基于材料科学与工程专业在新工科背景下《材料性能学》教学改革与探索

＊何秦川 王益群

（成都理工大学材料与化学化工学院 四川 610059）

1.引言

材料是高新技术的基础和先导，新材料是国家战略性新兴产业的核心和支柱。成都理工大学材料科学与工程本科专业是教育部本科高等学校卓越工程师教育培养计划专业，2018年通过中国工程教育协会专业认证，2019年入选四川省首批一流本科专业建设点，是四川省高等教育新世纪教改工程省级材料类本科人才培养基地。

随着我国高等工程教育改革的进行和发展，高等教育学界逐渐出现了一个“新工科”的概念。“新工科”是指在新时代科技、产业革命以及知识生产模式转型背景下，面向当前新经济的现实急需和未来发展，运用新兴技术建设和发展一批新兴工科形态，或者改造和升级一批传统工科，构建具有跨界整合、创新驱动、应用实践等具有中国本土特色的新型工科[1-2]。

为培养符合“新工科”概念要求的专业工程技术人才，就需要提高高等教育课程的实用性、交叉性以及综合性，培养和提升学生掌握理论、应用实践、创新驱动的能力。同时，还需紧紧围绕专业的基础课程和核心课程进行持续思考和探讨。

《材料性能学》是材料科学与工程专业的基础及核心课程，主要介绍了材料的性能指标、测试评价方法、影响规律因素与实际应用等内容[3]，此课程共2学分，32课时。此课程在学生学习大学物理、物理化学、材料物理化学基础、结晶学等专业基础课程之后，在大三学年秋季学期开出。课程支撑了两个毕业要求，分别是：指标点1-3，能够将相关知识和方法用于分析、解决和评价材料成分结构、制备、性能与使用性能相互关系的复杂工程问题；指标点2-2，能够应用数学、自然科学、工程科学及材料科学等基本原理表达材料的成分、结构、制备、性能与使用性能及其相互关系的工程问题。本文以《材料性能学》课程为例，提出了在“新工科”概念背景下对于课程教学中的改革探索和思考。

2.课程目的与内容概述

《材料性能学》是材料科学与工程类一级学科专业必修课。此课程教学目的是阐述固体材料的各种重要性能的基本理论及其发展和应用，介绍其原理及微观机制、基本理论的形成、各性能的影响因素及控制和改善性能的措施，以及材料各性能之间的相互制约与变化规律。通过本课程学习，能够理解掌握材料各种性能的概念、发展与应用，能够解决改善材料性能，开发新型材料等复杂工程问题。使学生材料工程理论与实践相结合，进一步掌握材料的各种主要性能基本概念、物理性质、变化规律以及性能指标的工程意义，了解影响材料性能的各种因素。同时，揭示了材料性能与其成分、结构之间的规律，掌握提高材料性能指标，充分发挥材料性能潜力的主要途径，了解材料性能的测试原理、方法及仪器设备，培养学生具有初步的材料失效分析、合理选材、用材以及开发新型材料的技能。

《材料性能学》主要包括材料力学性能和材料物理性能两个部分。其中材料力学性能部分介绍材料在静载条件下的弹性形变、塑性形变和断裂过程，同时介绍了材料硬度、冲击韧性、断裂韧性、磨损性能、疲劳性能以及材料在高温、高速冲击、摩擦、腐蚀性环境等不同条件下的力学性能。材料物理性能部分介绍了材料比热容、热膨胀、热传导等热学性能，材料导电、介电、热电、压电等电学性能，材料对光的折射、反射、吸收、散射的光学性能以及材料的磁学性能[4]。

总之，通过本门课程的研究与学习，要培养学生掌握材料性能指标的测试意义、应用条件以及区别，学会从材料的微观结构和各种影响因素来分析材料性能的变化。但是这种课程目标运用传统的授课方式达到的效果并不理想，也不符合“新工科”背景下培养学生工程能力和创新能力的具体要求。因此，要分析本门课程中存在的一些问题，提出一些必要的革新方法和手段，达到在新时代、新环境、新形势下培养新工科创新型人才的目标。

3.课程问题与现状

本课程包含的内容丰富，涵盖的知识点广泛，对于材料专业的本科生来说，要达到课程目标有一定的难度。分析其原因主要是课程本身的特点鲜明，内容繁杂，思维抽象。下面就对此课程的特点与学习难点进行具体分析，发现授课过程中的具体问题，对提出问题进行针对性思考和建议。

从本课程三个鲜明的特点来分析课程主要难点：

(1)课程内容涵盖广泛，学科交叉性较强

从上述课程内容概述中提到，此课程讲述的内容不是针对某种材料本身，而是突出对各种材料性能的研究，这个过程是穿插在材料专业学生整个专业知识的学习中。其研究对象不再具有特定性、专一性，而具有广泛性、多元性。与此同时，其研究的性能也具有多样性、丰富性。因此，可以看出此课程的一个主要难点是课程理论知识繁多且抽象，要求学生了解各种材料大量的性能指标、测试方法和意义。

(2)专业理论知识和实践结合不紧密

本课程讲述的主要侧重点是材料各种性能指标在材料性能测试中的意义，以及各种理论的测试方法及原理。然而对于学生来说，如何测试某种特定材料的某种特定的性能，用什么样的测试仪器，设计什么样的测试方案，这方面的实践经验较为欠缺。本课程不应该一味讲授理论知识，而应该多进行大量的实践应用，才能更好地发挥本课程的理论优势，使学生更好地理解课程意义，也更符合“新工科”背景下的教育理念。

(3)学习好此课程，要求学生首先掌握扎实的专业基础知识

部分学生在前期专业基础课的学习过程中，掌握知识不牢靠，部分基础概念理解不深刻，学习过程相当吃力。在授课过程中，由于课程内容繁多，课时不充足，老师侧重对课程的新概念的讲述，对基础知识回顾力度不大，从而难以达到课程目标。

4.课程改革与探索

对于《材料性能学》授课过程出现的问题与教学难点，主要从课程内容和授课方式两个主要方面来思考解决，从而达到理想的教学效果。

(1)课程体系内容改革

由于材料性能学内容多而杂，涉及的知识面广泛，老师在授课过程中要对课程内容多进行整理和优化，合理安排课时顺序、学时以及教学重点[5]。教学过程中既要注重对基础知识的回顾，又要注意学科交叉性的特点。在引入新的概念时，一定要循循善诱，以使学生达到融会贯通的效果。比如在讲到材料的耐腐蚀性能时，一般以金属材料的耐腐蚀性能作为研究对象，此时老师就要从金属材料的一些基本概念出发，一步一步引导出耐腐蚀性能这个概念，然后分析金属材料的一些腐蚀机理，最后延伸出如何提高金属材料的耐腐蚀性能，以及腐蚀性能的一些表征，测试方法等。针对课程内容多的特点，一定要优化整合，特别是在讲解材料物理性能部分时，有部分物理性能的知识点具有关联性，此时教师可以根据实际情况对内容进行整理讲解，比如可以将材料的电学性能和磁学性能相关的知识进行一个串联，详略得当地讲述这两种不同性能之间的联系与差异，既巩固了知识点，又节省了大量的课时。最后对于学科交叉性特点，要学会用其他学科的基础知识来分析材料性能产生的原因，比如运用晶体学中的晶体滑移、晶界滑移、原子扩散来解释材料的蠕变现象，用晶体的滑移、孪生、扭折来解释晶体的塑性变形等等。同时，老师要根据实际教学情况对课程内容进行整理归纳，课程各个章节之间要相互联系，为学生在脑海里构建一幅脉络清晰的知识网，帮助学生对课程理解的更为深刻。

(2)授课方式改革

在明确内容改革方向之后，对老师授课方式也进行了思考探索。现对区别于传统授课方式进行探讨：

案例分析教学，激发学生兴趣。课程中的大量内容十分抽象，理论概念理解难度大，老师在授课过程中不必拘泥于一味地讲解概念、叙述原理、推导公式，要多从现实生活的案例进行分析，提高学生的学习兴趣，激发学生的学习欲望，才能达到事半功倍的效果。比如在讲述材料的力学性能时，可以引入17世纪意大利科学家伽利略提出的拉伸试验，并且他制造出第一台用砝码加载的试验机，这种试验也揭示了材料在静载荷作用下，材料失效的三种形式，即过量弹性变形、断裂和塑性变形，这就慢慢引入了材料力学性能相关的知识与概念。再比如在讲述材料的冲击韧性和低温脆性这一章节的知识点时，则可以引入曾经震惊世界的美国挑战者号航天飞机失事爆炸的事件，快速引起学生的兴趣，分析此次事故爆炸的原因：是助推器两个部件之间的接头因为低温变脆破损，然后诱发一系列的连锁反应导致。接着快速引入将要讲述的课程知识点，说明材料的冲击韧性和抗低温脆性的重要之处。在学习过程中加入案例分析，不仅能让学生完成课程目标更高效，也能让学生了解课程未来的发展方向，进而产生浓烈的科研兴趣。

案例分析过程要逻辑紧密，要有引导性、趣味性，具体实施方式可以通过多媒体教学，展示课程内容相关的科普视频、图片等等，教学过程要突出重点、详略得当。同时也可以介绍与课程内容相关的最新科研动态，使学生了解行业发展的方向与热点，让学生了解到课程的重要性。

双边多元教学，培养学生能力。教学是老师教，学生学两个部分相结合，是老师与学生双方相辅相成的结果。要锻炼学生思维、开阔学生的眼界、提高创新能力，就要打破传统的老师对学生的授课方式，转变为学生向学生授课。学生通过课后查阅文献资料，自主学习，对一些课程知识发表自己的看法和理解，然后再和同学、老师讨论并陈诉自己的想法与观点。这种教学方法需要教师对授课内容以及教学的设计，构建多样丰富的学习环境。通过这种相互讨论的学习环境，主要是为了确立学生在学习中的主导地位，老师起到一个有效的引导作用，从而使学生能够深刻理解学习课程中的重点和难点，达到良好的教学效果。针对不同意见，老师与同学之间进行探讨，最后对知识有一个深刻的理解。这种教学方式不仅能锻炼学生的查阅文献能力和语言表达能力，还能锻炼学生自主学习能力、独立思考能力以及创新能力。有利于学生的思维进行发散，从不同的角度去理解课程内容，调动了学生的积极性与创造性。这是根据材料性能学这门课的基本特点提出来的，这种方法能够有效合理地让学生参与到学习课堂之中，使学生不再是被迫接受老师的讲解，而是主动汲取以及理解课程相关的知识点，达到事半功倍的效果。

理论实践结合，提高专业素质。《材料性能学》除了有很强的理论性之外，还需要加强学生实践能力的培养。需要对现有的实验条件加以利用，开设课程所需要的课程实验项目[6]。比如在讲授材料的扭转、弯曲和压缩性能时，可以进行材料的扭转、弯曲和压缩试验。可以采用理论课程和实验同时进行教学的方式，成绩考核采用理论成绩和实验成绩综合考察的方式。实验过程可以要求学生分小组进行，可适度引导学生独立设计实验方案、性能测试方案等等。了解实验的用途、原理，将理论和实践紧密结合起来，并且得到完整合理的实验报告书。在经过教师认真审评后，学生再进行实验操作，然后通过科学的评估方式进行考察。整个实验过程目的在于充分发挥学生主观能动性、提高实验技能和分析处理问题的能力，锻炼学生的发散思维，培养学生综合能力。通过实验与理论相结合的方式，使学生可以更加直白清楚地了解材料的性能概念和背后的机理，培养学生的实践操作能力，更明确学习目的，提高专业素养。

在课外时间，鼓励学生查阅大量课程相关的文献资料，积极参加各种课外创新学科竞赛，同时多设置各种专业技能实验课程，安排学生动手进行材料性能相关实验，提高学生对性能测试、数据分析、试样观察及机理分析的能力，培养学生对科研的兴趣，全面创新发展。

5.结束语

《材料性能学》不仅是作为材料科学与工程专业的基础课程，也是本专业今后实践与科研的重要指导课程，课程重要性不言而喻。其教学方式不应该一成不变，而应该随着“新工科”的时代要求不断地改革与创新。本文在此课程中针对出现课程内容广泛、学习难度大、学科交叉性强、理论与实践结合不紧密的难点，提出了对课程内容进行整合改革，案例分析教学、双边教学，理论实践结合的改革手段，培养学生独立思考、语言表达、实践创新能力，提高学生运用理论知识进行实践生产和科学研究的能力。此外，除了以上的改革手段之外，也应该不断探索新颖的、多元化、高效的教学手段，培养实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的新时代高素质复合型新工科人才。