《材料性能学》课程教学改革与实践

张先菊　杨眉　王斌

摘要：《材料性能学》是材料科学与工程专业本科生的专业基础课程。针对“材料性能学”课程的教学现状，结合高等教育改革的基本要求，我们本着调整教学体系、优化教学内容，加强教法改革，注重理论联系实际，理论教学与实践教学相结合，多媒体课件与网络课堂辅助教学等形式和原则，对课程进行了教学改革和实践。经过两届的教学实践证明，这种教学改革的尝试是基本成功的，学生的收效很大。

关键词：材料性能学；课程改革；实践

中图分类号：G642.3 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）29-0085-02

一、课程现状与发展趋势

《材料性能学》是为适应科学技术发展对知识交叉融合的需要，综合和优化了《金属力学性能》、《金属物理性能分析》、《无机材料物理性能》、《高分子力学性能》、《金属腐蚀与防护》等课程的相关内容，诞生的一门材料科学与工程专业基础课程。随着高等教育改革与发展的深化，材料科学与工程专业迫切需要一本兼顾三大材料共性及各自材料特性的“材料性能学”课程教材及其实验指导书，以适应材料科学与工程专业教学的需要。目前国内多所高等院校如哈尔滨工业大学、西安交通大学、西北工业大学等单位都相继编写出相关教材或讲义。我院本着“体现材料性能共性，突出石油特色”的原则，选用由北京工业大学王从曾教授主编的“面向21世纪”优秀教材——《材料性能学》为主要教材，增加具有石油特色材料的辅助教材，比如油气井水泥、石油管杆材料、油田腐蚀行为等方面的性能指标的物理意义、工程意义以及测试标准、测试装备的介绍，自编了实验指导书。

二、改革思路与实践

按照高等教育改革与发展的基本要求，对材料科学与工程一级学科专业本着加强基础、拓宽专业面的原则，我们在分析三大材料结构与性能的基础上，试图总结归纳出它们之间力学性能的共性与个性，实现多学科知识的交叉与渗透。具体的做法如下：

1.调整教学体系，优化教学内容。材料性能学是学生在学完“材料科学概论”、“材料科学基础”等有关课程之后的一门专业主干课程，通过“材料性能学”的学习，让学生将材料工程理论与实践相结合，充分理解材料化学成分、组织结构及性能之间的关系。因此在本课程的开始部分增加了一个学时绪论的内容，主要介绍材料的性能在材料的发展历史、材料科学、材料工程、工程材料中的作用与地位；该门课程在整个专业课程学习中承前启后的作用，以及在本门课程中将要学到哪些内容，让学生对材料的性能有一个整体的了解，引起学生的兴趣，为后面课程的学习打下良好的基础。传统的材料性能学教材由于专业的不同而分散在不同的课程中，如《金属材料力学性能》、《金属材料物理性能》、《无机材料物理性能》、《高分子物理》、《高分子材料力学性能》、《材料的腐蚀与老化》等课程，这些关于金属材料、陶瓷材料和高分子材料各自性能方面的教学内容对象单一、知识零碎割裂，缺少不同材料性能间的相互联系，对同一性能的产生机理不同专业也会出现不同的解释。在新的教学体系中，我们力求有较广的知识涵盖面、足够的信息量和适当的理论深度，在满足教学要求的基础上，给学生提供必要的自学素材，为学生毕业后在专业岗位上的再学习打好基础。因此在本门课的教学内容上，我们主要讲述三大材料力学性能的基本原理及共性，保留部分特性，同时将三大材料有机结合起来。比如在讲材料拉伸应力应变曲线时，突出以塑性特征为主的金属材料、脆性特征为主的陶瓷材料和以弹性特征为主的高分子材料间的联系与区别；在讲材料的硬度时通过高分子材料、金属材料、陶瓷材料硬度顺序递增的事实，要求学生理解材料的键合特征对材料性能的影响；根据三大材料间性能的互补性特点，使学生认识到现代材料的发展趋势。不管是单一材料的改性还是不同材料的复合，都力争发挥材料各自的优势而又避免其缺点，由此而产生了各种新材料、新工艺。但最终都离不开各种材料性能的重新调整和匹配，从这个思路出发，引起学生的研究兴趣，激发他们的创新思维[1]。另外，结合本院石油特色，增加了部分油气井水泥、管杆材料的力学性能以及管杆材料腐蚀行为的内容。由于课程内容繁多、课时有限，在前期课程中学过的内容在本课程中跳过，避免重复讲解；采取学术报告的方式将新材料、新技术融入课堂教学，扩大学生的知识面又使教学内容更加新颖，激发学生学习兴趣；开发网络课件《材料性能学》，完善课后学习延伸环节，使一部分教学内容转移到课外进行，加强学生个性化培养，适应学生对信息量需求增加的要求。通过这些内容的调整，使本课程真正成为公共基础课与材料学专业课程的桥梁与纽带，达到用较少的课时获得最佳教学效果的目的。

2.加强教法改革，突出启发式、讨论式教学方法的应用。兴趣是学习一门课程最好的老师，在介绍新内容之前激发学生的兴趣，使之达到最佳的学习状态，需要有精彩的导入方法，对枯燥乏味工科专业课来说尤为重要[2，3]。所以在教学设计过程中，我们重视案例式教学[4，5]，以灵活多样的方式导入新内容，引发学生浓厚的学习兴趣，为新课程内容的教学奠定良好的基础。如讲到应变硬化时，我们可以提问：为什么一根细铁丝你不可能把它拉断，但你却可以用很小的力把它折断？由此引发学生思考材料内部组织与性能之间的关系。如在讲到材料的低温脆性时，可介绍比利时阿尔拜特运河上威廉德式桥梁的断裂，引发学生思考环境温度对材料性能的影响。总之，要使每节课都有一个良好的导入，给予学生启发式的思考，还必须依据教学内容、教学目的和要求及学生的实际情况选择适应的导入方式。如果导的恰到好处，就会激起千层浪，不仅使学生能够化难为易，还能使学生终身难忘。另一方面，课堂上重在对基础理论的讲解，课后要求学生收集、整理相应资料，找到各种评价方法的工程示例，举出相应的解决方案。教学中积极鼓励学生参与讨论，一方面在有限的课堂上提出讨论主题，引发学生思考，另一方面以网络课程以及精品课程提供的平台开展大讨论，学生将收集的资料共享，通过讨论认清课本知识的工程意义。

3.注重理论联系实际，学以致用。书本上所学的知识大多是理论知识，对材料的各种性能有什么用，用在什么地方学生学完了也并不是很清楚。所以在上课时需要把抽象的理论知识具体化，找到一个学生熟悉的实际列子作为切入点，使深奥的道理通俗化，帮助他们对知识的理解与掌握，引发他们的学习兴趣和求知欲。如课程中讲到缺口材料的三个缺口效应，由于缺口造成材料应力、应变集中，应力状态发生改变，缺口得到强化，此时列举生活中的例子，包装袋上制作缺口，方面开启；讲到应力松弛时，让学生思考自来水管接头处时间久了为何会渗水；讲到疲劳损伤时，对比分析人体的疲劳特点与材料的疲劳特性等等。这样，把抽象、枯燥的理论同实践联系起来，不仅提高了学生的学习兴趣，还有助于学生对知识的理解、消化、提高及应用。

4.理论教学与实践教学相结合，提高学生实践动手能力。材料的性能是需要用一个具体的指标来评价，而这个指标的大小是需要实验来测量的，因此在讲授材学性能理论的同时，必须重视材料性能的测试技术，让学生学会操作相应的仪器设备、培养他们的观察、研究能力。因此《材料性能学》的一个重要教学内容是材料性能的测试方法，故实践教学是其重要的教学环节，通过实验教学可以将教学中重点、难点进一步讲解，让学生实践与理论部分相结合，加深对课程认识，提高学习的积极性；让学生了解实验各种原理，认识各种实验设备，拓展学生知识面；提高学生自主动手能力，培养实验能力，为以后走上工作岗位奠定基础。在课堂实验的基础上，单独开课的56学时《专业基础实验》以及32学时的《专业方向实验》，内容涵盖三大材料的组织结构和性能的典型测试和表征方法。另外课程建设队伍的教师将自身科研课题与实践教学融合，开设出开放实验项目，让学生有更多的实践和动手机会，以培养学生实践技能和创新能力。

5.采用多媒体课件、网络课堂进行辅助教学。本门课程教学总课时为48学时，由于课程知识点较多、内容涉及面较广，并且很多知识点需要用图、表来描述，如低碳钢拉伸过程的变化、断口形貌、金相组织等，这些内容很难通过语言来描述，因此我们制作出了课程配套的多媒体课件。上课过程中利用多媒体课件不仅增加了教学内容、减少授课学时还丰富了教学过程、提高教学效果。另外，还建立网络课堂。在网络课堂上有上课用的多媒体课件，学生可在课后在网络课堂上复习或完成上课时没完成的笔记，给学生提供了很大的方便，还可完成课后答疑、问题讨论、网络实验、布置作业、提交作业、批改作业、在线测试等工作。学生对于这种新的教学方式都表现了较为欢迎的态度。

三、效果与体会

通过本门课程的学习，学生对三大材料的力学性能有一个基本的整体认识，不仅掌握了材料共有的力学行为及机理，而且理解了各类材料特有的力学性能特点，培养了学生的动手能力和创新能力，对后续课程也产生了浓厚的兴趣。在课程讲授的过程中，坚持采用启发式、讨论式的教学方式、理论知识与实际联系、理论课与实验课相结合、多媒体与网络课堂辅助教学等形式和原则，学生的学习兴趣与热情得到大大提高。

参考文献：

[1]王吉会，等.材料力学性能课程的教学改革与实践[J].高等工程教育，2005，（增刊）：79-81.

[2]熊红彦，等.工科基础课教学法改革的探索[J].河北建筑科技学院学报（社科版），2005，（2）：74-75.

[3]杨炳儒，张桃红.理工科课堂KM教学法研究[J].现代大学教育，2006，（4）：83-85）.

[4]唐燕儿.浅谈教学法[J].清华大学教育研究，1998，（3）：108-111.

[5]吕伟，等.应用问题教学法改革材料力学的课堂教学模式[J].力学与实践，2001，（2）：64-65.