研究生材料热力学课程的教学探索与实践

朱利安+张虹+李顺+叶益聪

[摘 要]作为材料科学与工程专业研究生的专业基础核心课程，材料热力学的根本任务在于培养研究生将热力学基本原理应用于材料科研实践中的能力。以国防科技大学研究生课程材料热力学为例，可以从教学设计及实践的革新入手，对课程的教学内容、教学方法和考核等进行探索和实践，以提高研究生专业核心课程材料热力学的教学效果。

[关键词]材料热力学；研究生；教学探索

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）04-0096-02

材料热力学对于材料类专业的学生来说是一门理论性和应用性都很强的专业基础课程。材料热力学对学生以后相关专业的学习以及研究有重要的作用。材料热力学是利用热力学原理来研究材料问题的科学。具体来说，它是研究基于经典热力学和统计热力学研究材料在制备、加工及相变过程中的相和组织的形成规律。材料热力学课程具有理论性突出、应用性强、概念抽象及公式繁多等特点。在我校的课程体系设计中，该课程为材料科学与工程专业研究生的专业基础核心课程，其根本任务在于培养学生将热力学基本原理应用于材料科研实践中的能力。针对上述目标，研究生课程应当从教学设计到实践进行相应的探索和革新，以实现研究生理论水平及科研实践能力的双重提升。为此，本文从教学内容、教学方法和课程考核等方面进行教学探索和实践，以提高研究生专业核心课程材料热力学的教学效果。

一、教学内容

（一）内容设计固基础重提升

我校材料科学与工程专业研究生生源多样，本科专业涉及应用化学、材料物理、材料化学及材料加工工程等。因此，在材料热力学的教学中既要考虑学生的专业差异，巩固不同专业学生的热力学基础，又要注重内容的提升，使学生在进一步掌握热力学理论的基础上初步具备从事材料热力学研究的能力。为此，在教学内容的设计上，我们将内容划分为上、下两个篇章。第一篇章为基础篇，包括热力学第一定律、热力学第二定律和附加函数等章节，重点讲解热力学三大定律及热力学性质和函数间的关系，目的是巩固和强化材料热力学的基础理论。第二篇章为应用篇，包括纯物质相平衡、溶体热力学、二组元材料相平衡、相变热力学、界面热力学及材料设计与热力学等章节，重点讲解材料热力学在处理纯物质及溶体的相平衡、相变及表界面问题中的应用，目的是提升学生利用材料热力学理论解决实际问题的能力。

（二）教材选取博采众长

为了服务于上述教学内容，我们在教材的选取上博采众长。课程以David R. Gaskell主编的《Introduction to the Thermodynamics of Materials》为主要参考教材。该书知识结构完整，内容翔实，系统严谨，且实例丰富，兼具实用性和趣味性。[1]同时以郝士明主编的《材料热力学》、徐祖耀主编的《材料热力学》和西泽泰二编写的《微观组织热力学》为辅助参考教材，三本教材各有所长。郝士明主编的《材料热力学》偏重溶体热力学知识的介绍，对自由能近似和相关模型的讲述全面系统，且包含与科研实践紧密联系的计算相图热力学方面的内容，尤其重视选材的新颖和解说的例证性。[2]徐祖耀主编的《材料热力学》是材料科学与工程专业的研究生教材，注重基础知识和相关理论的深化和提升，其中有關界面热力学和相变热力学的介绍系统深入，理论性强。[3]西泽泰二编写的《微观组织热力学》着眼于应用热力学理论解释材料微观组织变化的规律，案例丰富、图解直观、阐述系统。[4]教学时我们根据不同章节的特点合理选取上述参考教材，集众家之所长。

（三）教学案例突出应用

针对材料热力学理论性强、概念抽象等特点，我们在授课时以应用为牵引，将重点放在运用热力学基本原理解决材料科学问题上。通过分析日常生活、科研生产中的实际案例，讲解重要理论及关键抽象概念的理解及其在材料研究中的应用，在让学生在理解这些理论及抽象概念的同时，掌握运用它们解决材料研发问题的能力，从而激发学生的学习兴趣。[5]例如在讲解化学势的定义和意义时，介绍上坡扩散现象及其原因，让学生认识元素扩散的根本驱动力；在讲解熵的统计表达时，介绍高熵合金的发现和研究现状；在讲解界面热力学时，介绍采用计算高温难熔金属熔体界面能的方法解决超高温下液态材料界面能测量困难的问题等。

（四）实践教学服务科研

为了突出材料热力学服务科研的功能和作用，帮助研究生掌握使用材料热力学原理解决材料科研问题的方法，我们在教学中特别注重实践教学环节的设置。通过课程前期建设，我们引进了包含Nb基合金数据库的PANDAT相图计算软件。该软件是一款用于计算多元合金相图和热力学性能的集成工具，面向工业、研究及教学的初中高级用户，具有功能强大、简单易学的特点。利用该相图计算和应用操作平台来指导学生上机学习和操作，可以使其亲身体验热力学原理如何指导材料研究，了解理论对实践的重要指导作用。实践教学增加了学生的感性认识，使其对所学知识理解得更加透彻，同时也让他们初步具备运用CALPHAD（热力学计算相图）方法指导科研实践的能力，为其将来从事相关研究打下基础。

二、教学方法

（一）板书为主，多媒体为辅

材料热力学的课程教学涉及的公式多、符号种类多且符号标注复杂、信息量大，宜采用板书的形式进行热力学公式和例题的推导、讲解。板书的优点是讲解速度适中、逻辑性强，学生在做笔记的同时能加深对定义、公式和各种符号的理解和记忆，同时能紧跟教师讲解思路，有利于促进知识的消化吸收。[6]针对复杂图示，如三元相图的解剖分析等，可采用多媒体课件辅助呈现，这能在节约教师板书和画图时间的同时，提高讲课效率。

（二）讨论式教学

我们在教学中挑选章节的重点和难点内容设置讨论式教学环节，以加深学生对重难点问题的理解，同时培养学生的参与意识与问题意识。[7]一般在课程结束后我们会布置相关的思考题，让学生自由分组，并在下次上课时派代表上台讲解，各组学生针对讲解内容进行提问和讨论并进行互评，最后由教师进行点评和总结。[8]例如在讲解自由能平衡判据时，我们以《生物体中球状蛋白有序构型形成的热力学解释》为题设置讨论思考题，以加深学生对自由能平衡判据的理解。

（三）阶段性总结答疑

针对个别章节理论性强、公式多的特点，适时设置总结答疑课，对章节重点内容进行梳理和总结，帮助学生掌握重点概念、理论和公式，为后续章节的讲解打好理论基础。此外，期中和期末组织集中学习和答疑，通过对重要知识点的梳理、总结、凝练，制成表格，帮助学生更快更好地消化所学知识。

三、课程考核

考核内容的设计与教学内容相呼应，分别采用闭卷考试、上机考试和课程综合设计作业三种考核方式。其中，闭卷考核占比60%，题型以与实际应用密切相关的问答题和计算题为主，主要考核学生对材料热力学基本概念和理论的掌握情况。上机考试占比20%，主要考核学生对Calphad方法的理解和对热力学数据库的运用能力。课程综合设计作业占比20%，主要考核学员利用所学知识解决实际问题的综合能力。考核时以组为评价单位，每组3-4人，小组采取自由组合的方式，每组题目各不相同，采用抽签的方式从题库中选定。在课程综合设计作业的完成过程中，学员间积极讨论交流，进一步加深了对所学知识的理解。同时，这也培养和锻炼了学生查阅文献、撰写科技文章的能力及团队合作协作意识，有益于他们即将开展的课题及论文研究工作。从学生们的反馈看，学生对这种考核形式很有兴趣且很重视，我们也取得了理想的核效果。

四、结束语

作为研究生专业核心课程，材料热力学是一门注重理论和实践相结合的课程。课程教学的目标是培养学生掌握热力学基本原理，并将其灵活应用于材料科研实践中。针对该目标，我们在近几轮的教学实践中着力从教学内容、教學方法和课程考核等方面进行教学探索和实践。从课堂教学情况、学员反馈和考试结果来看，上述措施增强了学生的学习兴趣，提高了教学效果，提升了学生解决实际问题的能力。

[ 参 考 文 献 ]

[1] David R. Gaskell. Introduction to the Thermodynamics of Materials [M]. 4th edition. Abingdon： Taylor & Francis， 2003.

[2] 郝士明.材料热力学[M].北京： 化学工业出版社，2004.

[3] 徐祖耀，李麟.材料热力学[M].北京：科学出版社，2004.

[4] 西泽泰二.微观组织热力学[M].北京：化学工业出版社，2006.

[5] 杨琪，林文松.如何提高《材料热力学》的教学效果[J].教育教学论坛，2013（41）.

[6] 杨琪.材料热力学教学中提高学生兴趣的探讨[J].科教文汇，2013（13）.

[7] 李青春，常国威，陈淑英，岳旭东.“材料热力学”课程教学改革探索和实践[J].中国电力教育，2014（2）.

[8] 杨琪.材料热力学教学中提高学生兴趣的探讨[J].科教文汇（上旬刊），2013（5）.

[责任编辑：陈 明]