材料专业材料科学基础的课程教学改革与实践探索

刘瑞平 赵会友 许晨阳 马 峰 王 琪

中国矿业大学(北京) 北京 100083

材料科学基础是材料类和冶金类专业一门很重要的专业基础课，也是众多高校研究生入学考试的必选专业课。材料科学基础是以化学、物理、物理化学、材料力学、金属工艺学和金工教学实习为基础的课程，是材料科学工程专业今后学习其他专业课程的基础[1-4]。本课程着重于基本概念和基本理论的介绍，从材料的内部结构探讨其性质与行为，揭示材料结构与性能的内在联系及规律。纵观材料科学基础所包括的内容可知，该课程内容较为庞杂，具有内容头绪多、原理规律多、概念定义多等特点，由于该课程具有上述特点，加之有些微观规律使得课程内容枯燥乏味、学生理解困难。因此，材料科学基础课程进行教学改革与实践对提高课程教学质量具有十分重要的意义。

1 教学改革与实践

该课程在长期的课堂教学中不断进行改革与探索，采用了一些新型的教学方式，取得了较好的教学效果，具体表现在以下几个方面。

1.1 改进课程体系 提高教学质量

通过多年的教学改革与实践，中国矿业大学(北京)在材料科学与工程人才培养上逐渐形成了“厚基础，宽专业，强能力”的培养模式。为与此相适应，本课程的教学内容也在适合原金属材料及热处理、金属材料压力加工、复合材料3个传统专业主要内容基础上，吸收了无机非金属材料、有机高分子材料以及功能材料的有关内容。将本课程分为五大知识模块，材料多尺度结构、材料的相图与微观组织、材料制备过程中组织结构演变、材料电子结构与物理性能以及材料设计基础，在每一模块中还设计了与教学内容相对应的实验环节(如图1所示)。本课程共需116学时，其中课堂教学96学时，实验课20学时。此外，还设有为期4周的综合实验训练。旨在通过课堂教学环节和实验环节的匹配，激发学生的学习兴趣，促进学生对相关知识点的理解、掌握及应用。

图1 材料科学基础教学大纲框架

1.2 充分利用现代教育手段 提高课堂教学质量

材料科学基础的特点之一是内容抽象、枯燥、难以理解。多媒体教学是利用计算机的主动交互功能产生新的图文并茂、丰富多彩的人机交互方式。这种交互式的教学过程能充分激发学生的学习兴趣，使学生产生强烈的学习欲望。为了提高学生对那些需要有丰富空间想象力的晶体结构、复杂金相组织的转变和识别、三元相图的分析、位错的生成发展过程、塑性变形过程中位错增殖和缠结过程等知识难点的理解和掌握，在教学过程中，充分利用了现代化信息的教学手段，将先进的多媒体现代化教学手段引入材料科学基础教学中，并让它们以二维或三维动画形式生动形象地展示在学生面前，实现图、文、声、像并茂的视听一体化教学，弥补传统教学在时间和空间等方面的不足，以优化教学效果，并让学生在有限的课堂授课学时中学到更多的专业理论知识。在多媒体的设计和制作过程中，做到图文并茂，通过三维图形的设计和制作，同时辅以必要的动画演示，尽量做到把抽象的问题形象化。例如在讲授扩散部分内容时，涉及间隙原子的扩散、表面扩散、晶界扩散、置换原子的扩散等众多过程，通过设计了相应的Flash动画进行了形象的演示，找出其中的区别与联系，加深学生的理解；如凝固结晶过程、位错运动和塑性变形中组织结构的变化等，组织学生观看录像，生动地用图像演示给学生，以加深学生对课程内容的理解，提高学习兴趣；同时，在讲授的过程中，对于一些公式的推导，采用了板书结合多媒体的方式，增强了学生的学习效果。

1.3 引入互动式教学 强调学生的主体性

互动式教学可以提高学生的学习热情，拓展学生思维，激发教学双方的主动性与能动性，培养学生的自主创新意识和能力，让学生爱学、会学和善学。互动式教学作为一种新兴的教学方法，其教学目的在于使学生掌握材料科学基础课程的内容，并在此基础上，提高学生的自学能力以及分析问题和解决问题的能力[5-7]。材料科学基础课程内容抽象、概念性强，学生在学习时易感到枯燥难学，因此，在课堂上常采用互动式教学和启发式教育，常用提问、问答或引而不发方法，以调动学生积极思维能力(如图2所示)。

图2 互动式教学模式设计

课程教学过程中，可以让学生采集一些计算机软件设计与课程教学相关的图片、动画等，在做的过程中使学生加深对相关知识点的理解，如原子的扩散方式、位错的滑移方式等；教师可以采用启发式教学，适当提问、举例、讲练结合。除此之外，一方面，积极探索，进行课内外结合，开辟第二课堂。对于材料科学中最基础理论，如位错理论、塑性变形等教学重点、难点，让学生在课外通过大量阅读文献资料和充分准备，然后组织学生进行课堂讨论，并以学生发言为主，在上课前几分钟进行讲解，并提出自己在理解过程中的难点以及问题，讲完后师生共同点评，让学生直接参与教学。这样既锻炼了学生的逻辑思维能力和语言表达能力，又发挥了学生在教学过程中的主体作用，调动了他们学习的积极性。另一方面，将授课与学术报告，理论与实际结合起来。在教学过程中及时向学生发布与材料科学基础教学大纲密切相关的学术报告会信息，鼓励学生积极参与，既扩大学生的知识面，又使教学大纲更加新颖。

1.4 引入材料名人典故 激发学生的兴趣

材料科学基础课程的特点之一就是原理多、内容枯燥抽象、难以理解。在课堂教学的过程中，学生容易出现困倦、头脑僵化、注意力分散等现象。在课堂教学过程中，适时介绍材料科学领域相关人物的科研典故应该是克服上述教学困境的最显著方法[8]。如果将一些材料名人发明新概念、建立新定理的典故与课本内容有机结合，便会进一步优化课堂内容，提高课堂效率，同时也激发了学生的兴趣。在收集材料名人的典故方面，可以作为课外作业由学生完成，也可以教师自己完成，在课堂教学过程中通过提问或教师讲授的形式介绍，提高了学生在课堂教学过程中的参与性。例如在介绍到扩散理论时，可以结合菲克的提出扩散定律的历史背景以及研究方法出发，逐步引入扩散第一定律和第二定律，使学生能够更深刻地掌握两个定律的区别与联系，再通过进一步的课后练习题进行巩固，加深学生对该知识点的理解。

通过整理相关科学家的生平资料还可以了解材料科学基础课程探索和研究的思路，启发学生平时的学习，同时，著名科学家身上优秀的品质和科研精神也可以对学生今后的工作产生巨大的影响。如克肯达尔效应发现和提出就是克肯达尔(Kirkendall,1914～2005)在20世纪40年代研究铜与锌的扩散规律时，根据自己的观察对已有的许多固体中扩散的实验研究持怀疑态度，坚持以自己的方法完成实验，进而证明了固体中的非互易扩散(指原子的直接交换)，最终提出了克肯达尔效应[9]。

1.5 强化实验训练 增强学生创新

材料科学基础是一门实验性极强的课程，在课程讲授的过程中，还应结合一些相关的现象设计一些实验，通过对实验现象的探讨，使学生能够更好地理解相关知识点[10-12]。例如在讲授柯肯达尔效应时，可以在课前安排一个验证实验，然后在课堂上针对实验中所观察到的实验现象和实验结果进行理论上的解释，这样便于学生更好地理解，记忆也更加深刻。

另外，在课堂教学的过程中，充分利用学校的《大学生创新训练项目》《大学生科研训练》《专业综合设计》等实践性教学环节，结合相关导师的科研项目以及课程背景，对相关实验进行细致的设计，同时鼓励学生积极参与，并以平时的表现按一定权重计入最后的课程成绩。在课堂中也留出一定的时间对一些实践过程中的难点和问题进行讨论。这些实践性环节不仅可以极大地提高学生的参与性和发挥学生在课程学习过程中的主体性，还可以提高其针对特定问题查阅资料获取信息的能力、自主学习能力、实验动手能力、分析和解决问题的能力等；不仅可以激发学生的创新精神，同时，还通过对已经学习过的课程基本知识的具体运用，进一步加深对该部分知识的理解与应用。

1.6 改进课程评价体系 正确评价学生学习情况

目前，国内各高校对材料科学基础课程最主要的评价指标为考试成绩，为了更客观、合理、全面地考核学生对该课程的学习，该课程最后的成绩由平时成绩(作业完成情况、实验情况)、出勤情况、课堂表现、考试等多方面按一定的权重计算得出(如图3所示)。

图3 课程教学质量评价体系

学生平时的学习态度、努力情况以及对于知识点的真正掌握情况均对该课程最后的成绩有一定的影响。这种新的课程评价方式不仅可以有效地避免学生为了考试而学习的现象，而且可以提高学生在课程教与学过程中的参与性，发挥学生作为课堂教学主体的作用。而对于课程考试环节，笔者也探索了开卷和闭卷考试相结合的考试模式。闭卷考试重点考查学生对基本理论知识的掌握程度，而开卷部分重点考查学生对基本理论知识的应用能力，检验了学生分析和解决问题的能力。实践表明，采用上述新型的课程学习评价体系，不仅有助于学生对基础理论的学习和掌握，而且有利于培养学生的理论联系实际的能力，提高学生的综合素质。

2 结语

材料科学基础的课程教学改革和实践是一项复杂的工程。实践证明，在教学过程中，教师不仅要按照教学大纲的要求进行细致的准备和讲解，还要不断提高学生学习的积极性和参与性，发挥学生在课程教学过程中的主体性，只有这样，才能提高学生的学习效果，同时学生的综合素质也可以得到提高。研究表明，通过采用改进课程体系和教学手段，使得理论教学与实验教学相结合，同时充分利用现代教育手段、引入互动式教学和材料名人典故以及改进课程评价体系等手段，能够有效激发学生的学习兴趣，提高学生学习的积极性和主动性，增强学生对基础理论知识的理解和掌握，同时培养学生的创新思维，进而获得良好的授课效果。