《材料科学基础》专业课程案例设计与教学效果探索

黄小萧， 韩秀丽， 张强， 黄陆军

（哈尔滨工业大学 材料科学与工程学院，哈尔滨150001）

0 引言

《材料科学基础》课程是材料科学与工程学科的本科学生的必修课程，是所有材料类专业课程的基础课程。课程内容包括原子结构与键合、固体结构、晶体缺陷、固体中原子及分子的运动、材料的形变和再结晶、单组元相图及纯金属的凝固、二元系相图和合金的凝固与制备、三元相图等内容。学好这门课程，就会为将来的其他专业课程学习打下坚实的基础。通过课程学习，让同学们体会本专业的特色、价值，思考自己的发展前途，进而激发学生的学习热情，具有重要的意义。本文探索了在专业课程的讲述中融入案例，进行案例教学，加深同学们对课程的体会，还能调动学生的学习积极性和增强学生解决问题的能力，增强教学效果。

1 与国之重器相关联的教学案例设计

《材料科学基础》中的第二章是固体结构，主要讲述晶体结构性质，了解和认识原子排列方式与材料组织结构和性能间的相互影响规律。第四章是固体中原子及分子的运动。主要讲述固体中扩散的宏观和微观扩散机制。这是设计材料性能的基础，只有了解固态物质的内部结构和固体中原子的扩散规律，才能从物质波内部找到改善和发展新材料的理论依据和技术途径。在讲述这部分内容时，引入哈尔滨工业大学金属热扩渗的科研团队的案例。该团队创建了金属材料热扩渗表面层组织结构纳米化理论，发明了“金属材料热扩渗层组织结构纳米化技术”，该技术成功应用于港珠澳大桥缆索锚具制造。港珠澳大桥是由3座大跨度钢结构的斜拉桥组成，是世界钢结构桥体最长的跨海大桥。港珠澳大桥设计寿命为120 a，锚具是大桥的主承力件。锚具的缆索能力直接决定了斜拉桥的稳定性和使用寿命，固紧缆索、承载斜拉桥的全部重力及负载。若采用传统工艺，受表面层组织结构制约，疲劳寿命仅能达到设计的1/3。低温热扩渗表层晶粒纳米化技术，实现了锚具整体强韧化与表层超高强韧化，解决了大尺寸、结构复杂锚具制造的技术瓶颈，使锚具通过了设计目标2百万次加速循环疲劳试验，该技术保证港珠澳大桥寿命和可靠性。该技术也创造了巨大的经济效益和更广泛的应用，如在中国一汽解放汽车有限公司、航天科技集团803所、哈尔滨东轻特种材料公司、哈尔滨东安发动机公司、哈尔滨第一机械集团公司等数十单位应用的辐射效应，产生了显著的社会效益，意义深远。

在设计高刚度、薄壁大长径比管件的成型上，通过优化材料的组织结构和热处理，调控刚度和强度是关键需求。哈尔滨工业大学研究团队针对嫦娥五号月表采样机械臂的轻质、高模量、高强度、耐热等综合需求，解决了基体合金微合金化改性、界面状态优化及高致密材料复合制备的技术难题、薄壁管材无余量挤压成型和锻件等温锻造的加工难题，以及产品强韧化与尺寸稳定化协同热处理改性等工艺难题，实现了机械臂弯矩和转矩同步加载，以及刚度的精确测量和强度校核，为产品的成功研制提供了关键支撑。

在专业课讲授的课堂上，自然地引入这样的案例可以增强学生的学习兴趣和国家民族自豪感，也让同学们真切地感受到这样关键技术的创造者就是我们身边朝夕相处的教师们的科研成果，让他们真切地感受到科研技术的鲜活生命力和冲击力。鼓励他们好好学习，为将来国家面临的更多“卡脖子”关键技术攻关贡献自己的价值。

2 与经典哲学理论相关的案例设计

马克思主义基本原理是指导学生树立正确的世界观和方法论，用辩证唯物主义基本原理分析问题、解决问题，为党和人民事业发展提供了科学理论指导。在课堂教育中引导学生从党的非凡历程中领会马克思主义是如何深刻改变中国、改变世界的，感悟马克思主义的真理力量和实践力量，深化对中国化马克思主义既一脉相承又与时俱进的理论品质的认识，深刻学习领会新时代党的创新理论，坚持不懈用党的创新理论最新成果武装头脑、指导实践、推动工作。

在课程中讲述柯肯达尔效应的时候，要把人类认识客观真理的过程与之相结合。柯肯达尔技术主要讲述的是两种具有不同扩散速率的金属，在热处理发生扩散的过程中，形成缺陷和孔洞的现象，是固态物质在扩散的常见现象。在柯肯达尔效应被发现之前，人们普遍认为二元合金中两种金属具有相同的扩散速率，而固体的扩散微观机制：直接交换机制、间隙扩散机制和空位扩散机制也大都没有直接的证据。柯肯达尔效应是对空位扩散机制的直接证明，证实了二元合金中每一个组元都有自己的扩散系数，揭示了扩散的宏观现象和微观机制间的必然联系。柯肯达尔效应还告诉我们，在科学研究的道路上没有一帆风顺，是一个认识-实践-再认识-再实践的过程。这与马克思主义的辩证唯物主义认识论是一致的。世界是可以被认识的，认识的过程由感性上升到理性，这是一个实践的过程。认识是一个辨证发展的过程，认识与实践之间的反复循环式上升的过程，是我们加深对唯物世界认识的过程，实践的无穷特性也决定了认识发展的广阔空间。所以教导学生无论科学理论、发展规律还是未来的无尽的未知，坚持马克思主义唯物认识实践论，有着重要意义和价值。相应的案例设计和讲解有利于学生人生观和价值观的培养。经典理论和文明不应该只停留在过去，停留在人们的脑海里，而是要让同学们常学常新，用理论指导实践，反过来再丰富理论。让经典理论成为同学们成才路上的引领者和指导者，促进同学们成才的同时，也是为祖国培养合格的社会主义建设者和接班人。

图1 固体材料微观扩散机制的认识与实践

3 与传承专业精神相关的案例设计

教育是教师的工作。习近平指出：教育是国之大计，党之大计，坚持为党育才，为国育才，把立德树人融入到思想道德教育、文化知识教育、社会实践教育各环节；要增强教育服务创新发展能力，培养更多适应高质量发展、高水平自立自强的各类人才。教师是教育工作中的中坚力量。利用好三尺讲台，传授好专业知识，培养合格的社会主义建设者和接班人是每一个教师的初心使命。在课程教学时，不能拿着课本宣读，不能生硬搬弄。要善于运用合适的案例。将专业讲授跟现实结合起来，自然地渗透课程思政，宣扬专业的价值，让课堂讲授的各项内容鲜活，有生命力，让教育在教师的课堂讲授中润物细无声。

材料科学基础讲述的是晶体的晶体结构、缺陷、固体扩散和合金相图相关的教学内容。材料相图是合金凝固及指导材料后续热处理的关键科学依据。相图讲述的是随着压力、温度和成分的变化，材料的组成相的构成，理解相与成分、压力和温度之间的变化规律，有助于预测材料的性能，在金属、高分子和陶瓷材料中被广泛应用。讲述晶体中的缺陷章节时，告诉学生缺陷是材料构成中的重要组成部分。完美的晶体在理论上是不存在的，晶体中都会或多或少地存在这样或者那样的缺陷。晶体中的缺陷可以分为：1）点缺陷。主要是指尺寸上比较小的缺陷如外来原子和空位、间隙等。2）线缺陷。指在某一方向上有一定尺寸，如位错。3）面缺陷。指在二维方向上的尺寸很大，与晶粒的尺寸相当的缺陷，如晶界、表面、层错面等。4）体缺陷。任意方向的尺寸都不可以被忽略，这样的缺陷就被称之为体缺陷，如气泡、孔洞、沉淀相、亚结构等。在材料热处理过程中，既要关注材料中相的变化，又要关注缺陷的存在形式。

金属材料热处理是一门重要的金属热加工工艺，1952年哈尔滨工业大学成立了金属材料及热处理专业，并且率先培养了全国第一个热处理专业博士和博士后。哈工大金属材料热处理专业（现在为材料科学与工程专业）的发展史就是一部克服困难、敢为人先、勇于挑战、力争上游的发展史，是20世纪50年代来自全国的技术骨干汇聚到哈尔滨工业大学，是靠自己、靠团队，以国家需求为己任爱国敬业精神，老一辈科学家们克服各种生活上和工作上的困难，在材料热处理事业上做出了载入哈工大乃至全国史册的业绩。时至今日，哈尔滨工业大学材料科学与工程专业的年轻教师们正在传承这种专业精神，先后在国之重器、探月工程等关键技术攻关领域，利用自己的学识做着突出的贡献。教育同学们要深刻学习和体会这种精神，学好专业知识、用好专业技术，弘扬哈尔滨工业大学专业文化，为学校新百年的奋斗征程添砖加瓦。

案例式教学由来已久，常用常新。在《材料科学基础》课程中运用同学们身边的鲜活案例，加入到专业课的学习中，激发同学们的学习兴趣，建立爱国爱校的家国情怀，将会在专业课的教授效果上起到事半功倍的效果。当然案例的选取不仅仅局限于学校内部，可以更加广泛。在国内国外不同领域对优秀校友的先进事迹等方面进行收集，只要能在课堂教学过程中引发同学们的思考，引起共鸣，就会成为成功的案例。

4 结语

《材料科学基础》课程是材料科学与工程学科重要的专业基础课程，激发同学们的专业课程学习积极性，鼓励同学们在学习过程中体会专业课程与专业精神、经典马克思主义理论和国家发展相关联的事例，引发同学们对专业的热爱和应用的思考，开展案例式教学，可以更好地提升课程教学和学习效果。本文所设计的案例均为同学们身边可见、可交流的专业教授的实际事迹，让同学们的学习和交流触手可及，从而提升同学们专业热爱、专业认同，专业骄傲的自豪感。