研究生材料热力学课程教学初探

彭国胜

(安徽工业大学 材料科学与工程学院，安徽 马鞍山 243002)

对于材料类专业的学生而言，材料热力学是一门理论性和应用性都很强的专业基础课程，通过经典热力学和统计热力学研究材料在制备、加工及相变过程中组织和相的形成规律，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,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。在研究生材料热力学教学过程中分为八章讲述，依次是热力学基本定律、材料缺陷热力学、二元体系热力学、相图热力学、相变热力学、腐蚀电化学热力学、界面热力学和热力学模拟计算相关介绍。我们在授课过程中除强调知识点的讲授外，进行课程相关知识点的拓展式教学，强化培养学生的能力。

一、课程教学过程注重理论结合实际能力的培养

材料热力学这门课程是对实际问题的抽象和概括，因此在教学过程中，教师可以通过拓展实际例子加深学生对理论的理解。例如在讲授“腐蚀电化学热力学”章节时，可以引出日常生活大量使用的PH计为例解释能斯特方程；电位-PH图来解释水的稳定存在区间，引出目前流行的锂离子电池为什么不能在水系体系完成充放电过程以及日常生活中防止铁生锈的途径等；通过二元体系热力学知识点的学习引申出平衡相图的绘制原理。通过理论联系实际的教学环节，一方面可以培养学生学以致用的态度，提高学生学习的兴趣；另一方面加深学生对理论知识的理解，真正做到理论从实际中来，到实际中去的良性循环。

二、课程教学过程注重科学思维素养拓展式培养

材料热力学课程教学中会使用大量的数学公式。数学公式是人类智慧的结晶，是人类几千年来对客观规律的总结，包含数字简洁之美。在本科阶段，由于课时较少的原因，很少有教师在课堂上详细推导公式的来由，往往仅要求学生死记硬背，导致学生对公式一知半解，不能较深刻地理解公式的精髓，更谈不上对公式的灵活运用。研究生教育是本科教育的延伸，不仅仅要求科学知识的掌握，更注重科学思维素养的培养。所以，在材料热力学课程教学过程中注重相关公式的推导以及在公式推导和求解过程中相关前提和边界条件的界定，可以更好地帮助学生理解公式的适用范围以及相关参数的物理意义，最终达到培养学生良好的科学思维素养的目的。良好的科学思维素养培养过程首先是对自然界存在的客观规律正确把握，在此基础上，通过“为什么”的思维环节，分析主要影响因素，弱化甚至剔除某些非主要因素，通过数学建模、求解数学方程的方式逻辑性地呈现事物发生发展演变规律，解决“为什么”的问题；其中主要因素分析过程就是理解条件界定、适应范围的问题。通过相关模型的建立、相关公式提出、推导和分析，从而达到培养学生科学素养的目的。

三、课程教学过程引出人生哲理

材料热力学这门课程很多公式定理蕴含了很多人生哲理。这里以经典的热力学三个定律为例加以解读。众所周知，热力学第一定律是能量守恒定律，即△U=Q+W；其中△U是系统的内能，Q指系统从环境吸收或放出的热量，W指系统对环境或环境对系统所做的功。如果将系统比作个人自身的发展，Q比喻为个人所能借助的外部因素，W比喻为个人所需自身努力。由这个定律可知，个体为了实现自身的发展，需要借助外部因素和自身努力，个体能够依靠的外部因素越多，自身越努力，个体发展的前景就越好；由于某些原因能利用的外部因素受限时，依靠自身的努力，也能实现个体更好的发展；另外，由于个体以及所处环境的差异，个体所能利用的外部因素以及个体努力程度也不一样，但最终效果和目的是一样的，对应Q和W是过程函数；因此，在所能预见的时间内，个体所能利用的外部因素(Q)以及努力方向和程度(W)决定了个体发展最终的效果(△U)。该定律完美地解释了个体在社会中的发展差异，同时也指明了实现个体发展的途径。热力学第二定律通过系统Gibbs自由能的变化判断等压体系的自发方向。该定律给我们的启示是人在规划自身发展时，首先一定要判断发展的可能性，即趋势。如果各方面迹象均表明该方向没有发展前景，作为个体应该果断放弃该方向的努力，因为方向错误，再怎么利用外部因素和努力也不可能达到制订的目标。材料热力学这门课程还有很多公式定律包含丰富的人生哲理，不同的人可能会解读出不同的道理，这也是这门课程的伟大之处。教师在授课过程中应该多引导学生解读其中的哲理，一方面加深对公式定律的理解，另一方面可以指导学生树立积极向上的人生价值观。

四、结语

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结合的课程。课程教学的基本目的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。