《材料科学基础》课程教学改革浅析

周 念 顾 强 周登凤 何杰军

（[1]贵州理工学院材料与能源工程学院 贵州·贵阳 550003；[2]重庆市计量质量检测研究院 重庆 401120）

随着社会信息技术的普及，新时代背景下对课程教学的改革提供了新的思路。材料科学基础课程作为材料专业最重要基础课程，在相关知识学习和掌握上对材料专业的学生要求颇高。材料科学基础课程的知识点具有一定的文科课程性质，文字阐述较多，概念介绍大量存在，也包含了大量理论推导。围绕材料四要素进行分析材料科学基础课程，可以发现在成分、工艺、组织、性能四要素的互相关系上，有关成分和工艺在宏观尺度的知识较少。在成分上，材料科学基础更强调微观的原子、分子及其键合方式和晶格结构等这些共性的理论概念问题。在工艺上，材料科学基础在机械加工上强调弹性变形和塑性变形的基础原理理论知识，在热处理上强调原子扩散、凝固（液固转变）、相变（固固转变）等基础概念。在组织上，材料科学基础更强调晶体中的微观结构的缺陷概念和缺陷演变等，包括点（固溶、空位）、线（位错）、面（层错，晶界，相界）、体（沉淀，固溶）缺陷。在性能上，材料科学基础更偏向于金属结构材料，重点突出四大强化机制以及微观结构、组织相结构对力学性能的影响。对于非结构材料，则主要以介绍各类型功能材料为主。材料科学基础课程的学习仍需要学生强化记忆知识点，但要引导学生归纳总结。

1 《材料科学基础》课程教学现状

本文试图从学生角度分析课程学习,针对学生的心态建立一种课程改革思路。教学的目的是为了使学生得到知识，因此，作为知识受体的学生首先要主观上愿意接受知识。为了保证材料科学基础课程的教学效果，首先要保证学生的学习积极性。从教师的角度来讲，大量高校教师工作者强调第一节课的形象生动，可以在课程过程中引入名人事迹，强调结合生产案例，以及采用多媒体教学等建议。但是，除了教师的上述措施，还应从学生的角度分析。提高学生学习积极性还与学生的基础素质有关。基础素质包括个人学习态度、个人基础理论深度、个人学习能力高低等方面。其中任何一方面有所缺失，都会使学生在学习过程中产生厌学心态。态度不端，学生从根本上就不愿意学习。基础不牢，对课程中出现的较深的理论学习困难。学习能力差，很难快速适应大学教育中海量的综合课程信息。因此，本文对材料科学基础课程本身的改革分析基于上述三个方面分别论述。对于学生学习态度问题，和材料科学基础课程本身关系较小，对于学生而言是所有课程的共性问题。态度问题上需要强化对学生的思政教育工作，突出辅导员的指导作用；学生干部和学生之间亲和力更好，相互了解容易，要充分发挥学生干部的基础作用。其次针对学生的生活需求进行奖励鼓励。在学习鼓励上多方位引导学生，针对满足考核条件的学生进行奖励。需要指出，在主动提高学生积极性的同时，还需强化考核强度，丰富考核方式。

对于已经具备学习积极性的学生，材料科学基础课程本身具有知识点多且课时紧张、理论性强、内容抽象、知识体系逻辑性弱等特点。这些客观问题存在关系着学生的学习能力和基础理论深度两个方面。在学习能力上，要注重分析学生的想象力（理解能力）、记忆力、思维逻辑能力、注意力（认真）等。要基于对材料科学基础的课程分析，对课程进行合适的调整来契合学生的能力问题。根据调研，现有主流的材料科学基础教材以及互联网中值得借鉴的教学资料，其理论深度参差不齐。在教学中根据学生基础素质情况对教学内容进行调整改革，做到有的放矢，才能提高教学效率。通过对知识点的分类分析，本文认为根据具体专业方向适当收缩课程知识点，解决知识点多的问题，使学生在有限的时间内能扎实学习本专业方向的材料科学基础知识。材料科学基础课程中含有数学理论体系的主要包括位错理论及位错动力学、扩散理论、相变理论。从理论深度上讲，这几部分理论分别都有单独的理论教材去完整的进行理论体系的详细、深刻的推导论述，其在逻辑上更为完备。试图在材料科学基础这门综合性基础课程中让学生完全理解有一定难度。因此，可以弱化对这几部分理论的推导教学。弱化深度数学理论的推导不等于放弃不讲，而是强调以通识介绍、理清理论逻辑为主，使学生对相关理论有整体的认识，以此解决材料科学基础理论性强的问题。

材料科学基础教程还普遍存在内容抽象的问题。对于材料专业的学生，材料科学基础往往是学生在材料专业课程中的第一门课。在课程教学中要引导学生想象，了解学生的普遍接受能力，帮助学生理解。针对抽象问题，目前已有大量教师提出较多方案，如采用动图、图片、实践等方式。动态图、图片等方式的确对学生在理解抽象性上有较好的启发效果，然而目前教学中大多数教师的影像资料来源于网络、教材，重复性较高，且局限于二维平面，对帮助理解仍然有限。实践方式上基于每个学校的实验条件，往往局限于学生在金相、相图、热处理等操作性强的方面实践，对较为微观的晶面、位错运动、晶界、多晶结构等基础认知帮助仍然有限。本文提出采用几种材料结构建模和模拟软件，建立三维可视化的晶面、位错运动、晶界、多晶结构等，提高学生对材料科学基础的学习理解能力，解决知识抽象问题。此外，基于针对材料科学基础教材的分析，构建了基于力影响和热影响的知识点分类思维导图，从而为学生建立一个良好的知识体系，解决知识体系逻辑弱的问题。

图1：材料科学基础课程基于力影响和热影响的知识点分类思维导图

2 《材料科学基础》课程教学改革

2.1 课程知识体系逻辑

材料科学基础作为材料专业学生的必修专业入门课程，其知识体系上具有综合性强的特点。材料科学的几个重要分类在材料科学基础中都有所包容体现。材料在种类上包含金属材料、高分子材料、无机非金属材料以及复合材料。材料的知识体系又包括成分、工艺、组织、性能及其相互关系等方面。材料在变化过程中吸收的能量形式包括功（变形）和热（热处理）。材料在功能上又包括光学、电磁学、热学、力学、化学以及相互耦合等性能。不同特征分类之间又交叉结合，致使材料科学基础课程的知识点纷繁复杂。例如，在上海交通大学出版的教材中，各种类型材料的知识分散在各个章节中。从教材编著的角度讲，作为一门专业基础课程，追求知识点的全面是为了满足更广泛的材料科技工作者的需求。然而对于学生而言，如此丰富的信息鱼贯而入，显然很难在短时间将信息内化为知识。

本文基于金属材料最常用的两类处理方式（变形和热处理）为核心，将普遍使用的材料科学基础教材中的知识分为三大模块，如图1所示。第一模块为固体材料基础知识。这一模块为材料科学基础中的基础，主要围绕构成固体的最基本单元原子和晶体结构的相关知识，以及晶体结构材料中的缺陷形式。第二模块为与材料加工相关的基础知识。主要围绕固体材料在力和热的作用下，材料的组织结构所产生的变化规律。在力的作用下，材料会产生弹性和塑性变形。协调材料塑性变形的方式主要为位错形核运动和孪晶形核长大。在热的作用下，材料中原子的扩散性和迁移性提高，与此相关的组织变化是液固转变（凝固）和固固转变（相变）。此外，在力和热的共同作用下，材料还会有耦合的组织变化形式，如再结晶、热变形等。根据这种归类思路，还可以发现如果打破这种分类方式，将力和相变结合，可以联系到最近处于研究前沿的TRIP钢。第三模块将一些特殊固体材料综合在一起。其中包括了物理功能类材料和新材料，如碳材料、纳米材料、高熵合金、复合材料等。这一模块中的材料往往是目前科学研究前沿，还没有形成完整体系的理论，在学生学习过程中也注重于认识了解。

通过对知识进行模块化划分，除了可以从复杂众多的知识点中找到一根理解准绳，还可以从学生的能力角度调整教学的深度。例如，第一模块作为基础，必须是所有材料学科都需要强化记忆理解的重点。只有在这些基础知识深刻理解的基础之上，后续的知识学习才能顺利的进行。因此，在这一部分学习过程中，有必要放慢教学速度，如多采用黑板板书，使学生有较多的课堂时间去逐渐理解。又如，对于第二模块，是金属材料专业所有相关课程的基石。只有理清金属材料在力和热作用下发生的微观结构变化规律，才能形成完整的金属材料基础理论。因此，此模块中力热影响下材料的微观结构变化应成为教学重点。

图2：材料微观结构的形象化

2.2 模拟形象化

材料的性能由微观结构决定。材料科学基础旨在给材料的宏观概念提供理论基础，因此在有关概念介绍中基本会脱离现实生活的认知范围，进入微观尺度深入解释材料性能表现的依据。这就使得学生在学习过程中必须建立微观的概念，接受抽象的认知对象。例如，晶体结构、位错、孪晶、相组织等。通过对这些基础对象的深刻认识，才能让学生对材料科学基础知识有效的吸收和深刻的理解。尽管这些对象属于微观尺度，但还没有进入量子尺度范畴，通过现有的材料表征手段可以实际观察到。目前的教学实践中已经存在几种形象化模式，如晶体结构示意图、位错示意图、金相照片等。但是，这些形象化手段还存在维度不足、动态效果差、脱离材料实际等问题，学生的实际接收效果并不好。本文结合科研实践，在对材料的模拟研究中发现许多微观结构对象可以在模拟中以非常形象丰富的方式呈现，例如，在经典的材料科学基础教材中，对刃型位错、层错、不全位错、扩展位错的概念均建立在示意图层面，在认识过程中难以形成深刻的认识。作者在研究面心立方金属的变形过程中，观察到上述概念均可动态呈现，如图2所示。其呈现的可视化原子排列清晰可见，缺陷特征明确，并展现出实际存在于材料的变形过程中。又如，对于晶体结构的堆垛形式和密勒指数的对应关系，尽管在传统教材中已有较为清晰的示意图，但通过模拟建模，可以通过短视频方式三维展示不同层次的原子面堆垛方式，使学生对不同晶体结构的区别认识更加深刻。

3 总结

材料科学基础是材料相关专业学生需要掌握的重点课程。结合学生学习材料科学基础中存在的问题，本文提出了一种新的思维导图理清本门课程中的知识逻辑。此外，针对学生在学习过程中存在的抽象理解问题，本文认为可以借鉴材料模拟软件对其中的微观抽象概念进行形象化。这种形象化可以使得大量抽象概念得以明确的区分和认识，同时可以同步结合到材料的加工过程中，降低学生对材料科学基础知识的吸收和接受难度，提高学生的学习积极性。最后，这种模拟形象化可以进一步拓展结合到线上课堂中，建立基于模拟的实践仿真课程。