技、產(chǎn)業(yè)革命以及知識(shí)生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型背景下，面向當(dāng)前新經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)實(shí)急需和未來(lái)發(fā)展，運(yùn)用新興技術(shù)建設(shè)和發(fā)展一批新興工科形態(tài)，或者改造和升級(jí)一批傳統(tǒng)工科，構(gòu)建具有跨界整合、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、應(yīng)用實(shí)踐等具有中國(guó)本土特色的新型工科[1-2]。

為培養(yǎng)符合“新工科”概念要求的專業(yè)工程技術(shù)人才，就需要提高高等教育課程的實(shí)用性、交叉性以及綜合性，培養(yǎng)和提升學(xué)生掌握理論、應(yīng)用實(shí)踐、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的能力。同時(shí)，還需緊緊圍繞專業(yè)的基礎(chǔ)課程和核心課程進(jìn)行持續(xù)思考和探討。

《材料性能學(xué)》是材料科學(xué)與工程專業(yè)的基礎(chǔ)及核心課程，主要介紹了材料的性能指標(biāo)、測(cè)試評(píng)價(jià)方法、影響規(guī)律因素與實(shí)際應(yīng)用等內(nèi)容[3]，此課程共2學(xué)分，32課時(shí)。此課程在學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理、物理化學(xué)、材料物理化學(xué)基礎(chǔ)、結(jié)晶學(xué)等專業(yè)基礎(chǔ)課程之后，在大三學(xué)年秋季學(xué)期開(kāi)出。課程支撐了兩個(gè)畢業(yè)要求，分別是：指標(biāo)點(diǎn)1-3，能夠?qū)⑾嚓P(guān)知識(shí)和方法用于分析、解決和評(píng)價(jià)材料成分結(jié)構(gòu)、制備、性能與使用性能相互關(guān)系的復(fù)雜工程問(wèn)題；指標(biāo)點(diǎn)2-2，能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程科學(xué)及材料科學(xué)等基本原理表達(dá)材料的成分、結(jié)構(gòu)、制備、性能與使用性能及其相互關(guān)系的工程問(wèn)題。本文以《材料性能學(xué)》課程為例，提出了在“新工科”概念背景下對(duì)于課程教學(xué)中的改革探索和思考。

2.課程目的與內(nèi)容概述

《材料性能學(xué)》是材料科學(xué)與工程類(lèi)一級(jí)學(xué)科專業(yè)必修課。此課程教學(xué)目的是闡述固體材料的各種重要性能的基本理論及其發(fā)展和應(yīng)用，介紹其原理及微觀機(jī)制、基本理論的形成、各性能的影響因素及控制和改善性能的措施，以及材料各性能之間的相互制約與變化規(guī)律。通過(guò)本課程學(xué)習(xí)，能夠理解掌握材料各種性能的概念、發(fā)展與應(yīng)用，能夠解決改善材料性能，開(kāi)發(fā)新型材料等復(fù)雜工程問(wèn)題。使學(xué)生材料工程理論與實(shí)踐相結(jié)合，進(jìn)一步掌握材料的各種主要性能基本概念、物理性質(zhì)、變化規(guī)律以及性能指標(biāo)的工程意義，了解影響材料性能的各種因素。同時(shí)，揭示了材料性能與其成分、結(jié)構(gòu)之間的規(guī)律，掌握提高材料性能指標(biāo)，充分發(fā)揮材料性能潛力的主要途徑，了解材料性能的測(cè)試原理、方法及儀器設(shè)備，培養(yǎng)學(xué)生具有初步的材料失效分析、合理選材、用材以及開(kāi)發(fā)新型材料的技能。

《材料性能學(xué)》主要包括材料力學(xué)性能和材料物理性能兩個(gè)部分。其中材料力學(xué)性能部分介紹材料在靜載條件下的彈性形變、塑性形變和斷裂過(guò)程，同時(shí)介紹了材料硬度、沖擊韌性、斷裂韌性、磨損性能、疲勞性能以及材料在高溫、高速?zèng)_擊、摩擦、腐蝕性環(huán)境等不同條件下的力學(xué)性能。材料物理性能部分介紹了材料比熱容、熱膨脹、熱傳導(dǎo)等熱學(xué)性能，材料導(dǎo)電、介電、熱電、壓電等電學(xué)性能，材料對(duì)光的折射、反射、吸收、散射的光學(xué)性能以及材料的磁學(xué)性能[4]。

總之，通過(guò)本門(mén)課程的研究與學(xué)習(xí)，要培養(yǎng)學(xué)生掌握材料性能指標(biāo)的測(cè)試意義、應(yīng)用條件以及區(qū)別，學(xué)會(huì)從材料的微觀結(jié)構(gòu)和各種影響因素來(lái)分析材料性能的變化。但是這種課程目標(biāo)運(yùn)用傳統(tǒng)的授課方式達(dá)到的效果并不理想，也不符合“新工科”背景下培養(yǎng)學(xué)生工程能力和創(chuàng)新能力的具體要求。因此，要分析本門(mén)課程中存在的一些問(wèn)題，提出一些必要的革新方法和手段，達(dá)到在新時(shí)代、新環(huán)境、新形勢(shì)下培養(yǎng)新工科創(chuàng)新型人才的目標(biāo)。

3.課程問(wèn)題與現(xiàn)狀

本課程包含的內(nèi)容豐富，涵蓋的知識(shí)點(diǎn)廣泛，對(duì)于材料專業(yè)的本科生來(lái)說(shuō)，要達(dá)到課程目標(biāo)有一定的難度。分析其原因主要是課程本身的特點(diǎn)鮮明，內(nèi)容繁雜，思維抽象。下面就對(duì)此課程的特點(diǎn)與學(xué)習(xí)難點(diǎn)進(jìn)行具體分析，發(fā)現(xiàn)授課過(guò)程中的具體問(wèn)題，對(duì)提出問(wèn)題進(jìn)行針對(duì)性思考和建議。

從本課程三個(gè)鮮明的特點(diǎn)來(lái)分析課程主要難點(diǎn)：

(1)課程內(nèi)容涵蓋廣泛，學(xué)科交叉性較強(qiáng)

從上述課程內(nèi)容概述中提到，此課程講述的內(nèi)容不是針對(duì)某種材料本身，而是突出對(duì)各種材料性能的研究，這個(gè)過(guò)程是穿插在材料專業(yè)學(xué)生整個(gè)專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)中。其研究對(duì)象不再具有特定性、專一性，而具有廣泛性、多元性。與此同時(shí)，其研究的性能也具有多樣性、豐富性。因此，可以看出此課程的一個(gè)主要難點(diǎn)是課程理論知識(shí)繁多且抽象，要求學(xué)生了解各種材料大量的性能指標(biāo)、測(cè)試方法和意義。

(2)專業(yè)理論知識(shí)和實(shí)踐結(jié)合不緊密

本課程講述的主要側(cè)重點(diǎn)是材料各種性能指標(biāo)在材料性能測(cè)試中的意義，以及各種理論的測(cè)試方法及原理。然而對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，如何測(cè)試某種特定材料的某種特定的性能，用什么樣的測(cè)試儀器，設(shè)計(jì)什么樣的測(cè)試方案，這方面的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)較為欠缺。本課程不應(yīng)該一味講授理論知識(shí)，而應(yīng)該多進(jìn)行大量的實(shí)踐應(yīng)用，才能更好地發(fā)揮本課程的理論優(yōu)勢(shì)，使學(xué)生更好地理解課程意義，也更符合“新工科”背景下的教育理念。

(3)學(xué)習(xí)好此課程，要求學(xué)生首先掌握扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)

部分學(xué)生在前期專業(yè)基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)過(guò)程中，掌握知識(shí)不牢靠，部分基礎(chǔ)概念理解不深刻，學(xué)習(xí)過(guò)程相當(dāng)吃力。在授課過(guò)程中，由于課程內(nèi)容繁多，課時(shí)不充足，老師側(cè)重對(duì)課程的新概念的講述，對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)回顧力度不大，從而難以達(dá)到課程目標(biāo)。

4.課程改革與探索

對(duì)于《材料性能學(xué)》授課過(guò)程出現(xiàn)的問(wèn)題與教學(xué)難點(diǎn)，主要從課程內(nèi)容和授課方式兩個(gè)主要方面來(lái)思考解決，從而達(dá)到理想的教學(xué)效果。

(1)課程體系內(nèi)容改革

由于材料性能學(xué)內(nèi)容多而雜，涉及的知識(shí)面廣泛，老師在授課過(guò)程中要對(duì)課程內(nèi)容多進(jìn)行整理和優(yōu)化，合理安排課時(shí)順序、學(xué)時(shí)以及教學(xué)重點(diǎn)[5]。教學(xué)過(guò)程中既要注重對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的回顧，又要注意學(xué)科交叉性的特點(diǎn)。在引入新的概念時(shí)，一定要循循善誘，以使學(xué)生達(dá)到融會(huì)貫通的效果。比如在講到材料的耐腐蝕性能時(shí)，一般以金屬材料的耐腐蝕性能作為研究對(duì)象，此時(shí)老師就要從金屬材料的一些基本概念出發(fā)，一步一步引導(dǎo)出耐腐蝕性能這個(gè)概念，然后分析金屬材料的一些腐蝕機(jī)理，最后延伸出如何提高金屬材料的耐腐蝕性能，以及腐蝕性能的一些表征，測(cè)試方法等。針對(duì)課程內(nèi)容多的特點(diǎn)，一定要優(yōu)化整合，特別是在講解材料物理性能部分時(shí)，有部分物理性能的知識(shí)點(diǎn)具有關(guān)聯(lián)性，此時(shí)教師可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)內(nèi)容進(jìn)行整理講解，比如可以將材料的電學(xué)性能和磁學(xué)性能相關(guān)的知識(shí)進(jìn)行一個(gè)串聯(lián)，詳略得當(dāng)?shù)刂v述這兩種不同性能之間的聯(lián)系與差異，既鞏固了知識(shí)點(diǎn)，又節(jié)省了大量的課時(shí)。最后對(duì)于學(xué)科交叉性特點(diǎn)，要學(xué)會(huì)用其他學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)來(lái)分析材料性能產(chǎn)生的原因，比如運(yùn)用晶體學(xué)中的晶體滑移、晶界滑移、原子擴(kuò)散來(lái)解釋材料的蠕變現(xiàn)象，用晶體的滑移、孿生、扭折來(lái)解釋晶體的塑性變形等等。同時(shí)，老師要根據(jù)實(shí)際教學(xué)情況對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行整理歸納，課程各個(gè)章節(jié)之間要相互聯(lián)系，為學(xué)生在腦海里構(gòu)建一幅脈絡(luò)清晰的知識(shí)網(wǎng)，幫助學(xué)生對(duì)課程理解的更為深刻。

(2)授課方式改革

在明確內(nèi)容改革方向之后，對(duì)老師授課方式也進(jìn)行了思考探索?，F(xiàn)對(duì)區(qū)別于傳統(tǒng)授課方式進(jìn)行探討：

案例分析教學(xué)，激發(fā)學(xué)生興趣。課程中的大量?jī)?nèi)容十分抽象，理論概念理解難度大，老師在授課過(guò)程中不必拘泥于一味地講解概念、敘述原理、推導(dǎo)公式，要多從現(xiàn)實(shí)生活的案例進(jìn)行分析，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望，才能達(dá)到事半功倍的效果。比如在講述材料的力學(xué)性能時(shí)，可以引入17世紀(jì)意大利科學(xué)家伽利略提出的拉伸試驗(yàn)，并且他制造出第一臺(tái)用砝碼加載的試驗(yàn)機(jī)，這種試驗(yàn)也揭示了材料在靜載荷作用下，材料失效的三種形式，即過(guò)量彈性變形、斷裂和塑性變形，這就慢慢引入了材料力學(xué)性能相關(guān)的知識(shí)與概念。再比如在講述材料的沖擊韌性和低溫脆性這一章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)時(shí)，則可以引入曾經(jīng)震驚世界的美國(guó)挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī)失事爆炸的事件，快速引起學(xué)生的興趣，分析此次事故爆炸的原因：是助推器兩個(gè)部件之間的接頭因?yàn)榈蜏刈兇嗥茡p，然后誘發(fā)一系列的連鎖反應(yīng)導(dǎo)致。接著快速引入將要講述的課程知識(shí)點(diǎn)，說(shuō)明材料的沖擊韌性和抗低溫脆性的重要之處。在學(xué)習(xí)過(guò)程中加入案例分析，不僅能讓學(xué)生完成課程目標(biāo)更高效，也能讓學(xué)生了解課程未來(lái)的發(fā)展方向，進(jìn)而產(chǎn)生濃烈的科研興趣。

案例分析過(guò)程要邏輯緊密，要有引導(dǎo)性、趣味性，具體實(shí)施方式可以通過(guò)多媒體教學(xué)，展示課程內(nèi)容相關(guān)的科普視頻、圖片等等，教學(xué)過(guò)程要突出重點(diǎn)、詳略得當(dāng)。同時(shí)也可以介紹與課程內(nèi)容相關(guān)的最新科研動(dòng)態(tài)，使學(xué)生了解行業(yè)發(fā)展的方向與熱點(diǎn)，讓學(xué)生了解到課程的重要性。

雙邊多元教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生能力。教學(xué)是老師教，學(xué)生學(xué)兩個(gè)部分相結(jié)合，是老師與學(xué)生雙方相輔相成的結(jié)果。要鍛煉學(xué)生思維、開(kāi)闊學(xué)生的眼界、提高創(chuàng)新能力，就要打破傳統(tǒng)的老師對(duì)學(xué)生的授課方式，轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生向?qū)W生授課。學(xué)生通過(guò)課后查閱文獻(xiàn)資料，自主學(xué)習(xí)，對(duì)一些課程知識(shí)發(fā)表自己的看法和理解，然后再和同學(xué)、老師討論并陳訴自己的想法與觀點(diǎn)。這種教學(xué)方法需要教師對(duì)授課內(nèi)容以及教學(xué)的設(shè)計(jì)，構(gòu)建多樣豐富的學(xué)習(xí)環(huán)境。通過(guò)這種相互討論的學(xué)習(xí)環(huán)境，主要是為了確立學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主導(dǎo)地位，老師起到一個(gè)有效的引導(dǎo)作用，從而使學(xué)生能夠深刻理解學(xué)習(xí)課程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，達(dá)到良好的教學(xué)效果。針對(duì)不同意見(jiàn)，老師與同學(xué)之間進(jìn)行探討，最后對(duì)知識(shí)有一個(gè)深刻的理解。這種教學(xué)方式不僅能鍛煉學(xué)生的查閱文獻(xiàn)能力和語(yǔ)言表達(dá)能力，還能鍛煉學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、獨(dú)立思考能力以及創(chuàng)新能力。有利于學(xué)生的思維進(jìn)行發(fā)散，從不同的角度去理解課程內(nèi)容，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性與創(chuàng)造性。這是根據(jù)材料性能學(xué)這門(mén)課的基本特點(diǎn)提出來(lái)的，這種方法能夠有效合理地讓學(xué)生參與到學(xué)習(xí)課堂之中，使學(xué)生不再是被迫接受老師的講解，而是主動(dòng)汲取以及理解課程相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，達(dá)到事半功倍的效果。

理論實(shí)踐結(jié)合，提高專業(yè)素質(zhì)?！恫牧闲阅軐W(xué)》除了有很強(qiáng)的理論性之外，還需要加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。需要對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件加以利用，開(kāi)設(shè)課程所需要的課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[6]。比如在講授材料的扭轉(zhuǎn)、彎曲和壓縮性能時(shí)，可以進(jìn)行材料的扭轉(zhuǎn)、彎曲和壓縮試驗(yàn)?？梢圆捎美碚撜n程和實(shí)驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行教學(xué)的方式，成績(jī)考核采用理論成績(jī)和實(shí)驗(yàn)成績(jī)綜合考察的方式。實(shí)驗(yàn)過(guò)程可以要求學(xué)生分小組進(jìn)行，可適度引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、性能測(cè)試方案等等。了解實(shí)驗(yàn)的用途、原理，將理論和實(shí)踐緊密結(jié)合起來(lái)，并且得到完整合理的實(shí)驗(yàn)報(bào)告書(shū)。在經(jīng)過(guò)教師認(rèn)真審評(píng)后，學(xué)生再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，然后通過(guò)科學(xué)的評(píng)估方式進(jìn)行考察。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程目的在于充分發(fā)揮學(xué)生主觀能動(dòng)性、提高實(shí)驗(yàn)技能和分析處理問(wèn)題的能力，鍛煉學(xué)生的發(fā)散思維，培養(yǎng)學(xué)生綜合能力。通過(guò)實(shí)驗(yàn)與理論相結(jié)合的方式，使學(xué)生可以更加直白清楚地了解材料的性能概念和背后的機(jī)理，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐操作能力，更明確學(xué)習(xí)目的，提高專業(yè)素養(yǎng)。

在課外時(shí)間，鼓勵(lì)學(xué)生查閱大量課程相關(guān)的文獻(xiàn)資料，積極參加各種課外創(chuàng)新學(xué)科競(jìng)賽，同時(shí)多設(shè)置各種專業(yè)技能實(shí)驗(yàn)課程，安排學(xué)生動(dòng)手進(jìn)行材料性能相關(guān)實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生對(duì)性能測(cè)試、數(shù)據(jù)分析、試樣觀察及機(jī)理分析的能力，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)科研的興趣，全面創(chuàng)新發(fā)展。

5.結(jié)束語(yǔ)

《材料性能學(xué)》不僅是作為材料科學(xué)與工程專業(yè)的基礎(chǔ)課程，也是本專業(yè)今后實(shí)踐與科研的重要指導(dǎo)課程，課程重要性不言而喻。其教學(xué)方式不應(yīng)該一成不變，而應(yīng)該隨著“新工科”的時(shí)代要求不斷地改革與創(chuàng)新。本文在此課程中針對(duì)出現(xiàn)課程內(nèi)容廣泛、學(xué)習(xí)難度大、學(xué)科交叉性強(qiáng)、理論與實(shí)踐結(jié)合不緊密的難點(diǎn)，提出了對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行整合改革，案例分析教學(xué)、雙邊教學(xué)，理論實(shí)踐結(jié)合的改革手段，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、語(yǔ)言表達(dá)、實(shí)踐創(chuàng)新能力，提高學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)進(jìn)行實(shí)踐生產(chǎn)和科學(xué)研究的能力。此外，除了以上的改革手段之外，也應(yīng)該不斷探索新穎的、多元化、高效的教學(xué)手段，培養(yǎng)實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的新時(shí)代高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才。