《材料科学基础》课程教学的实践与探索*

任艳蓉，刘保英，王延鹏，房晓敏，徐元清，徐 浩，张文凯，丁 涛

(河南大学化学化工学院，河南 开封 475004)



《材料科学基础》课程教学的实践与探索*

任艳蓉，刘保英，王延鹏，房晓敏，徐元清，徐 浩，张文凯，丁 涛

(河南大学化学化工学院，河南 开封 475004)

《材料科学基础》课程是材料学专业的一门重要的专业基础课程。根据目前教学中存在的困难和问题, 结合本校材料学专业课程设置的实际情况, 本文从教学内容的优化、教学手段的综合应用、课后学习与课堂讲解的相互辅助等方面探讨了该课程教学模式。强调学生自觉能动地学习，培养学生对材料科学研究和探索的兴趣，从而达到提高教学质量和学生综合学习能力的目的。

材料科学基础；教学改革；教学模式

《材料科学基础》课程是材料类专业一门重要的专业基础理论课，系统全面地阐述了金属材料、无机非金属材料、高分子等不同材料的成分、结构与性能之间关系及其变化规律，涉及材料的固态结构、晶体缺陷、扩散、形变、再结晶和相图等内容。它既包含大量抽象的概念和定义、复杂的原理和规律，又涉及诸多工程实践应用，知识体系十分庞杂[1]。学生在学习过程中很难抓住学习的要点，掌握正确的学习方法。因此，学生在学习这门课程的过程中积极性不高，缺乏主动思维，甚至产生厌学的情绪。为切实解决这些问题，提高教学质量，必须改革教学内容和方式、优化教学手段，增强学生学习的兴趣，激发他们对材料科学研究的热情。

1 教学中出现的问题[2]

《材料科学基础》是本科学生由基础理论课转向专业课学习过程中接触的第一门专业基础理论课，包含大量的专业知识与概念，涉及的专业知识十分广泛，而且几乎所有的章节与内容都是学习的重点。作为一门承上启下的专业基础理论课，这门课程学习的好坏，关系到学生在以后的专业课程学习中的理解和掌握。但是在与学生的交流过程中发现，不少学生认为该课程内容枯燥乏味，抽象的概念和原理短时间内很难理解透彻；重点内容应接不暇，还在消化前面学习的内容时，新的知识点又接踵而至，有时难免顾此失彼；在掌握知识要点时，只关注到具体内容，没有思索为什么提出这些问题又能解决什么问题，机械的学习与记忆造成许多不良后果，学生学习兴趣不高，听课走神，学习效率低下。可见，这是一门难教又难学的课程，要想提高教学效率，必须在教和学两方面多下功夫。

2 围绕教学目的优化教学内容[3]

现有的教学内容，从材料的微观结构到宏观性质，详细阐述了材料的成分、结构、相态之间的结合与变化。在有限的课时内，既要涉及材料科学的方方面面又要保证一定的深度，难度较大。《材料科学基础》的教学旨在使学生们掌握材料科学的基本概念、基本原理和基础理论知识，建立起成分、结构与性能之间的关系的思维模式；另一方面，随着科学技术的不断发展，新材料、新技术、新工艺不断涌现，使得传统的《材料科学基础》在教学内容上出现许多落后和不合时宜的情况，在教学时需要对此作出适当调整。从以上两个方面着手优化教学内容。

2.1 根据专业课程设置，调整教学内容

我校使用的参考教材是上海交通大学出版社出版的胡庚祥、蔡珣、戎咏华等编著的《材料科学基础》。这本教材在许多章节中都设计到高分子材料。这与同期开设的《高分子化学》、《高分子物理》课程有许多重复性内容，因此在授课时不再特别介绍高分子材料，而是在介绍三大材料的通性和区别的时候和学生一起复习讨论相关内容。

2.2 与时俱进，增添与课程密切相关的内容

新材料、新技术不断发展，使一些初浅的内容与科学技术的发展不相适应，需要补充。如在介绍第三章晶体缺陷时，只用少量篇幅介绍了表面及界面，而许多新材料正是在此基础上建立起来的。量子点是一种新兴的功能材料，其表面效应突出，具有不同于一般纳米材料和块体材料的特性，表面缺陷会严重影响这种材料的光学性能；复合材料一直是制备高性能、多功能材料的有效手段，性能的好坏与微观结构中不同相态之间的界面情况息息相关。可见表面及界面在现代材料的研发过程中不容小觑。因此在讲解该部分内容时，增添了相关的理论和研究动态。

2.3 快慢结合，突出教学重点

《材料科学基础》的内容十分丰富，在教学前期适当放慢速度，让学生在刚接触这门课程的时候，接受它不同于以往基础理论课的事实，摆正态度，认真对待这门课程。同时，给学生充足的时间掌握材料学一些基础的概念和理论，为之后的学习打下良好的基础。特别是第三章晶体的缺陷对学生们来说是一种全新的理论，这部分的教学内容承上启下，即和固体结构有关，又是材料产生变形、再结晶的理论基础。弄懂学习好这部分的内容才能更好地学习后面章节的内容。但是在这部分内容当中，概念多而抽象(如刃型位错、螺型位错、全位错、不全位错等)，理论繁杂(柏氏矢量的反应、面角位错等)，很容易使学生感到困惑、枯燥无味。因此在讲解这部分内容时，需要反复讲解，耐心指引学生学习掌握这部分内容。

3 综合应用教学手段提高课堂教学质量

《材料科学基础》的教学任务重，课时紧，难免出现“满堂灌、填鸭式”的教学方式，学生在学习时比较被动，容易产生消极怠慢的情绪，缺乏学习的动力。如何在教学过程中提高学生的注意力，激发学生对材料科学学习和研究的兴趣，是必须思考的问题。在教学中通过观察学生们的行为发现，每当老师提及一些相关事件、人闻趣事、科研动态，或者展示图片和视频时，都会不同程度的引起学生们的注意力。在这一段时间内，学生们能够较快地理解和掌握学习要点，并积极主动地提出问题，思考问题。

3.1 灵活使用多媒体[4]

材料科学中，从微观到宏观，许多知识都和空间结构有关，需要丰富的空间想象能力。学生仅仅依靠书本上的平面图很难了理解。多媒体教学可以利用计算机技术，通过计算机制作课件，将三维动画引入课堂，立体直观地为学生展现各种空间结构，帮助学生学习理解。如讲解金属的晶体结构时，利用三维图形，能够帮助学生直观的分析出原子半径、晶胞内原子数、配位数、间隙等晶体学特征；在讲解位错时，能够帮助学生了解位错如何运动、增殖、反应等；在讲解三元相图时，立体剖析相图，能够帮助学生快速掌握单相、两相、三相和四相区的界限及相图中点、线、面的真正含义。这种形象的教学手段，视觉上的冲击效果显著，可以立刻抓住学生的注意力，帮助学生克服学习过程中的障碍，使晦涩的概念理论变得生动有趣，激发学生学习的兴趣。同时，解决了老师在语言和板书上的欠缺，提高了课堂教学效率。

3.2 引入人闻趣事[5]

材料发展的历史就是人类文明发展的历史，在课堂中引入学生熟知的人闻趣事，拉近学生与深奥的材料理论之间的距离，使学生更深刻的体会到材料科学就在我们身边，加深对材料科学的印象和亲切感，从而提高学习兴趣。如在讲到合金时，向学生展示越王勾践剑的图片。越王勾践的故事学生们耳熟能详，对他佩带的宝剑怀有一定的亲切感和好奇心。当学生被问到“这把剑为什么历经千年依然华美如新，锋利无比”时，自然能够引起他们积极主动地思考。有困惑就会寻求解答，学生带着疑问进行学习时，注意力大幅提高。此时，通过适当的引导，配合讲解与合金有关的合金强化、溶质元素的作用等内容，学生听得津津有味，也更深刻地理解该部分内容的科学涵义。

3.3 与科研实践相结合

在第一章晶体学基础中有一小部分内容为学生介绍了倒易点阵的知识，这部分内容涉及数学推导，由数学推导出来的点阵与真实的点阵的差异性容易使学生晕头转向，很难理解这部分内容到底在讲些什么，又能做什么。此时为学生介绍X射线衍射技术，在学生了解倒易点阵的神奇之处、感叹科学家的聪明才智时，激发学生的学习激情。在第四章介绍柯肯达尔效应时，为学生介绍柯肯达尔在研究固体中原子的扩散规律时，如何设计的实验方案，来证明固体中的非互易扩散。同时，这种实验技术虽然发明的较早，但至今仍被用来制备功能性的纳米空心球，散发着新的活力。让学生明白，即使是早期的理论知识也可以“为今所用”。不能因为理论形成的年代久远，就认为是“过时的，无用的”，不认真学习。

3.4 充分利用网络资源

信息技术发展至今，极大的丰富了人们的视野，也为许多企业厂矿提供了展示自己的平台。通过网络视频，许多工业信息技术能够直达普通民众的视野。尤其一些与材料加工相关的视频资源，对于不能开设金属材料类实验课程的高校来说更加难得。通过寻找合适的资源，将远离校园的生产实践近距离地展现在学生面前，使学生更加真实、生动地了解到材料科学中的原理、规律在实际生产过程中的指导意义。“看得见、想得到、用得上”的材料科学才能激发学生的学习热情，提高学习效果。如在互联网上可以找到许多关于“轴”的加工的视频资源，小到自行车轴，大到发电机轴。不同的轴加工过程大相径庭，但里面涉及的钢铁材料的熔炼、浇筑、锻压、回火、退火、表面处理等原理却是一样的。学生通过观看视频，可以更好的理解这些知识，并对材料科学在生产实践当中的应用有一些初步的认识。

4 课堂教学与课后自学相结合

《材料科学基础》难教难学、教学时数有限，在有限的时间内要使学生学到更多的材料科学知识，除在教学内容和教学手段下功夫，还要尽可能地发挥学生的主观能动性。布置课后习题是帮助学生自学的有效手段。学生必须对相关的知识有所掌握，才能顺利的完成课后习题。同时，教师还能从课后习题的完成情况了解到学生对知识点的掌握情况，对错误较多，理解偏差加大的内容再讲解。除了布置课后习题外，还可以根据课程内容，设置小论文。优秀的科研和学位论文是很好的辅助教材，让学生在调研论文过程中，对所学的内容加强认识，并了解什么是材料学科的科研。用先进的科技，激发学生学习《材料科学基础》和从事材料科学研究的热忱。

5 结 语

人类文明和科学技术的发展，对材料提出越来越多的要求，作为材料专业的学生必须适应这样的新要求。因此，需要改革现有的《材料科学基础》教学内容，改进教学方法，激发学生学习本课程的兴趣和欲望，提高学习热情，充分调动学生参与学习的主动性。为后续各专业课的学习奠定坚实基础，为材料行业培养合格的研发人才，促进材料行业的快速发展。

[1] 王晴,冉坤,贾竟航,等.材料科学基础课程教学改革的探索与实践[J].沈阳建筑大学学报:社会科学版, 2012,14(2):214-217.

[2] 张桥,鄢国平,李亮,等.材料化学专业《材料科学基础》课程改革与实践[J].广州化工, 2015, 43(1):167-168.

[3] 邓景泉.《材料科学基础》课堂教学体会[J].考试周刊, 2010(7):207-208.

[4] 王永懂,王振廷,李柏茹,等.《材料科学基础》多媒体课件教学应用研究[J].广州化工, 2012, 40(4):110,112.

[5] 贺哲丰, 姜海.名人典故在材料科学基础教学中的作用[J].中国冶金教育, 2011(5):38-40.

Teaching Reform and Practice onFundamentalsofMaterialsScience*

RENYan-rong,LIUBao-ying,WANGYan-peng,FANGXiao-min,XUYuan-qing,XUHao,ZHANGWen-kai,DINGTao

(College of Chemistry and Chemical Engineering, Henan University, Henan Kaifeng 475004, China)

FundamentalsofMaterialsScienceis an important basic specialty course.There are some problems and difficulty in teaching.Suitable teaching methods were discussed according for the teaching contents, ways and study after classes.These were helpful for the students to take the initiative to learn this course and had more interest in materials science.The purpose to improve teaching effects and develop students’ specialty and integration ability will be accomplished.

FundamentalsofMaterialsScience; teaching reform; teaching methods

河南省科技发展计划项目(No:142300410122)。

任艳蓉(1977-)，女，讲师，主要从功能高分子材料研究和应用。

丁涛(1972-)，男，教授，主要从有机功能高分子材料研究和应用。

TQ914.1

A

1001-9677(2016)019-0170-03